Радиолокационный уровнемер
Уровнемер используется для определения неконтактным способом уровня веществ, включая агрессивные, ядовитые и взрывоопасные среды в хранилищах и замкнутых резервуарах на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности. Прибор реализует принцип ближней радиолокации с использованием импульсной двухдиапазонной линейно-частотной модуляции сигнала в миллиметровом диапазоне длин волн. Уровнемер содержит антенный блок, смеситель, синхронизатор, два циркулятора, два фильтра, два генератора модулирующего сигнала, усилитель, калибровочный волновод, ответвитель, счетчик, индикатор, СВЧ-генератор, блок управления, два выключателя, ключевой формирователь, цифроаналоговый преобразователь, аттенюатор поглощающий, механический аттенюатор, генератор прокачки, два ограничителя, управляемую нагрузку, коммутатор, суммирующий усилитель, блоки: опорных напряжений, микропроцессорный, преобразователей уровня, пороговый и компенсации. Блоки и элементы устройства связаны между собой функционально. Повышена точность измерения. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.
Уровнемер относится к области измерительной аппаратуры для определения неконтактным способом уровня жидких и сыпучих материалов, включая агрессивные, ядовитые и взрывчатые среды и может быть применен в открытом пространстве, в хранилищах и замкнутых резервуарах на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и др. отраслей промышленности.
Известен уровнемер, содержащий СВЧ-генератор, антенный блок, смеситель, синхронизатор, циркулятор, первый и второй фильтры, два генератора модулирующего сигнала, ответвитель, счетчик, индикатор, блок управления. В нем содержится N датчиков уровня, каждый из которых содержит антенну, поляризатор, ответвитель циркулятор, вертикальный волновод и сумматор (см. патент РФ N 2010182, МКП5 G 01 F 23/28, 1992 г.). Этот уровнемер действительно имеет ряд преимуществ перед своими предшественниками, в частности перед прототипом, а.с. СССР N 640127, кл. G 01 F 23/28, 1975 г. Но он имеет и недостатки, связанные ограниченной точностью измерения и значительными габаритами. Это является следствием его структурной схемы, которая позволяет работать только с радиоизлучением сантиметрового диапазона длин волн. Перед авторами стояла задача создания малогабаритного, надежного в работе прибора, измеряющего с высокой точностью уровень продукта в закрытом объеме. Эта задача решена за счет того что в уровнемер, содержащий антенный блок, смеситель, синхронизатор, первый циркулятор, первый и второй фильтры, первый и второй генераторы модулирующего сигнала, ответвитель, счетчик, индикатор, СВЧ-генератор, блок управления, усилитель и волновод, дополнительно введены два отражающих выключателя, управляемый усилитель, ключевой формирователь, второй циркулятор, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), поглощающий аттенюатор, механический аттенюатор, генератор прокачки, два ограничителя, калибровочный волновод, управляемая нагрузка, коммутатор, суммирующий усилитель и блоки: опорных напряжений, микропроцессорный, преобразователей уровня, пороговый и компенсации. Усилитель выполнен в виде управляемого усилителя, а волновод является калибровочным. При этом антенный блок соединен с первым отражающим выключателем, соединенным с блоком преобразователя уровня и первым циркулятором, вход которого соединен с выходом поглощающего аттенюатора, один вход которого соединен с блоком преобразования уровня, а другой - с одним из выходов ответвителя, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, а другой выход соединен с вторым циркулятором, соединенным с механическим аттенюатором и смесителем, второй вход которого соединен с первым циркулятором, а выход - с блоком компенсации, второй вход которого соединен с выходом второго генератора модулирующего сигнала, а выход с входом первого фильтра, второй вход которого соединен с микропроцессорным блоком, а выход - с вторым фильтром и первым ограничителем, выход которого соединен с коммутатором, второй вход которого соединен с вторым ограничителем, вход которого соединен с выходом второго фильтра, выходы микропроцессорного блока соединены с индикатором, синхронизатором и первым входом цифроаналогового преобразователя, блок управления соединен с микропроцессорным блоком, второй вход цифроаналогового преобразователя соединен с блоком опорных напряжений, а выход - с первым генератором модулирующего сигнала, второй вход которого соединен с блоком опорных напряжений, а третий вход - с ключевым формирователем, входы которого соединены с блоком опорных напряжений и синхронизатором, второй выход которого соединен с управляемым усилителем, второй вход которого соединен с первым генератором модулирующего сигнала, а выход - с вторым генератором модулирующего сигнала, выход которого дополнительно соединен с суммирующим усилителем, выход которого соединен с СВЧ-генератором, третий выход синхронизатора соединен с генератором прокачки, выход которого соединен с суммирующим усилителем, выход коммутатора соединен с пороговым блоком, выход которого соединен со счетчиком, выход которого соединен с микропроцессорным блоком, четвертый выход которого соединен с коммутатором, механический аттенюатор, второй отражающий выключатель, калибровочный волновод и управляемая нагрузка последовательно соединены между собой, второй выход блока преобразователей уровня соединен с вторым отражающим выключателем, синхронизатор дополнительно соединен выходами с микропроцессорным блоком и счетчиком. Первый фильтр выполнен в виде последовательно соединенных первого управляемого фильтра, третьего ограничителя, второго управляемого фильтра и четвертого ограничителя, при этом управляемые фильтры соединены с микропроцессорным блоком. Управляемая нагрузка выполнена в виде последовательно соединенных отражателя, третьего циркулятора, третьего выключающего отражателя и поглощающей нагрузки. Блоки компенсации выполнены в виде последовательно соединенных фильтра низких частот и вычитателя. Заявляемый уровнемер обладает совокупность существенных признаков, не известных из уровня техники для приборов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна" для изобретения. Заявляемый радиолокационный уровнемер, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки. Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, где на фиг.1 приведена структурная схема; на фиг.2 - схема первого фильтра; на фиг.3 - схема управляемой нагрузки; на фиг.4 - схема блока компенсации; на фиг.5, 6, 7 и 8 - эпюры напряжений и графики. Радиолокационный уровнемер содержит антенный блок 1, первый отражающий выключатель 2, смеситель 3, блок компенсации 4, ключевой формирователь 5, блок опорных напряжений 6, синхронизатор 7, микропроцессорный блок 8, первый циркулятор 9, второй циркулятор 10, первый фильтр 11, блок преобразователей уровня 12, первый генератор модулирующего сигнала 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, поглощающий аттенюатор 15, механический аттенюатор 16, второй фильтр 17, первый ограничитель 18, управляемый усилитель 19, генератор прокачки 20, второй отражающий выключатель 21, ответвитель 22, калибровочный волновод 23, второй ограничитель 24, пороговый блок 25, второй генератор модулирующего сигнала 26, счетчик 27, индикатор 28, СВЧ-генератор 29, управляемую нагрузку 30, коммутатор 31, суммирующий усилитель 32 и блок управления 33. Первый фильтр 11 выполнен в виде последовательно соединенных первого управляемого фильтра 34, третьего ограничителя 35, второго управляемого фильтра 36 и четвертого ограничителя 37, при этом управляемые фильтры 34 и 36 соединены с микропроцессорным блоком 8. Управляемая нагрузка 30 выполнена в виде последовательно соединенных отражателя 38, третьего циркулятора 39, третьего выключающего отражателя 40 и поглощающей нагрузки 41. Блок компенсации 4 выполнен в виде последовательно соединенных фильтра низких частот 42 и вычитателя 43. При этом антенный блок 1 соединен с первым отражающим выключателем 2, который соединен с первым циркулятором 9, блоком преобразователей уровня 12 и управляемой нагрузкой 30. Смеситель 3 соединен с первым циркулятором 9, блоком компенсации 4 и вторым циркулятором 10. Блок компенсации 4 еще соединен с первым фильтром 11 и вторым генератором модулирующего сигнала 26. Ключевой формирователь 5 соединен с блоком опорных напряжений 6, синхронизатором 7 и первым генератором модулирующего сигнала 13. Блок опорных напряжений 6 дополнительно соединен с первым генератором модулирующего сигнала 13, ЦАП 14 и суммирующим усилителем 32. Синхронизатор 7 еще соединен с микропроцессорным блоком 8, генератором прокачки 20 и счетчиком 27, который соединен с микропроцессорным блоком 8 и пороговым блоком 25, соединенным с коммутатором 31. Микропроцессорный блок 8 кроме того соединен с первым фильтром 11, блоком преобразования уровня 12, ЦАП 14, коммутатором 31, индикатором 28 и блоком управления 33. Первый циркулятор 9 еще соединен с поглощающим аттенюатором 15, соединенным с ответвителем 22, вторым отражающим выключателем 21 и блоком преобразования уровня 12. Второй циркулятор 10 дополнительно соединен с ответвителем 22 и механическим аттенюатором 16, соединенным с вторым отражающим выключателем 21, соединенным с калибровочным волноводом 23, соединенным с управляемой нагрузкой 30. Первый фильтр 11 кроме того соединен с вторым фильтром 17 и первым ограничителем 18. Первый генератор модулирующего сигнала 13 соединен дополнительно с ЦАП 14 и управляемым усилителем 19, соединенным с вторым генератором модулирующего сигнала 26, соединенным с суммирующим усилителем 32, соединенным с СВЧ-генератором 29, соединенным с ответвителем 22, соединенным с поглощающим аттенюатором 15. Коммутатор 31 соединен дополнительно с первым ограничителем 18, вторым ограничителем 24 и пороговым блоком 25, соединенным со счетчиком 27. Радиолокационный уровнемер работает следующим образом. В момент включения уровнемера или при нажатии кнопки "Сброс" входящей в состав блока управления 33 в микропроцессорном блоке 8 вырабатывается сигнал обнуления контроллера, после чего уровнемер переводится в режим работы "Калибровка". В этом режиме на вход блока преобразователей уровня 12 с микропроцессорного блока 8 подается сигнал в виде уровня логической единицы, приводящий к появлению на выходах блока 12 сигналов в виде необходимых уровней тока. При этом первый и третий 40 (см. фиг.3) выключатели отражающие начинают работать на отражение поступающих на них СВЧ колебаний, а второй выключатель отражающий 21 начинает работать в режиме пропускания поступающих на него СВЧ-колебаний. Аттенюатор поглощающий 15 уменьшает мощность СВЧ колебаний до уровня, необходимого для нормальной работы смесителя 3. СВЧ частотно-модулированные (ЧМ) колебания с СВЧ-генератора 29, проходя через ответвитель 22, второй циркулятор 10, механический аттенюатор 16, второй выключатель отражающий 21 поступают на калибровочный волновод 23 эталонный длины, для уменьшения габаритов свернутый в спираль. Проходя через калибровочный волновод 23 СВЧ колебания поступают на вход управляемой нагрузки 30. В нагрузке 30 задержанные по времени ЧМ СВЧ-колебания через третий циркулятор 39 поступают на третий выключатель 40 и отражаясь от него через третий циркулятор 39 и отражатель 38 возвращаются на вход управляемой нагрузки 30. Далее эти ЧМ СВЧ колебания через калибровочный волновод 23, выключатель отражающий 21, механический аттенюатор 15, второй циркулятор 10 поступают на вход смесителя 3. На второй вход смесителя 3 СВЧ сигнал в режиме "Калибровка" поступает пройдя от СВЧ-генератора 29 через ответвитель 22, аттенюатор поглощающий 15, первый циркулятор 9, отразившись от выключателя 2 через циркулятор 9. В антенный блок 1 в режиме "Калибровка" поступает лишь незначительная часть мощности СВЧ-генератора 29, обусловленная конечным затуханием, вносимым выключателем 2 и аттенюатором 15. Это обуславливает экологическую безопасность при использовании уровнемера в носимом варианте. Таким образом, в режиме "Калибровка" на входы смесителя 3 поступают ЧМ СВЧ колебания с различными задержками: опорный сигнал с задержкой, обусловленный в основном длиной калибровочного волновода 23 и измерительный сигнал с фиксированной минимальной задержкой, обусловленной геометрическими размерами СВЧ компонентов. Причем задержки сигналов в циркуляторах 9 измерительного и 10 опорного каналов, выключателях 2 измерительного и 40 опорного каналов одинаковы. Одинаковы также за счет конструктивного выполнения задержки сигналов опорного и измерительного сигналов в ответвителе 22. Сигнал биений между опорным и измерительным сигналами с выхода смесителя 3 поступает на блок компенсации 4. Величина частоты биений определяется двойной длиной калибровочного волновода, величиной![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/12/125868.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8805.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/12/125869.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/948.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/12/125870.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/12/125871.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/12/125872.gif)
Fоб.=Fц. Эпюры указанных сигналов приведены на фиг. 5а, б, в, г (без соблюдения коэффициентов деления). Прямоугольный сигнал медленной модуляции Fn2 (см. эпюру а на фиг. 5) поступает на управляющий вход ключевого формирователя 5. На входы питания ключевого формирователя 5 поступают равные по величине, но противоположные по знаку напряжения +Uоп. и -Uоп. с выходов блока опорных напряжений 6. Таким образом, на выходе формирователя 5 формируется двуполярный прямоугольный сигнал частотой повторения Fn2 , постоянная составляющая которого равна нулю, так как скважность этого сигнала равна двум, а амплитуды положительной и отрицательной полуволн равны по величине (см. эпюру на фиг. 5). Этот сигнал, поступая на вход первого генератора модулирующего сигнала 3, формирует на его выходе пилообразный модулирующий сигнал медленной прокачки (эпюра с фиг. 6) смещенной относительно нулевого уровня на величину Uсм.. Величина напряжения Uсм. образуется за счет суммирования постоянного опорного напряжения с выхода блока опорных напряжений 6 и регулируемого напряжения с выхода цифроаналогового преобразователя (ЦАП), на опорный вход которого подано напряжение с выхода блока 6 опорных напряжений. Цифровые входы управления ЦАП 14 подключены к выходной шине данных микропроцессорного блока 8. После обнуления микропроцессорного блока 8 по этой шине передается нулевой код. Напряжение на выходе ЦАП 14 при этом равно нулю. Следовательно, в момент включения режима "Калибровка" постоянное напряжение Uсм. будет определяться только величиной опорного напряжения блока 6. Суммарное напряжение с выхода первого генератора модулирующего сигнала 13 поступает на управляющий усилитель 19, на управляющий вход которого поступает прямоугольный модулирующий сигнал быстрой модуляции Fn1 . Управляемый усилитель в зависимости от сигнала управления имеет коэффициент передачи либо +1 (на управляющем входе сигнал логического нуля), либо - 1 (на управляющем входе сигнал логической единицы). Таким образом, управляемый усилитель 19 выполняет функцию перемножителя и на его выходе формируется сигнал представленный на фиг. 5 эпюра 3. При подаче такого сигнала на второй генератор модулирующего сигнала 26, выполненного в виде интегрирующего фильтра нижних частот, на его выходе образуется пилообразный модулирующий сигнал быстрой модуляции, промодулированный модулирующим сигналом медленной модуляции. Амплитуда модулирующего сигнала быстрой модуляции определяется напряжением Uсм., а глубина амплитудной модуляции определяется амплитудой модулирующего сигнала медленной прокачки (см. эпюру и на фиг. 5). После суммирования модулирующего сигнала быстрой прокачки (см. эпюра"а" на фиг. 6) с сигналом генератора прокачки 20 (эпюра "в" на фиг. 6) и постоянным опорным напряжением с блока 6 опорных напряжений в суммирующем усилителе 32 образуется модулирующий сигнал (см. эпюру "г" на фиг. 6) СВЧ генератора 29, который осуществляет ЧМ генератора. Измерение длины калибровочного волновода осуществляется следующим образом. Перед началом измерений синхронизатор 7 вырабатывает импульс обнуления счетчика 27 и подает сигнал логического нуля с частотой Fу циклов измерения (см. эпюры "в" и "г" на фиг. 5) на микропроцессорный блок 8. При этом импульсы частоты биений поделенные счетчиком 27 в N раз поступают на счетный вход микропроцессорного блока 8, где подсчитываются таймером (на фигурах не показан) в течение интервала времени Тизм. (см. эпюру "г" на фиг. 5). Длительность интервала измерения Тизм. заранее известна и кратна целому числу периодов быстрой Fn1 и медленной Fn2 модуляции. В момент времени t0 (см. эпюру "в" на фиг.5) счет импульсов таймером микропроцессорного блока 8 прекращается. Результат счета, пропорциональный длине калибровочного волновода, поступает на индикатор 28. В интервале обработки Tобр. измеренное Lизмi значение длины калибровочного волновода 23 сравнивается с эталонным значением Lэт., хранимым в постоянной памяти микропроцессорного блока 8. Сравнение разности Lэт - Lизмi или Lизм-Lэт. с пороговым значением П осуществляется в блоке 8. Так как при включении режима "Калибровка" на ЦАП 14 с микропроцессорного блока 8 подается нулевой код, то измеренное Lизм. значение длины калибровочного будет меньше эталонного значения. Это обусловлено тем, что амплитуда сигнала быстрой прокачки, зависящая от величины напряжения Uсм. и определяющая величину девиации
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/916.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8773.gif)
D = Dбл.3 - C1-C2,
где:
C1 -постоянная поправка к измеренной дальности за счет задержки сигнала от фланца антенного блока 1 до входа смесителя 3;
C2 - постоянная поправка, возникающая за счет формы спадающей АЧХ (линия 1,2 на фиг. 8) по сравнению с нарастающей АЧХ (линия 3, 4 на фиг. 8). Если выполняется условие Dд.3>Lпор, то в блок индикации 26 выдается значение расстояния вычисляемого в блоке 8 по формуле
D = Dд.3-C1
Обработка результатов измерения Dбл.3 и Dд.3 в зависимости от условий применения уровнемера может быть другой и реализуется для каждого конкретного случая на микропрограммном уровне за счет смены программы, хранимой в ПЗУ микропроцессорного блока 8. Для прекращения измерений расстояния необходимо повторно нажать кнопку "Измерение" блока управления 33. Уровнемер при этом будет работать в режиме "Калибровка" и не излучать СВЧ колебания в окружающее пространство. Микропроцессорный блок 8 может быть реализован на однокристальной ЭВМ, например, К1816ВЕ35 и микросхемах серии К580. Управляемый усилитель 19 может быть выполнен по схеме приведенной на рис. 2.1 в книге Алексеенко А.Г. и др. "Применение прецизионных аналоговых ИС" - М., Радио и связь, 1981. Заявляемый радиолокационный уровнемер может быть неоднократно воспроизведен на современном оборудовании и по современной технологии, применен для определения уровня продуктов и замкнутых объемах с высокой точностью в широком диапазоне измеряемых уровней, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "применимость" для изобретения. На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация на переносной вариант уровнемера, реализующего заявляемую схему, позволяющего измерять уровень от 0,5 до 30 м с погрешностью 1 см. Прибор демонстрировался на 4-й международной выставке "Нефть и газ - 97", проходившей в г. Москве 7-10 апреля 1997 г., где был проявлен большой интерес со стороны предприятий, занимающихся нефтепроводами, хранением и переработкой нефти.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8