Импульсно-фазовый измеритель толщины слоев разнородных жидкостей, а также их относительного изменения с повышенной точностью

 

Изобретение относится к средствам контроля и измерения толщины слоев разнородных по электрофизическим свойствам жидкостей, а также их относительного изменения и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическим процессом. Измеритель построен на основе приемопередающего модуля с антенной системой, блоков АЦП, ОЗУ и вычислительного устройства, управляющего режимами излучения и приема (частотой излучения, уровнем отраженного сигнала) при облучении жидкой среды радиоимпульсами со сдвигом фаз, устанавливаемым управляемым фазовращателем 0 или π/2 через период зондирования на одной из частот рабочего диапазона дискретно управляемого СВЧ-генератора. Отраженные от уровней раздела жидкостей радиоимпульсы смешиваются с непрерывным радиосигналом того же генератора на фазовом детекторе, на выходе которого через период выделяются квадратурные составляющие сигналов, преобразуемые в цифровую форму и записываемые в буферное оперативное запоминающее устройство (БОЗУ). Данные БОЗУ по окончании излучения считываются в вычислительное устройство. Измеритель производит поиск и запоминание временных задержек максимумов отраженных от каждого уровня раздела жидкостей сигналов, поддерживая в крайних точках рабочего диапазона частот СВЧ-генератора равенство амплитуд квадратурных составляющих сигналов и изменяя частоту излучения от низшей к высшей, а также поддерживая уровень отраженного сигнала в пределах динамического диапазона АЦП. По каждой запомненной временной задержке производится подсчет переходов фазы принятого сигнала через значение 45^o. По количеству переходов фазы принятого сигнала и разности несущих частот в крайних положениях рабочего диапазона определяется уточненное значение временной задержки квадратурных сигналов относительно сигнала, просочившегося на вход приемника через циркулятор, а по временным задержкам - количество и толщина слоев жидкостей. Определение относительного изменения толщины слоев разнородных жидкостей производится по запомненным ранее значениям временных задержек максимумов отраженных сигналов, которые поддерживаются периодической подстройкой частоты излучения так, чтобы фазы принятых квадратурных сигналов оставались равными 45^o, и по величине изменения частоты излучения для каждого уровня жидкости вычисляется относительное изменение толщины слоев. Технический результат: повышение точности измерений, удешевление способа. 4 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к средствам контроля и измерения толщины слоев разнородных по электрофизическим свойствам жидкостей, а также их относительного изменения и может быть использовано в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

Известны [1,2] уровнемеры, выполненные на основе излучения видеоимпульсов, которые излучают зондирующие видеоимпульсы в направлении контролируемой жидкой среды, принимают отраженные сигналы и определяют время задержки отраженных сигналов относительно зондирующих. Основными недостатками данного класса уровнемеров является ограниченная точность измерения интервалов времени между излученными и принятыми импульсными сигналами [3, стр. 54] вследствие большой временной и температурной нестабильности времени запуска генераторов коротких импульсов порядка (0,5-1)нс [2], а также громоздкостью антенной системы [1].

Известны [4, 5, 6] бесконтактные уровнемеры, выполненные на основе ЧМ-радиолокатора, в которых измерение уровня сводится к излучению частотно-модулированного зондирующего сигнала в направлении контролируемой среды, приему отраженного сигнала, смешиванию его с сигналом, сформированным в местном гетеродине одновременно с передачей зондирующего сигнала, в результате чего образуется сигнал биений, подсчету числа нулей сигнала биений за время одного периода частотной модуляции, по которому определяется уровень жидкости. Основным недостатком данного класса уровнемеров является отсутствие селекции отраженных сигналов от нескольких уровней раздела жидкостей и, следовательно, искажение сигнала биений (когда мощность отраженных от двух уровней раздела жидкостей или уровня и от дна резервуара сигналов одного порядка), которое приводит к существенным погрешностям измерения уровня.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для осуществления способа, приведенное в [7] . Устройство излучает в направлении контролируемой жидкой среды зондирующие радиоимпульсы, принимает отраженные от уровней раздела разнородных жидкостей радиоимпульсные сигналы с последующим их фазовым детектированием и выделением квадратурных составляющих принятых сигналов, по которым измеряются фазы принятых сигналов в выделенных временных точках, соответствующих временным задержкам отраженных радиоимпульсов, измеренных импульсным способом по максимумам амплитуд сигналов от каждого уровня раздела разнородных по электрофизическим свойствам жидкостей относительно наведенного "прямого" (просочившегося в момент излучения через циркулятор на приемник) сигнала. Далее, в каждой выделенной временной точке по разности фаз отраженных сигналов, образующейся при дискретном изменении несущей частоты зондирующих радиоимпульсов от одного края рабочего диапазона к другому, производится уточненная оценка фазовым способом временных задержек отраженных радиоимпульсов от уровней раздела жидкостей относительно наведенного "прямого" сигнала.

Для измерения с повышенной точностью относительного изменения временных задержек отраженных радиоимпульсов от уровней раздела жидкостей несущая частота зондирующих радиоимпульсов устанавливается, например, в середине рабочего диапазона, в выделенных временных точках (соответствующих уточненным временным задержкам отраженных радиоимпульсов от каждого уровня раздела жидкостей относительно наведенного "прямого" сигнала), по разности фаз между начальным измерением и текущим определяется относительное изменение временных задержек отраженных радиоимпульсов от уровней раздела жидкостей относительно наведенного "прямого" сигнала.

Недостатком такого устройства является наличие значительной погрешности измерения временных задержек отраженных радиоимпульсов от уровней раздела жидкостей относительно наведенного "прямого" сигнала из-за неидентичности квадратурных каналов обработки (два фазовых детектора, два АЦП). Такое построение каналов обработки усложняет измеритель, увеличиваются его габариты и стоимость. Кроме того, оценка времени задержки отраженных радиоимпульсов от уровня раздела жидкостей относительно наведенного "прямого" сигнала не учитывает изменения задержки вследствие медленных изменений линейного размера длины фидера, соединяющего циркулятор с антенной системой, и изменений расстояния от антенны до жидкой среды (при линейных изменениях размеров резервуара) при воздействии внешних климатических факторов. Поэтому, как будет показано ниже, при оценке толщины слоев формируется разность уточненных временных задержек отраженных радиоимпульсов относительно наведенного "прямого" сигнала от двух соседних уровней раздела жидкостей. При этом ошибки по временным задержкам, связанные с медленными изменениями линейных размеров длины фидера и высоты резервуара (при воздействии внешних климатических факторов), компенсируются при вычислении толщины слоя жидкости.

Целью изобретения является повышение точности измерения толщины слоев разнородных по электрофизическим свойствам жидкостей и сокращение количества аппаратуры.

Поставленная цель изобретения достигается тем, что в устройство, содержащее синхронизатор, вычислительное устройство, аналого-цифровой преобразователь, фазовращатель, импульсный модулятор, последовательно соединенные антенную систему, циркулятор, малошумящий УВЧ, фазовый детектор, направленный ответвитель, дискретно управляемый СВЧ-генератор, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, первый выход которого соединен с первым входом импульсного модулятора, второй вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора, а второй выход направленного ответвителя - со вторым входом фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом малошумящего усилителя, вход которого соединен с выходом циркулятора, вход/выход которого подключен к антенной системе, дополнительно введены управляемый аттенюатор, видеоусилитель, БОЗУ, блок регулировки усиления, блок регулировки ослабления, источник тока, управляемый напряжением, контроллер обмена, при этом выход импульсного модулятора соединен со вторым входом фазовращателя, первый вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, а выход - с первым входом управляемого аттенюатора, выход которого соединен со входом циркулятора, а второй вход - с выходом источника тока, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом блока регулировки ослабления, все первые входы которого соединены по шине данных со всеми первыми входами блока регулировки усиления, всеми шестыми входами ВОЗУ, всеми первыми входами контроллера обмена, все третьи входы/выходы которого являются входами/выходами измерителя, а также всеми двенадцатыми входами вычислительного устройства, второй, третий, четвертый, пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока регулировки ослабления, блока регулировки усиления, контроллера обмена, ВОЗУ, а шестой, седьмой, тринадцатый выходы - соответственно с третьим, четвертым, седьмым входами ВОЗУ, восьмой, девятый выходы - соответственно со вторым и третьим входами синхронизатора, десятый, одиннадцатый выходы - соответственно со вторым и первым входами дискретно управляемого СВЧ-генератора, первый вход - с четвертым выходом синхронизатора, первый вход которого соединен с первым выходом ВОЗУ, первый вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора и вторым входом АЦП, все выходы которого соединены со всеми пятыми входами БОЗУ, а первый вход АЦП - с выходом видеоусилителя, первый вход которого соединен с выходом фазового детектора, второй вход - с выходом блока регулировки усиления.

При таком построении измерителя необходим один канал выделения квадратурных составляющих отраженных сигналов вместо двух (как в прототипе). При этом синхронизатор управляет фазовращателем таким образом, что фаза излученного сигнала на выходе импульсного модулятора через период зондирования принимает значения либо 0, либо π/2, что позволяет выделять на выходе фазового детектора через период повторения квадратурные составляющие отраженных сигналов, которые преобразуются в аналого-цифровом преобразователе в цифровую форму, записываются в ВОЗУ и после окончания излучения обрабатываются вычислительным устройством аналогично устройству прототипа.

Для расширения динамического диапазона регулировки уровня сигнала в приемопередающем тракте измерителя, а также обеспечения связи измерителя с внешними системами введены широко известные технические решения: видеоусилитель [12] с блоком регулировки усиления [8], управляемый аттенюатор [30] с блоком регулировки ослабления [8] и источником тока, управляемого напряжением [91, контроллер обмена [13], не влияющие на сущность предлагаемого изобретения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый измеритель отличается новыми связями фазовращателя с другими блоками и исполнением этого блока. Таким образом, заявляемый измеритель соответствует критерию "новизна".

Предлагаемое исполнение измерителя неизвестно и приводит к повышению полезных свойств - повышению точности измерения толщины слоев разнородных жидкостей, снижению габаритов и стоимости за счет сокращения количества аппаратуры. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена блок-схема измерителя толщины слоев разнородных жидкостей, на фиг.2 - блок-схема синхронизатора, на фиг.3 - блок-схема БОЗУ, на фиг.4 - блок-схема дискретно управляемого СВЧ-генератора, на фиг.5 представлены диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы нониусного измерения задержки отраженных сигналов, на фиг.6, 7, 8, приведена блок-схема алгоритма работы измерителя толщины слоев разнородных жидкостей.

Измеритель толщины слоев разнородных жидкостей (фиг.1) содержит дискретно управляемый СВЧ-генератор 1, направленный ответвитель 2, импульсный модулятор 3, фазовращатель 4, управляемый аттенюатор 5, циркулятор 6, антенную систему 7, малошумящий УВЧ 9, фазовый детектор 10, видеоусилитель 11, АЦП 12, БОЗУ 13, синхронизатор 14, вычислительное устройство 15, контроллер 16 обмена, блок 17 регулировки усиления, блок 18 регулировки ослабления, источник 19 тока, управляемый напряжением.

При этом выход дискретно управляемого СВЧ-генератора 1 соединен со входом направленного ответвителя 2, первый выход которого подключен к первому входу импульсного модулятора 3, второй вход - ко второму выходу синхронизатора 14, первый выход которого соединен с первым входом фазовращателя 4, второй вход которого соединен с выходом импульсного модулятора 3, а выход - с первым входом управляемого аттенюатора 5, выход которого соединен со входом циркулятора 6, вход/выход которого соединен с антенной системой 7, а выход - со входом малошумящего УВЧ 9, выход которого соединен с первым входом фазового детектора 10, второй вход которого соединен со вторым выходом направленного ответвителя 2, а выход - с первым входом видеоусилителя, второй вход которого соединен с выходом блока 17 регулировки усиления, а выход - с первым входом АЦП 12, все выходы которого соединены со всеми пятыми входами БОЗУ 13, первый вход которого соединен со вторым входом АЦП 12 и третьим выходом синхронизатора 14, четвертый выход которого соединен с первым входом вычислительного устройства 15, второй, третий, четвертый, пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока 18 регулировки ослабления, блока 17 регулировки усиления, контроллера 16 обмена, БОЗУ 13, шестой, седьмой, тринадцатый выходы - соответственно с третьим, четвертым, седьмым входами БОЗУ 13, десятый, одиннадцатый выходы - соответственно со вторым и первым входами дискретно управляемого СВЧ-генератора 1, восьмой, девятый выходы - соответственно со вторым и третьим входами синхронизатора 14, первый вход которого соединен с первым выходом БОЗУ 13, все шестые входы/выходы которого по шине данных соединены со всеми двенадцатыми входами/выходами вычислительного устройства 12, всеми первыми входами/выходами контроллера 16 обмена, все третьи входы/выходы которого являются входами/выходами измерителя уровней раздела жидкостей, а также - со всеми первыми входами блока 17 регулировки усиления, всеми первыми входами блока 18 регулировки ослабления, выход которого соединен со входом источника 19 тока, управляемого напряжением, выход которого соединен со вторым входом управляемого аттенюатора 5.

Синхронизатор 14 (фиг.2) содержит кварцевый генератор 20, первый синхронный делитель 21, первый триггер 22 управления, первый блок 23 "И-НЕ", генератор 24, управляемый напряжением, второй синхронный делитель 25, второй триггер 26 управления, ФНЧ 27, триггер 28 флага излучения, третий триггер 29 управления, второй блок 30 "И-НЕ", третий блок 31 "И-НЕ", ДПКД 32, четвертый триггер 33 управления, формирователь 34 коротких импульсов, блок 35 "И".

При этом выход кварцевого генератора 20 соединен со входом первого синхронного делителя 21 и вторым входом второго блока 30 "И-НЕ", выход которого 36 является третьим выходом синхронизатора 14, а первый вход соединен со вторым входом третьего блока 31 "И-НЕ" и выходом третьего триггера 29 управления, второй вход которого соединен с выходом первого синхронного делителя 21 и первым входом первого триггера 22 управления, первый выход которого соединен с первым входом блока 23 "И-НЕ", выход которого соединен со вторым входом второго триггера 26 управления и вторым входом первого триггера 22 управления, второй выход которого соединен с первым входом ФНЧ 27, выход которого соединен со входом генератора 24, управляемого напряжением, а второй вход - со вторым входом первого блока 23 "И-НЕ" и выходом второго триггера 26 управления, первый вход которого соединен с выходом второго синхронного делителя 25, вход которого соединен с выходом генератора 24, управляемого напряжением, и первым входом третьего блока 31 "И-НЕ", выход которого соединен со вторым входом ДПКД 32, выход которого соединен со входом формирователя 34 коротких импульсов, выход 37 которого является вторым выходом синхронизатора 14, а также - со вторым входом четвертого триггера 33 управления, первый выход которого соединен с первым входом ДПКД 32, второй выход 41 которого является первым выходом синхронизатора 14, а первый вход 42, являющийся флагом излучения, подключен к первому входу третьего триггера 29 управления и выходу триггера 28 флага излучения, первый вход которого 38 является вторым входом синхронизатора 14, а второй вход подключен к выходу блока 35 "НЕ", первый вход 39 и второй 40 которого являются соответственно первым и третьим входами синхронизатора 14.

БОЗУ 13 (фиг. 3) содержит ОЗУ 43, счетчик 44 адреса ОЗУ, первый 45 и второй 46 шинные усилители, блок 47 "НЕ", первый 48 и второй 49 блоки "И".

При этом первый вход ОЗУ 43 соединен с выходом блока 47 "НЕ" и первым входом первого шинного усилителя 45, все вторые входы которого 50 являются пятыми входами БОЗУ 13, а все выходы соединены со всеми вторыми входами/выходами ОЗУ 43 и всеми вторыми входами второго шинного усилителя 46, первый вход которого 51 соединен со входом блока "НЕ", является четвертым входом БОЗУ 13, а все третьи входы/выходы 55 - шестыми входами/выходами БОЗУ 13 и подключены ко всем третьим входам счетчика 44 адреса ОЗУ, все первые выходы которого подключены ко всем пятым входам ОЗУ 43, четвертый вход которого соединен с третьим входом ОЗУ 43 и выходом первого блока 48 "И", второй вход которого 54 является седьмым входом БОЗУ 13, а первый вход 36, являющийся первым входом БОЗУ 13, соединен с первым входом второго блока 49 "И", второй вход 53 которого является вторым входом БОЗУ 13, а выход подключен к первому входу счетчика 44 адреса ОЗУ, вторые вход 52 и выход 39 которого являются соответственно третьим входом и первым выходом БОЗУ 13.

Дискретно управляемый СВЧ-генератор 1 (фиг. 4) содержит СВЧ ГУН 56, прескалер 57, первый ДПКД 58, частотно-фазовый детектор 59, пропорционально интегрирующий фильтр (ПИФ) 60, кварцевый генератор (КГ) 61. При этом вход ГУН 56 соединен с выходом ПИФ 60, а выход, являющийся выходом 68 дискретно управляемого СВЧ-генератора 1, подключен ко входу прескалера 57, выход которого соединен с первым входом первого ДПКД 58, второй вход которого 67 является первым входом дискретно управляемого СВЧ-генератора 1, а выход подключен ко второму входу частотно-фазового детектора 59, выход которого соединен со входом ПИФ 60, а первый вход - с выходом второго ДПКД 62, первый вход которого подключен к выходу КГ 61, а второй вход 63 является вторым входом дискретно управляемого СВЧ-генератора 1.

Дискретно управляемый СВЧ-генератор 1 представляет собой широко известный апроксимирующий СВЧ-синтезатор частоты [18], конкретное исполнение которого показано на фиг.4. СВЧ ГУН 56 представляет собой СВЧ-генератор, управляемый напряжением по частоте и описан в [18]. Прескалер 57 представляет собой предварительный делитель частоты с малым коэффициентом деления, описан в [29] . ДПКД1 58 и ДПКД2 59 представляют собой делители с переменными коэффициентами деления, которые задаются сигналами 63 и 67 из вычислительного устройства 15, описаны в [26] . Пропорционально интегрирующий фильтр 60 описан в [18, стр.103].

Работает дискретно управляемый СВЧ-генератор 1 следующим образом. С вычислительного устройства 15 сигналами 63 и 67 устанавливаются коэффициенты деления ДПКД1 58 и ДПКД2 59 таким образом, чтобы выполнялось соотношение Эвклида [18]: F_гун : (K_пр • K_дпкд1) = F_кв/K_дпкд2 = F_ср, где F_гун - несущая частота СВЧ ГУН 58; К_пр - коэффициент деления прескалера; К_дпкд1, К_дпкд2 - коэффициенты деления ДПКД1 58 и ДПКД2 62; F_кв - частота кварцевого генератора; F_ср - частота сравнения на частотно-фазовом детекторе.

На частотно-фазовом детекторе производится сравнение сигналов с выходов ДПКД1 и ДПКД2. С выхода частотно-фазового детектора 59 напряжение сигнала ошибки поступает на пропорционально интегрирующий фильтр ПИФ 60, с выхода которого управляется СВЧ ГУН 56, несущая частота которого устанавливается в соответствии с заданным вычислительным устройством 15 значением.

Для повышения быстродействия СВЧ-синтезатора частота сравнения на первом и втором входах частотно-фазового детектора устанавливается значительно больше шага перестройки несущей частоты СВЧ ГУН 56 [18].

Вычислительное устройство 15 представляет собой однопроцессорный вычислитель, описанный в [16].

Управление коэффициентом усиления видеоусилителя 11 осуществляется блоком 17 реглировки усиления, содержащего регистр хранения и ЦАП [11]. По шине данных в блок 17 регулировки усиления подводятся данные из вычислительного устройства 15, который сигналом 65 записывает их в соответствии с алгоритмом работы измерителя толщины слоев разнородных жидкостей.

Управление ослаблением управляемого аттенюатора 5 производится по сигналу 64 вычислительного устройства 15 аналогично управлению усилением с той лишь разницей, что управление аттенюатором 5 производится через источник тока, управляемый напряжением [9].

Для расширения функциональных возможностей измерителя толщины слоев разнородных жидкостей антенная система может быть выполнена в виде приемопередающей антенны, либо линии на поверхностных волнах, либо волновода со своими согласующими устройствами [19].

Следует отметить, что для преобразования видеосигналов с выхода видеоусилителя 11 в цифровую форму и записи их в цифровом виде в оперативную память для последующей процессорной обработки применен быстродействующий АЦП 12 и буферное ОЗУ 13 (БОЗУ), соединенные как показано на фиг.1.

Схема включения АЦП 12 приведена в [11, стр.88, рис.4.28]. В качестве АЦП может быть применена, например, микросхема 1107ПВЗ [11]. На выходе АЦП могут подключаться широко известные буферные регистры и преобразователи уровня (например, микросхемы 100ТМ173 и 100ПУ124, 100ПУ125)[28].

В состав БОЗУ 13 (фиг.3) входят широко известные шинные усилители 45 и 46 (например, микросхемы 533 АП4 и 533 АП6), счетчик 44 адреса ОЗУ (например, микросхема 1533 ИЕ10)[28], ОЗУ 43 (например, микросхема МСМ6706)[22].

В режиме записи цифровых данных в оперативную память на первые входы ОЗУ 43 и первый шинный усилитель 45 подают сигнал нулевого логического уровня, а на первый вход второго шинного усилителя 46 - сигнал логической единицы, которым второй шинный усилитель 46 устанавливается по третьему выходу/входу в третье состояние. При этом по второму входу/выходу ОЗУ 43 поступает цифровой код с выхода шинного усилителя 45, который подключает данные АЦП 12 с выхода 50 на второй вход/выход ОЗУ 43, при этом адрес ОЗУ 43 выбирается параллельным кодом с первого выхода синхронного счетчика 44 адреса ОЗУ, работающего как последовательный счетчик по фронту сигналов 36, прошедших через второй блок 49 "И" на его первый вход. Запись сигналов в ОЗУ 43 происходит по нулевому логическому уровню на входах CS и ОЕ. Высокий уровень сигнала ОЕ на третьем входе ОЗУ 43 устанавливает его в третье состояние по входу/выходу 2. Высокий уровень сигнала CS на четвертом входе ОЗУ 43 устанавливает его в режим хранения информации. Сигнал 39 со второго выхода счетчика 44 адреса ОЗУ является сигналом окончания режима излучения и накопления, поступает на первый вход синхронизатора 14 для обнуления триггера флага 28 излучения.

В режиме считывания цифровых данных из оперативной памяти предусмотрено обращение вычислительного устройства 15 к ОЗУ 43. По шине данных 55 из вычислительного устройства 15 в счетчик 44 адреса ОЗУ записывается требуемый код адреса ОЗУ 43 "отрицательными" сигналами логического вида 52 и 53 из вычислительного устройства 15, причем фронт сигнала 53 должен находится внутри сигнала 52 [28], а второй шинный усилитель 46 должен находится по третьему входу/выходу в третьем состоянии. После этого вычислительное устройство выдает сигнал 51 логического нуля на первый вход второго шинного усилителя 46, снимающий третье состояние с его третьего входа/выхода, а на первый вход ОЗУ 43 и первый вход первого шинного усилителя 45 подается сигнал логической единицы, переводящий ОЗУ 43 в режим считывания, а первый шинный усилитель 45 по выходу в третье состояние. Сигнал 36 в режиме считывания имеет высокий логический уровень, а для считывания информации с вычислительного устройства 15 на второй вход первого блока "И" выдается "отрицательный" сигнал 54 логического вида, который, поступая на 3 и 4 входы ОЗУ 43, инициирует считывание цифровой информации со второго входа/выхода через второй шинный усилитель 46 по шине данных 55 на вычислительное устройство 15.

В состав синхронизатора входят кварцевый генератор 20, первый 21 и второй 25 синхронные делители, первый 22 и второй 26 триггеры управления, первый блок 23 "И-НЕ", ГУН24, ФНЧ 27 (фиг.2), представляющие собой известный синтезатор частот, подробно описанный в [20] и формирующий частоты F_озу с выхода генератора 20, F_изл - с выхода генератора 24, частота с выхода делителя 21, при которой фазы сигналов с выхода генераторов 20 и 24 совпадают, равна F_изл - F_озу.

Работа синхронизатора 14 начинается с обнуления триггера 28 флага излучения по второму входу (R) с выхода блока 35 "И" импульсом 40 и последующего запуска триггера 28 флага излучения импульсом 38 по первому входу (С). Импульсы 40 и 38 вырабатываются вычислительным устройством 15 в соответствии с алгоритмом работы измерителя уровней (фиг 6, фиг.7, фиг.8). Сигнал 42 (флаг излучения) высоким уровнем (с выхода триггера 28 флага излучения) разблокирует четвертый триггер 33 управления по первому входу, устанавливает в измерителе режим излучения и накопления. Флаг излучения поступает одновременно для анализа в вычислительное устройство 15 и на первый (D) вход третьего триггера 29 управления, который запускается частотой F_раз по его второму входу (С) с выхода первого синхронного делителя 21 в момент совпадения по времени частот F_изл и F_озу. Третий триггер 29 управления открывает одновременно второй 30 и третий 31 блоки "И-НЕ", выполняющие роль ключей. Частоты F_изл и F_озу одновременно поступают через эти ключи соответственно на вход ДПКД 32 и на входы АЦП12, БОЗУ 13. ДПКД 32 представляет собой известный [20, стр. 274, рис.4.92] синхронный делитель с переменным коэффициентом деления, выполняющий роль прескалера, коэффициент деления (16/17) которого изменяется под управлением сигнала с первого выхода четвертого триггера 33 управления (запускаемого сигналом с выхода ДПКД 32), работающего в счетном режиме, и одновременно со второго выхода (сигналом 41) управляющего фазовращателем измерителя толщины слоев (изменяющим через период повторения зондирующих сигналов фазу излученного радиосигнала 0 или π/2). С выхода ДПКД 32 запускается также формирователь 34 коротких импульсов, описанный в [17], который сигналом 37 запускает импульсный модулятор 3. Такое управление режимом работы ДПКД 32 позволяет двум принимаемым сигналам, следующим последовательно друг за другом в соседних периодах повторения, иметь одинаковое смещение на нониусной шкале задержек при записи последних в цифровом виде в БОЗУ 13 (с возможностью использования их в последующей обработке в вычислительном устройстве 15 как квадратурных). В момент прихода импульса 39 (сигнала конца режима накопления) на первый вход блока 35 "И" из БОЗУ 13 триггер 28 флага излучения обнуляется им по входу 2 (R), что приводит к обнулению третьего 29 (так как на его D входе установился уровень логического нуля) и четвертого 33 триггеров управления, закрыванию ключей - второго 30 и третьего 31 блоков "И-НЕ", окончанию режима излучения и накопления.

Отметим некоторые особенности синхронизации известных процессов преобразования принимаемых сигналов в цифровую форму на АЦП 12 и записи принимаемых сигналов в буферное ОЗУ 13, которые позволяют вычислительному устройству 15 (при обработке цифровых сигналов БОЗУ 13 в нереальном масштабе времени) программно вычислять методом нониуса [32, 33, 35] временные задержки отраженных сигналов от уровней раздела жидкостей с высокой точностью, как это, например, делается в стробоскопических осциллографах, в которых дискретно считываются мгновенные значения измеряемого сигнала, при этом полученные отсчеты заносятся в память и в дальнейшем подвергаются обработке [36, 39].

Формирование импульсов 37 запуска импульсного модулятора, импульсов 36 тактирования АЦП 12 и БОЗУ 13 с выхода синхронизатора 14 производят синхронно [31,32], например, в момент t₀ (фиг.5, а, б, г).

Радиоимпульсы, формируемые по импульсам 37 (запуска импульсного модулятора) синхронизатора 14, излучаются с периодом Т_изл по тактам 0, km+1, 2(km+1), . ..,nk(m+1),...(фиг.5а, 5б), где m - параметр нониуса, k - коэффициент периода излучения, n - номер излучения. Преобразование принятых сигналов (фиг.5в) в АЦП 12 и запись в БОЗУ 13 проводят с частотой F_озу по каждому такту (фиг.5г., 5д).

Если выполняется условие совпадения фронтов импульсов 37 запуска импульсного модулятора и импульсов 36 тактирования АЦП 12 и БОЗУ 13: k•m•Т_изл = k•(m-1)•Т_озу (1) где Т_изл - период тактовых импульсов излучения, Т_изл = 1/F_изл; Т_озу - период тактирования АЦП 12 и БОЗУ 13, Т_озу = 1/F_озу,
то выражение (1) позволяет записать условие для синтезатора частот [20]:
F_изл/m = F_озу/(m-1) (2)
Если второе и последующие излучения выдавать в момент времени n•(k•m+1)•Т_изл, то следующий за ним такт АЦП 12 и БОЗУ 13 придет в момент времени n•[k• (m-1)+1] •Т_озу с задержкой dt_n (фиг.5б), что соответствует уравнению стробоскопа [35]:
n•(k•m+1)•Т_изл +dt_n = n•[k•(m-1)+1]•Т_озу
Из данного выражения можно показать с учетом условия (1), что n-тое излучение начинается раньше n•[k•(m-1)+1] тактового импульса АЦП 12 и БОЗУ 13 на величину, равную dt_n= n195>Т_озу/m, являющуюся шагом нониуса. Для восстановления принятых сигналов (фиг. 5д,е) с шагом Т_озу/m при обработке цифровых данных БОЗУ 13 в вычислительном устройстве 15 необходимо количество периодов излучений N_изл=m.

Таким образом, дискретизация и запись сигналов с шагом dt_n в БОЗУ 13 известным стробоскопическим способом [32,35,37] позволяет при последующей обработке данных в вычислительном устройстве 15 восстанавливать форму сигнала с шагом в m раз меньше, чем в период записи в БОЗУ 13.

Рассмотрим алгоритм работы измерителя толщины слоев разнородных жидкостей (фиг.6, фиг.7, фиг.8).

После подачи питания на измеритель вычислительное устройство 15 проводит сигналом 40 начальную установку триггера 28 флага излучения синхронизатора 14, сигналами 65 и 64 записывет нулевое значения усиления и ослабления в блоки 17 и 18 регулирования усиления и ослабления (N_yc = 0, N_oсл = 0), записывает сигналами 52 и 53 по шине данных 55 в счетчик 44 адреса ОЗУ БОЗУ 13 нулевое значение кода (устанавливая тем самым низкий логический уровень сигнала 39 - окончание режима излучения и накопления), проводит опрос контроллера 16 обмена с внешними системами, который вводит поправочные коэффициенты распространения электромагнитной волны по слоям, переводит измеритель в режим измерения толщины слоев разнородных жидкостей, устанавливает сигналами 63 и 67 несущую частоту излучения дискретно управляемого СВЧ-генератора 1 на середину рабочего диапазона частот.

После этого вычислительное устройство 15 запускает подпрограмму установки параметров приемопередающего модуля (ППМ) и старта излучения и накопления, которую далее будем называть просто подпрограмма. Алгоритм работы подпрограммы приведен на фиг. 8. Подпрограмма устанавливает несущую частоту F_неc на дискретно управляемом СВЧ-генераторе 1, записывает в блоки 17 и 18 регулировки усиления и ослабления значения усиления и ослабления, записывает нулевое значение, кода в счетчик 44 адреса ОЗУ БОЗУ 13 запускает таймер на время t_ycт.ппм - время установки параметров в ППМ (дискретно управляемый СВЧ-генератор 1, направленный ответвитель 2, импульсный модулятор 3, фазовращатель 4, управляемый аттенюатор 5, циркулятор 6, малошумящий УВЧ 9, фазовый детектор 10, видеоусилитель 11), после чего проводится запуск режима излучения и накопления, анализ флага излучения 42.

По окончании работы подпрограммы вычислительное устройство 15 считывает данные БОЗУ 13, после чего проводит обработку данных, сканируя по диапазону задержек, определяя временные задержки цифровых сигналов (от уровней раздела жидкостей), количество уровней раздела жидкостей.

Значение принятого сигнала U₁ на задержке i•dt в цифровом виде можно определить следующим алгоритмом:
U₁ = ОЗУ{(imod М)•m + [i/M]},
где скобки { ...} означают содержимое ячейки ОЗУ с данным номером, выражение (i mod М) - остаток от деления i на М и скобка [...] - целая часть числа, М = k•(m-1)+1. На фиг.5е показан пример восстановленного сигнала для k=1, m=8.

Далее алгоритм переходит на измерение толщины слоев разнородных жидкостей (фиг.7). После определения временных задержек отраженных сигналов от уровней раздела жидкостей относительно наведенного "прямого" сигнала с точностью нониуса и количества уровней раздела проводится уточнение каждой временной задержки сигнала импульсно-фазовым способом.

Измерение фазы квадратурных сигналов с высокой точностью на краях рабочего диапазона несущих частот дискретно управляемого СВЧ-генератора 1 проблематично по двум основным причинам:
наличие смещения нулевого напряжения на выходе видеоусилителя 11 при приеме квадратурных составляющих отраженных сигналов (представляющих последовательность биполярных видеоимпульсов, амплитуды напряжений которых могут быть одного знака и изменяться одновременно с плюса на минус, что вызывает смещение "шумовой дорожки" на выходе видеоусилителя 11);
Неидеальность фазовращателя 4 в рабочем диапазоне несущих частот и фазового детектора 10 [34] (например, различие характеристик смесительных диодов) приводят к повышению погрешности уровня выходного сигнала при преобразовании квадратурных составляющих сигнала, когда уровень одного из выходных сигналов на выходе фазового детектора 10 близок к нулю. Анализ данного типа погрешностей показал, что в области значений фазы квадратурного сигнала около ± π/4 получаются наиболее низкие погрешности при вычислении фазы квадратурного сигнала порядка 1...2 градусов [34].

Кроме того, если принять угол ϕ = -π/4, то синусная и косинусная составляющие квадратурных сигналов становятся равными по амплитуде и имеют противоположный знак, что не приводит к смещению нулевого напряжения на выходе видеоусилителя 11 (постоянная составляющая видеоимпульсов равна нулю), а при всех измерениях временных задержек отраженных сигналов от границ раздела жидкостей подбирают каждую из несущих частот F_1k и F_2k на краях частотного диапазона таким образом, чтобы соблюдалось равенство квадратурных составляющих сигналов.

С учетом вышеизложенного, выражение для определения временной задержки от k-того уровня раздела разнородных жидкостей принимает вид:

где N_k - количество периодов полных изменений фазы квадратурного сигнала при изменении несущей частоты дискретно управляемого СВЧ-генератора от F_1k до F_2k.

Вычислительное устройство работает по следующему алгоритму, выбирается временная задержка отраженного сигнала относительно наведенного "прямого" сигнала от первого уровня k:=0, устанавливается несущая частота излучения дискретно управляемого СВЧ-генератора 1 на нижнем краю частотного диапазона F_неc = F₁, запускается подпрограмма и по окончании ее работы производится поиск частоты F_1k излучения, при которой фаза принятого сигнала равна минус 45^o для k-того уровня раздела жидкостей. Если данное условие не выполняется, то несущая частота F_1k увеличивается дискретно и процесс повторяется. После ее нахождения F_нес увеличивается с шагом перестройки DF на каждом шаге запускается подпрограмма, происходит изменение фазы сигнала, подсчитывается количество переходов N_k фазы сигналов через значение минус 45^o. Процесс изменения несущей частоты F_нес с дискретом DF, подсчет количества переходов N_k продолжается до достижения несущей частотой значения F₂, после чего вновь запускается подпрограмма и по ее окончании производится поиск частоты F_2k излучения, при которой фаза принятого сигнала равна 45^o для k-того уровня. Если данное условие не выполняется, то несущая частота F_2k уменьшается на дискрет перестройки и процесс поиска повторяется. После нахождения частоты F_2k и количества N_k (полных периодов изменений фазы квадратурного сигнала) производится вычисление и запоминание значения задержки отраженного сигнала от k-того уровня по формуле (3), вычисление толщины Н_к k-того слоя по формуле:
Н_k = (C_k/2)•(t₁-t_k-1) (4)
и выдача в систему (с которой связан измеритель) значения H_k через контроллер 16 обмена, который предварительно считывает из системы поправочные коэффициенты С_к распространения электромагнитной волны в k-том слое.

После этого устанавливается k: = k + 1 и вновь повторяется алгоритм измерения толщины слоя (фиг.7) и так до тех пор, пока все значения Н_к всех К уровней не будут измерены и выданы в контроллер 16 обмена.

После измерения толщины слоев производится измерение относительного изменения толщины слоев. Алгоритм измерения относительного изменения толщины слоев показан на фиг.6, измерение проводится на частоте F_k (установленной на середине рабочего диапазона частот) с использованием значений времени t_k из алгоритма измерения толщины слоев (фиг.7). В алгоритме N - номер измерения относительного изменения толщины слоев. Для каждого слоя, начиная с нулевого, вначале измерения производится поиск и запоминание несущей частоты F_ok, при которой фаза принятого сигнала равна минус 45^o для k-того уровня раздела жидкостей. Если происходит изменение времени задержки t_ok + δt_k, то для сохранения фазы квадратурного сигнала минус 45^o изменяют частоту от значения F_ок до значения F_k. Относительное изменение времени задержки определится выражением:
[(t_ok +δt_k)/ t_ok]= F_ok/F_k
относительное изменение g_k k-того уровня:
g_k = (δt_k/ t_ok) = (F_ok/F_k)-1 (5)
и соответственно изменение толщины dH_k k-того слоя
dH_k = (C_k/2)•(t_ok• g_k- t_ok-1• g_k-1), (6)
где t_ok-1 и g_k-1 - соответственно время задержки квадратурного сигнала от k-1 уровня и относительное изменение времени задержки от k-1 уровня.

В соответствии с методикой расчета погрешностей, изложенной в [38, стр. 132] , можно показать из выражений (3) и (4), что относительная ошибка измерения толщины k-того слоя равна:
δH/H_k = δC/C_k+4(δN/N_k+δF/(F_2k-F_1k) (7)
и соответственно из выражения (6) ошибка измерения изменения толщины k-того слоя равна:
δdH = (δC/C_k)•dH_k+C_k•(δg•t_ok+δt•g_k), (8)
где δC - погрешность определения поправочного коэффициента распространения электромагнитной волны по слоям, которая определяется экспериментально или по таблицам и может быть определена с погрешностью δС/С_k <0.01%, δN - погрешность полного периода изменения фазы квадратурного сигнала (определяемая фазовым детектором 10 и установкой фазы фазовращателя 4) при измерении угла минус 45^o, δN = δФ/360, где δФ = 1...2 градуса, как было сказано выше; δF - ошибка установки частоты дискретно управляемого СВЧ-генератора 1, δF/F <10^ (-6); δg - погрешность относительного изменения уровня раздела жидкостей, δg = 2•(δN/(F_ok•t_ok)+δF/F_ok). Средняя частота F_ok=5 Гц, разность частот F_2k-F_1k=1 ГГгц. При измерении толщины слоев на расстоянии 15 м от жидкой среды данный прибор позволяет достичь точности измерения толщины слоев до 0,9-1,7 мм и относительного изменения толщины слоев с точностью до 0,12...0,25 мм.

Таким образом, предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерения уровней раздела жидкостей, снизить габариты, стоимость, повысить надежность за счет сокращения количества аппаратуры и упрощения функционального построения схемы измерителя уровней раздела жидкостей.

Литература
(1) А.с. СССР 1659730, кл. G 01 F 23/28, 1988г.

(2) Патент РФ 2023989, кл. G 01 F 23/28, 1992.

(3) Беннетт С.Л., Росс Дж.Ф. Время-импульсные процессы и их применения, ТИИЭР, 1978г., т. 66, 3, с. 35-37.

(4) Коган И.М. Ближняя радиолокация. М., Советское радио,1973г.

(5) А.с. СССР 1642250, кл. G 01 F 23/28, 1989 г.

(6) А.с. СССР N 1659733, кл. G 01 F 23/28, 1989 г.

(7) Заявка на патент 98119622 от 30.10.98 г.

(8) Б. Г. Федоров, В.А. Телец. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, параметры, применение, М.. Энергоиздат, 1990 г., стр.79-81.

(9) У. Тице, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. М., Мир, 1982 г., стр.172, рис.12.9.

(10) Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей, М., Радио и связь, 1986 г.

(11) Марцинкявичюс А.К., Багданскис Э.К. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров, М., Радио и связь, 1988 г.

(12) С.Л. Фрадкин. Основы теории и расчета радиолокационных приемников, М., Машиностроение, 1969 г.

(13) Б.В. Шевкопляс. Справочник. Микропроцессорные структуры, инженерные решения, М., Радио и связь, 1990 г., стр.68-81.

(14) М. Сколник. Справочник по радиолокации, М., Сосветское радио, 1977г., т2, стр.251-270.

(15) О. Н. Лебедев. Микросхемы памяти и их применение, М., Радио связь, 1990 г., стр.39.

(16) Б.Ф. Высоцкий. Цифровые фильтры и устройства обработки сигналов на интегральных микросхемах, М., Радио и связь, 1984 г., стр.126, рис.4.23.

(17) Отраслевой стандарт. Микросхемы, интегральные серии 533, к 533. Руководство по применению. ОСТ11340.917-84, стр.316.

(18) А.В. Рыжков, В.Н. Попов. Синтезаторы частоты в технике радиосвязи, М., Радиосвязь, 1991 г., стр.117.

(19) И. Е. Ефимов, Г.А. Шермина. Волноводные линии передачи, М., Связь, 1979 г., стр.158.

(20) Г.И. Пухальский, Т.Я. Новосельцева. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах, М., Радио и связь, 1990 г., стр.272, рис. 4.89.

(21) В.О. Кобак. Радиолокационные отражатели, М., 1975 г.

(22) Справочник Motorola. Fast Static RAM. Component and Module Data, USA, 1995 г.

(23) Жуковский А. П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии. М., Советское радио, 1979 г.

(24) Супряга Н.П. Радиолокационные средства непрерывного излучения, М., Военное издательство МО, 1974 г., стр.26.

(25) HIPERCOMM. High Performance Frequency Control Products, Motorola, USA, 1997 г.

(26) Motorola. Communications. Device Data, 1997 г.

(27) Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники, т.3, М., Мир, 1993 г., стр.151.

(28) Д.Л. Шило. Популярные цифровые микросхемы, Челябинск, 1989 г.

(29) Hewlett Packard Communications. Designerrs Catalog, Copyright, USA, 1993 г.

(30) Журнал Радиоэлектроника, том 32, 11, 1989 г.,стр.84.

(31) Журнал ELECTRONICS WORLD, T-3, 1990 г., стр.231.

(32) Журнал Приборы и техника эксперимента, 5, 1990 г., стр.103.

(33) В. И. Иверонова. Физический практикум. Руководство к практическим занятиям по физике, М., ГИТТЛ, 1955 г., стр.33.

(34) Н.В. Бобров. Радиоприемные устройства, М., Советское радио, 1971 г. , стр. 253-258.

(35) В. А. Кузнецов. Измерение в электронике. Справочник, М., Энергоатомиэдат, 1987г., стр.342.

(36) Ю. Шульц. Электроизмерительная техника. 1000 понятий для практиков. Справочник, М., Энергоатомиэдат, 1989 г., стр.120, 154, 155.

(37) А.И. Найденов, В.А. Новопольский. Электронно-лучевые осциллографы, М., Энергоатомиздат, 1983 г., стр.192-194.

(38) И. Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. Справочник по математике, М., Наука, 1986 г.

(39) Журнал Приборы и техника эксперимента, 1, 1988 г., стр.90-95.

Формула изобретения

1. Импульсно-фазовый измеритель толщины слоев разнородных жидкостей, а также их относительного изменения с повышенной точностью, содержащий синхронизатор, вычислительное устройство, аналого-цифровой преобразователь, фазовращатель, импульсный модулятор, последовательно соединенные антенную систему, циркулятор, малошумящий УВЧ, фазовый детектор, направленный ответвитель, дискретно управляемый СВЧ генератор, выход которого соединен со входом направленного ответвителя, первый выход которого соединен с первым входом импульсного модулятора, второй вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора, а второй выход направленного ответвителя - со вторым входом фазового детектора, первый вход которого соединен с выходом малошумящего усилителя, вход которого соединен с выходом циркулятора, вход/выход которого подключен к антенной системе, отличающийся тем, что в него дополнительно введены управляемый аттенюатор, видеоусилитель, БОЗУ, блок регулировки усиления, блок регулировки ослабления, источник тока, управляемый напряжением, контроллер обмена, при этом выход импульсного модулятора соединен со вторым входом фазовращателя, первый вход которого соединен с первым выходом синхронизатора, а выход - с первым входом управляемого аттенюатора, выход которого соединен со входом циркулятора, а второй вход - с выходом источника тока, управляемого напряжением, вход которого соединен с выходом блока регулировки ослабления, все первые входы которого соединены по шине данных со всеми первыми входами блока регулировки усиления, всеми шестыми входами БОЗУ, всеми первыми входами контроллера обмена, все третьи входы/выходы которого являются входами/выходами измерителя, а также всеми двенадцатыми входами вычислительного устройства, второй, третий, четвертый, пятый выходы которого соединены соответственно со вторыми входами блока регулировки ослабления, блока регулировки усиления, контроллера обмена, БОЗУ, а шестой, седьмой, тринадцатый выходы - соответственно с третьим, четвертым, седьмым входами БОЗУ, восьмой, девятый выходы - соответственно со вторым и третьим входами синхронизатора, десятый, одиннадцатый выходы - соответственно со вторым и первым входами дискретно управляемого СВЧ генератора, первый вход - с четвертым выходом синхронизатора, первый вход которого соединен с первым выходом БОЗУ, первый вход которого соединен с третьим выходом синхронизатора и вторым входом АЦП, все выходы которого соединены со всеми пятыми входами БОЗУ, а первый вход АЦП - с выходом видеоусилителя, первый вход которого соединен с выходом фазового детектора, второй вход - с выходом блока регулировки усиления.

2. Импульсно-фазовый измеритель толщины слоев разнородных жидкостей, а также их относительного изменения с повышенной точностью по п.1, отличающийся тем, что дискретно управляемый СВЧ генератор выполнен в виде апроксимирующего синтезатора частоты.

3. Импульсно-фазовый измеритель толщины слоев разнородных жидкостей, а также их относительного изменения с повышенной точностью по п.1, отличающийся тем, что синхронизатор организован в виде синтезатора частот, формирователей импульсов запуска передатчика и тактовой частоты АЦП и ОЗУ.

4. Импульсно-фазовый измеритель толщины слоев разнородных жидкостей, а также их относительного изменения с повышенной точностью по п.1, отличающийся тем, что временное положение сигналов от уровней раздела жидкостей первоначально определяется методом нониуса.

5. Импульсно-фазовый измеритель толщины слоев разнородных жидкостей, а также их относительного изменения с повышенной точностью по п.1, отличающийся тем, что в процессе измерения определяется несущая частота, при которой выполняется равенство противоположных по знаку амплитуд, принятых через период повторения сигналов с фазами 0 и π/2.к

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8