Радиолокационный импульсный рециркуляционный уровнемер

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня жидких и сыпучих веществ в резервуарах на нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих, химических и других предприятиях. Сущность: в устройство, содержащее приемопередатчик, антенный блок, канал селекции отраженных импульсов, селектированный автоматический регулятор усиления приемника и процессорный блок, формирующий команды управления, производящий необходимые вычисления и формирующий выходную информацию в заданной форме, введен управляемый процессорным блоком отражатель опорного сигнала, обеспечивающий формирование мощного опорного сигнала в режиме рециркуляции по опорному сигналу и существенное его уменьшение в режиме рециркуляции по информационному сигналу. Технический результат: повышение точности измерения уровня. 3 ил.

 

Предлагаемое устройство предназначено для измерения уровня жидких и сыпучих веществ в резервуарах и может быть использовано на нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих, химических и других предприятиях, где имеются резервуары, заполненные жидкими или сыпучими веществами.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ: Известны радиолокационные уровнемеры типа RTG2920, RTG2930, RTG2940, RTG2960 фирмы “SAAB TANK CONTROL”, Швеция /1/.

В основу этих уровнемеров положен способ измерения дальности, использующий непрерывное излучение частотно-модулированного сигнала /2/.

Известны также уровнемеры фирмы “Вега” (Германия) /3/, использующие импульсный метод измерения дальности с применением “особого способа “трансформации времени”, позволяющего “растянуть” во временном интервале эхо-картину для подробного ее анализа”.

Недостатком данных уровнемеров является сравнительно большая погрешность измерения - 0,1% при диапазоне измерения уровней 20 м, что соответствует абсолютной погрешности ±20 мм.

Данный показатель значительно хуже, чем у уровнемеров фирмы “SAAB TANK CONTROL”, которая гарантирует погрешность не более ±1 мм.

Излучаемая полоса радиочастот в уровнемерах как фирмы “Вега” (длительность импульса передатчика 1 нс), так и фирмы ““SAAB TANK CONTROL” примерно одинакова - 1000 МГц, что свидетельствует о том, что способ обработки отраженного сигнала, примененный в уровнемерах фирмы “Вега” потенциальные точностные возможности реализует далеко не полностью, тем не менее эти уровнемеры имеют спрос на рынке поскольку значительно дешевле, чем уровнемеры Шведской фирмы.

Известен “Радиолокационный уровнемер РЛУ-1” (ОАО, Уральское проектно-конструкторское бюро “Деталь”), в котором реализовано устройство по патенту №2176382 “Радиолокационный импульсный рециркуляционный импульсный уровнемер” /4/.

В данном уровнемере гарантируется погрешность не более ±10 мм при полосе радиосигнала около 300 МГц (длительность импульса передатчика 3...4 нс). Очевидно, что потенциальные точностные возможности в уровнемере РЛУ-1 реализуются лучше, чем в уровнемерах фирмы “Вега”, но хуже, чем в уровнемерах фирмы “SAAB TANK CONTROL”.

Из известных уровнемеров наиболее близким к предлагаемому уровнемеру является уровнемер РЛУ-1, выполненный в соответствии с патентом /4/, который и выбран прототипом.

В прототипе для обеспечения достаточно малой дискретности квантования временных интервалов и, следовательно, высокой точности измерения малых дальностей, применяется импульсный рециркуляционный метод. В этом случае период повторения зондирующих импульсов пропорционален измеряемой дальности, что позволяет перейти от непосредственного однократного измерения величины запаздывания отраженного сигнала к измерению длительности последовательности из N периодов, повторения зондирующих импульсов. При этом значение N ограничивается только допустимым временем измерения и может достигать, например, для уровнемеров несколько сотен тысяч и более периодов. Кроме того, цикл единичного замера уровня состоит из двух этапов - измерение периода рециркуляции при работе устройства по опорному сигналу, формируемому специальным отражателем, расположенным в заданном месте тракта распространения зондирующего сигнала, и измерение периода рециркуляции при работе по информационному сигналу, отраженному от поверхности вещества, загруженного в резервуар. При вычислении уровня загрузки резервуара значение периода рециркуляции, определенное на первом этапе, вычитается из значения, полученного на втором этапе, что позволяет значительно снизить влияние медленно меняющихся факторов (температуры окружающей среды, старения радиоэлементов и других) на приборную погрешность и, в конечном счете, на погрешность измерения уровня.

Недостатком прототипа является повышенная приборная погрешность измерения малых дальностей, обусловленная влиянием послеимпульсных пульсаций опорного сигнала в приемном тракте. Данные пульсации, суммируясь с информационным сигналом, вызывают смещение временного положения последнего, что и приводит к дополнительной приборной погрешности. Эта погрешность тем больше, чем меньше временной интервал между задним фронтом опорного сигнала и передним фронтом информационного.

В предлагаемом устройстве этот недостаток устраняется путем замены пассивного отражателя опорного сигнала на управляемый отражатель опорного сигнала (УООС). В этом случае в режиме работы по опорному сигналу УООС формирует мощный опорный сигнал, а в режиме работы прибора по информационному сигналу мощность опорного сигнала резко уменьшается, в результате чего его влияние на погрешность измерения малых дальностей практически исчезает. Управление УООС осуществляется командой, формируемой процессорным блоком, который обеспечивает необходимый алгоритм работы уровнемера и вычисление измеряемого уровня.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого уровнемера, на фиг.2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу, причем диаграммы на фиг.2 соответствуют режиму рециркуляции по опорному сигналу, а на фиг.3 - режиму рециркуляции по информационному сигналу.

Уровнемер содержит генератор старт-импульсов 1, контур рециркуляции, состоящий из последовательно включенных схемы ИЛИ 2, передатчика 3, антенного блока 4, приемника 5 с селектированным автоматическим регулятором усиления 6, селектора-компаратора 7, устройства задержки 8, формирователь селекторных импульсов 9, процессорный блок 10 и управляемый отражатель опорного сигнала 11.

Назначение генератора старт-импульсов 1 - обеспечить начало процесса рециркуляции после включения устройства и в случаях срыва этого процесса по каким-либо причинам. Он может быть выполнен, например, по схеме мультивибратора или блокинг-генератора с самовозбуждением. Генератор должен иметь собственный период повторения импульсов больше максимально возможного периода рециркуляции. В этом случае исключается возможность появления на его выходе импульсов, когда идет нормальный процесс рециркуляции, так как выходные импульсы рециркулятора поступают на его сбросовый вход и каждый раз приводят его в исходное состояние.

Схема ИЛИ 2 имеет два входа и обеспечивает прохождение любого импульса, поступающего на эти входы, на запуск передатчика 3.

Приемопередатчик состоит из передатчика 3, антенного блока 4 и приемника 5 с селектированным автоматическим регулятором усиления 6. Общим для этих устройств является требование их достаточной широкополосности, так как для обеспечения требуемой точности и измерения малых дальностей (от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров) длительность зондирующих импульсов должна быть не более нескольких наносекунд /2/.

Селектор-компаратор 7 предназначен для выделения участка сигнала на выходе приемника 5, совпадающего по времени с селекторным импульсом (СИ), и формирования выходного импульса в момент достижения отселектированным импульсом порогового значения U_ПФИ. Это устройство может быть выполнено на микросхеме 597СА1А. Эта же микросхема может быть использована на входе автоматического регулятора усиления 6.

Устройство задержки 8 предназначено для ограничения максимальной частоты повторения импульсов рециркуляции до разумной величины. Устройство, например, может быть выполнено в виде двух последовательно включенных мультивибраторов на микросхемах 533АГЗ.

Формирователь селекторных импульсов 9 обеспечивает формирование селекторных импульсов с необходимой задержкой их переднего фронта относительно импульсов передатчика. Управление формирователем 9 осуществляется управляющим сигналом, поступающим на его вход управления с процессорного блока 10. Для обеспечения нормальной работы селектированного автоматического регулятора усиления приемника 6 необходимо, чтобы задний фронт селекторного импульса гарантированно запаздывал относительно максимума отселектированного импульса. В то же время нежелательно, чтобы это запаздывание было слишком большим, так как при этом возможно повторное срабатывание компаратора 7 по паразитным сигналам, обусловленным отражениями от элементов конструкции резервуара, в частности, от дна.

Для реализации этого условия может быть использован выходной импульс компаратора 7, который подается на сбросовый вход формирователя селекторных импульсов 9, а необходимая задержка формирования заднего фронта селекторного импульса обеспечивается за счет длины монтажных цепей и времени запаздывания исполнительного устройства, например, триггера. В крайнем случае эта задержка может быть увеличена за счет удлинения монтажной цепи между компаратором 7 и сбросовым входом формирователя 9.

Практическое выполнение формирователя селекторных импульсов возможно как в виде аналогового устройства, так и в виде дискретного. Например, в уровнемере РЛУ-1 это устройство выполнено на отрезках коаксиальных кабелей и коммутатора на микросхеме 100 ЛМ105.

Процессорный блок 10 выполняет две функции:

- формирование команды коммутации задержки селекторных импульсов и управления формирователем опорного сигнала, или, что одно и то же, команды переключения режимов работы рециркулятора по информационному сигналу, либо по опорному сигналу,

- вычисление и формирование выходной информации.

Процесс единичного замера состоит из двух этапов: замера периода рециркуляции в режиме работы по информационному сигналу и замера периода рециркуляции в режиме работы по опорному сигналу, и последующих вычислений измеряемого уровня по следующим правилам:

где Н* и У* - соответственно оценки по результатам единичного измерения расстояния от плоскости раскрыва антенн до поверхности вещества в резервуаре и уровня загрузки резервуара;

Н_МАХ - расстояние от днища резервуара до плоскости раскрыва антенн;

Тэ - период повторения эталонных меток времени;

С - скорость света, м/с;

α - коэффициент замедления распространения радиоволн в данной среде;

N - число периодов рециркуляции, используемых в процессе единичного измерения его значения;

τ"_вн - среднее значение задержки сигналов во внутренних цепях рециркулятора в режиме работы по информационному сигналу;

τ'_вн - среднее значение задержки сигналов во внутренних цепях рециркулятора в режиме работы по опорному сигналу;

- задержка радиоимпульсов, отраженных от поверхности вещества в резервуаре;

Ни - истинное значение расстояния от плоскости раскрыва антенн до поверхности вещества в резервуаре;

- задержка радиоимпульсов, сформированных УООС;

Но - расстояние от плоскости раскрыва антенн до УООС;

Х_ЦИ и Х_ЦО - значения периода рециркуляции, выраженное в единицах, относительно периода эталонных меток времени Тэ соответственно в режимах работы по информационному сигналу и опорному сигналу.

Согласно принципу измерения периода рециркуляции, очевидно, что величина Х_ЦИ может принимать только целочисленные значения, и, следовательно, можно записать:

где Нк - шаг квантования по дальности.

Вычитая выражение (1) из выражения (4) получаем

отсюда имеем

или

где Fэ - частота генератора эталонных меток времени.

Выражение (6) позволяет определить требуемое значение числа N из условия заданных значений Fэ и Нк.

Необходимо отметить, что, хотя для измерения периодов рециркуляции используются N периодов, команда переключения режимов работы рециркулятора должна формироваться через N+ΔN периодов. Увеличение числа периодов нахождения рециркулятора в каждом режиме рециркуляции на величину ΔN необходимо для исключения влияния переходных процессов в устройстве после момента переключения режимов.

Процессорный блок может быть выполнен на базе микропроцессоров АТ89С51/24Р1 или AT89S8252/24P1.

Управляемый отражатель опорного сигнала (УООС) 11 может быть выполнен с использованием диодов СВЧ с p-i-n структурой КА517А-2. Например, в случае, если антенный блок имеет одну приемопередающую антенну с коаксиально-волноводным переходом, то p-i-n-диод может быть подключен между зондом возбуждения волновода и корпусом. В этом случае, при пропускании через p-i-n-диод постоянного тока зонд возбуждения по ВЧ сигналу окажется замкнутым на корпус, что будет обеспечивать хорошие условия для отражения зондирующего сигнала, или, иначе говоря, - формирования опорного сигнала. При запирании p-i-n-диода опорный сигнал значительно уменьшается, так как условия согласования по ВЧ сигналу в переходе улучшаются, а информационный сигнал по той же причине увеличивается.

В случае, если антенный блок выполнен в виде раздельных передающей и приемной антенн, то УООС может быть выполнен в виде управляемого аттенюатора на p-i-n-диодах, включенных между передающим и приемным трактами уровнемера.

Работает предлагаемый уровнемер следующим образом: после включения устройства генератор старт-импульсов 1 вырабатывает импульс (диаграмма “а” фиг.2 и 3), который через схему ИЛИ 2 (диаграмма “б”) поступает на запуск передатчика 3 и вход формирователя селекторных импульсов 9. Радиоимпульс “в” с передатчика 3 поступает в антенный блок 4, излучается в направлении поверхности вещества и поступает на УООС 11. Отраженный импульс от поверхности вещества принимается антенным блоком и совместно с импульсом от УООС поступает на вход приемника 5. На выходе приемника имеем последовательность видеоимпульсов:

- ВИп, соответствующий сигналу передатчика, пролезающему на вход приемника по паразитным каналам связи;

- ВИо, соответствующий сигналу, сформированному УООС;

- ВИи, соответствующий отражению сигнала от поверхности вещества в резервуаре (диаграмма “г” фиг.2 и 3).

Селектор-компаратор 7 в момент, когда передний фронт отселектированного импульса превысит порог U_ПФИ, вырабатывает либо импульс, соответствующий временному положению опорного сигнала ВИо (диаграмма “е” фиг.2), либо соответствующий временному положению информационного сигнала ВИи (диаграмма “е” фиг.3). Какой из видеоимпульсов селектируется компаратором 7, определяется временным положением селекторного импульса (диаграмма “д” фиг.2 и 3), которое задается управляющей командой, поступающей с процессорного блока 10 на формирователь селекторных импульсов 9. Эта же команда подается и на УООС 11, обеспечивая тем самым существенное возрастание мощности опорного сигнала в режиме его селекции, по сравнению с режимом селекции информационного сигнала.

Импульс с селектора-компаратора 7 через устройство задержки 8 (диаграмма “ж” фиг.2 и 3) и схему ИЛИ 2 поступает на запуск передатчика, в результате в устройстве возникает режим рециркуляции по соответствующему сигналу. Одновременно импульс с устройства задержки 8 подается на сбросовый вход генератора старт-импульсов 1, предотвращая тем самым его срабатывание, в процессе нормального режима рециркуляции.

Амплитуда отселектированных видеоимпульсов, в процессе рециркуляции, поддерживается на заданном уровне U_ПАРУ с помощью селектированного автоматического регулятора усиления приемника 6 (диаграммы “г” фиг.2 и 3).

Импульсы запуска передатчика (диаграмма “б” фиг.2 и 3) подаются также на сбросовый вход генератора старт-импульсов 1, предотвращая тем самым его срабатывание до тех пор, пока в устройстве поддерживается режим рециркуляции, и на вход процессорного блока 10.

В процессорном блоке 10 производятся соответствующие вычисления, формирование выходной информации в заданной форме, а также формирование управляющей команды, обеспечивающей переключение режима рециркуляции через каждые N + ΔN периодов. При этом каждый раз после переключения измерителя из одного режима рециркуляции в другой процесс вычисления начинается только после завершения ΔN периодов, что, как уже отмечалось, необходимо для исключения влияния переходных процессов на результат вычислений.

Источники информации

1. “Сертификат утверждения типа средств измерения PN39”, уровнемеров радарных RTG2920, RTG2930, RTG2940, RTG2960, изготовленных фирмой "SAAB TANK CONTROL", Швеция, который зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под N 13490-92 9 декабря 1992 г.

2. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. “Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин”. - М.: Наука, 1973, с.72, с.150, с.132.

3. “Бесконтактные измерения уровня при высоких температурах”. Журнал “Законодательная и прикладная метрология”, №1, 2001.

4. “Радиолокационный импульсный рециркуляционный уровнемер”. Российская Федерация, патент на изобретение №2176382, приоритет от 05.07.2000 г. (Авт. Бало А.Г., Самосадко Д.Ф., Козлов А.Р.).

Радиолокационный импульсный рециркуляционный уровнемер, содержащий последовательно соединенные генератор старт-импульсов, схему ИЛИ, передатчик, антенный блок, приемник, селектор-компаратор, устройство задержки, выход которого подключен ко второму входу схемы ИЛИ и сбросовому входу генератора старт импульсов, формирователь селекторных импульсов, вход которого подключен в выходу схемы ИЛИ, выход соединен со стробирующим входом селектора компаратора, а сбросовый вход соединен с выходом селектора-компаратора, селектированный автоматический регулятор усиления, вход селектирования которого подключен к выходу формирователя селекторных импульсов, сигнальный вход соединен с выходом приемника, а выход соединен с входом управления усилением приемника, процессорный блок, вход которого соединен с выходом схемы ИЛИ, управляющий выход подключен к входу управления формирователя селекторных импульсов, а выход является выходом уровнемера, отличающийся тем, что в него введен управляемый отражатель опорного сигнала, располагаемый в заданной точке приемопередающего тракта, вход управления которого соединен с управляющим выходом процессорного блока.