Бесконтактный радиоволновой способ измерения уровня жидкости в емкости



Бесконтактный радиоволновой способ измерения уровня жидкости в емкости
Бесконтактный радиоволновой способ измерения уровня жидкости в емкости
Бесконтактный радиоволновой способ измерения уровня жидкости в емкости
Бесконтактный радиоволновой способ измерения уровня жидкости в емкости

 


Владельцы патента RU 2521729:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости. Способ заключается в том, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал биений на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, производят прямое непрерывное вейвлет-преобразование сигнала биений за время периода модуляции, в полученном вейвлет-спектре сигнала биений находят точки локальных экстремумов, экстраполируют их прямой линией, находят точку пересечения этой линии с осью ординат масштабных коэффициентов - a, по полученному коэффициенту с помощью функции преобразования, построенной для используемого вейвлета, определяют разностную частоту, по которой судят об уровне жидкости в емкости. Технический результат - повышение точности измерения уровня жидкости в емкостях. 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др.

Известны радиоволновые способы измерения, которые используют для бесконтактного измерения уровня жидких сред в емкостях для хранения нефтепродуктов, химически активных, агрессивных и вязких жидкостей (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.). При этом реализуемые на основе этих способов уровнемеры должны обеспечивать достаточно высокую одинаковую точность (до 2 мм) в диапазоне измерения от 0,5 до 20 м и при этом быть надежными, удобными в эксплуатации и недорогими устройствами. В задачах, связанных с радиоволновым бесконтактным измерением уровня жидкостей, применяются способы с частотной модуляцией электромагнитных колебаний.

Реализацию способа рассмотрим на примере бесконтактного радиоволнового уровнемера, использующего в работе линейную частотную модуляцию несущей волны (ЛЧМ). Эти частотно-модулированные электромагнитные волны излучаются в сторону поверхности жидкости по нормали к ней. Временное запаздывание отраженной от контролируемой поверхности волны относительно падающей приводит к сдвигу частоты между излученными и отраженными волнами. Эта разностная частота или сигнал биений выделяется на специальном элементе - смесителе, входящем в состав измерительного устройства. В этом случае частота отраженного от поверхности контролируемой среды сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала на величину разностной частоты: fP=2FMΔfML/с, где L - расстояние до поверхности контролируемой среды, ΔfM - максимальная девиация частоты, FM=1/TM - частота модуляции, TM - период модуляции, c - скорость света. Из этой формулы следует:

L = c f P 2 F M Δ f M .

Как и у всех частотных дальномеров, здесь имеется методическая дискретная ошибка определения дальности, обусловленная периодичностью модуляции зондирующего сигнала или дискретным характером его спектра:

Δ L = c / ( 8 Δ F M ) .

Наличие этой ошибки определяется способом измерения частоты, который основан на подсчете числа нулей N сигнала за определенное время. Так как при незначительном изменении расстояния меняется фаза, а следовательно, и форма сигнала на выходе смесителя, то результат подсчета N меняется дискретно. В связи с этим используются различные технические решения, направленные на уменьшение этой погрешности (Кагаленко Б.И., Марфин В.П., Мещеряков В.П. Дальномер повышенной точности // Измерительная техника.1981. №12. С.68-69.).

Известно также техническое решение - измерение расстояния по максимальному или средневзвешенному значению спектра разностной частоты сигнала биений в методе с использованием частотной модуляции, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Теоретические основы радиолокации /Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: Сов. Радио, 1970. 560 с.). Данный способ-прототип заключается в зондировании поверхности жидкости по нормали к ней частотно-модулированными электромагнитными волнами, приеме отраженных электромагнитных волн, выделении сигнала биений на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами и вычислении расстояния по разностной частоте сигнала биений, определяемой по максимальному значению его частотного спектра.

Однако спектральный подход к анализу сигнала биений имеет существенный недостаток, не позволяющий получить достаточную точность. При спектральном Фурье-анализе сигнал представляется в виде суммы гармоник согласно формуле:

U ( t ) = + C n e i n ω t , ( 3 )

а коэффициенты Cn вычисляются по формулам:

C n = 1 2 π 0 2 π U ( t ) e i n ω t d t , ( 4 )

где n=0; ±1; ±2…, ω = 2 π T , T=TM - в данном случае для сигнала биений - период частотной модуляции. Базисной функцией при разложении в ряд Фурье является синусоидальное колебание, которое математически определено в интервале времени от -∞ до +∞ при прямом преобразовании Фурье (ППФ) и имеет неизменные во времени параметры. То же самое справедливо и в частотной области при обратном преобразовании Фурье (ОПФ).

Отдельные особенности сигнала биений, например разрывы или смены фазы, происходящие с периодичностью периода модуляции TM, «размазываются» по всей частотной оси, вызывая изменения частотного образа сигнала во всем интервале частот от -∞ до +∞. Резкое увеличение числа гармоник в этом случае оказывает влияние на форму сигнала, поэтому точно определить разностную частоту по спектру сигнала биений невозможно. Сказанное демонстрируется на Фиг.1,а, б. Здесь представлен сигнал биений с разностной частотой 10 Гц и периодом модуляции TM=1 с (см. Фиг.1,а) и его спектр (см. Фиг.1,б), полученный после обработки 1000 выборок сигнала за период TM. Из чертежа видно, что частота максимума спектральной плотности сигнала fmax=7,812 Гц, при истинном значении 10 Гц. Использование оконного преобразования Фурье также не может в полной мере устранить ошибку в определении разностной частоты по спектру сигнала биений, поскольку это не избавляет от принципиального недостатка - использования синусоиды в качестве базисной функции спектрального разложения для анализа локализованного во времени сигнала, каким является сигнал биений (Езерский В.В., Давыдочкин В.М. Оптимизация спектральной обработки сигнала прецизионного датчика расстояния на основе частотного дальномера // Измерительная техника. 2005. №2. С.21-25.).

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости достигается тем, что сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны затем выделяют сигнал биений на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, производят прямое непрерывное вейвлет-преобразование (ПНВП) сигнала биений за время периода модуляции, в полученном вейвлет-спектре сигнала биений находят точки локальных экстремумов, экстраполируют их прямой линией, находят точку пересечения этой линии с осью ординат масштабных коэффициентов - a, по этому коэффициенту с помощью функции преобразования, построенной для используемого вейвлета, определяют разностную частоту, по которой судят об уровне жидкости в емкости.

Предлагаемый способ поясняется чертежом на фиг.2, где приведена структурная схема устройства для реализации способа.

На фиг.2 показаны модулятор 1, генератор 2, направленный ответвитель 3, передающая антенна 4, приемная антенна 5, смеситель 6, вычислительное устройство 7.

Способ реализуется следующим образом. Генератор линейно-изменяющегося напряжения 1 модулирует частоту генератора СВЧ 2, с выхода которого электромагнитные колебания проходят через направленный ответвитель 3 на антенну 4 и излучается в сторону контролируемой поверхности 8. Отраженная электромагнитная волна принимается антенной 5 и поступает на смеситель 6, куда также поступает часть мощности падающей волны от направленного ответвителя 3. На выходе смесителя 6 формируется сигнал биений, который поступает в вычислительное устройство 7, где происходит определение разностной частоты сигнала с помощью процедуры ПНВП. Затем по этой частоте определяют расстояние L до контролируемой поверхности 8, по которому судят об уровне жидкости в емкости.

ПНВП сигнала U(t) задается по аналогии с преобразованием Фурье путем вычисления вейвлет-коэффициентов по формуле:

где U(t) - сигнал биений, ψ(t) - одна из материнских вейвлет-функций, a - масштабирующий временной коэффициент, b - коэффициент сдвига по времени. Вейвлет-функции или вейвлеты в отличие от синусоиды локализованы как в частотной, так и во временной области. Они, как правило, не имеют аналитического представления в виде одной формулы и задаются итерационными выражениями. На фиг.3 представлены некоторые вейвлеты и их центральные частоты Fc.: а) Добеши 2-го порядка; б) «Мексиканская шляпа»; в) Симлета 4-го порядка; г) Морлета. Результат вычисления вейвлет-спектра сигнала биений (см. фиг.1,а), с использованием вейвлета Морлета (см. фиг.3,г), показан на фиг.4,а. Здесь по оси ординат отложены масштабные коэффициенты a, а по оси абсцисс - временной коэффициент b, коэффициенты C(a, b) представлены в виде эквипотенциальных линий. На фиг.4,б нарисована зависимость частоты f от коэффициента a, которая вычисляется при заданных значениях времени выборки Δ=10-3 с, согласно формуле f=Fc/aΔ, где Fc=0,8125 Гц - центральная частота соответствующего вейвлета, в данном случае - Морлета. Для определения разностной частоты сигнала биений через экстремумы вейвлет-спектра строится прямая до пересечения с осью ординат и в точке пересечения определяют величину a= a 0=81, а по этому значению с помощью фиг.4,б вычисляют разностную частоту fp=10 Гц. Отсюда видно, что с помощью вейвлет-спектра сигнала биений можно точно вычислить разностную частоту, в отличие от определения по Фурье-спектру.

Бесконтактный радиоволновый способ измерения уровня жидкости в емкости достигается тем, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал биений на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, отличающийся тем, что производят прямое непрерывное вейвлет-преобразование сигнала биений за время периода модуляции, в полученном вейвлет-спектре сигнала биений находят точки локальных экстремумов, экстраполируют их прямой линией, находят точку пересечения этой линии с осью ординат масштабных коэффициентов - a, по полученному коэффициенту с помощью функции преобразования, построенной для используемого вейвлета, определяют разностную частоту, по которой судят об уровне жидкости в емкости.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в каком-либо резервуаре. .

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня жидкости в различных открытых и замкнутых металлических емкостях. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения уровня вещества (жидкости, сыпучего вещества) в различных открытых металлических емкостях.

Изобретение относится к области расходометрии и может быть использовано для измерения уровня сыпучих веществ в резервуарах. .

Изобретение относится к контролю и измерению 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.

Изобретение относится к области измерительной техники и может применяться для измерения уровня жидких или сыпучих материалов, а также для измерения расстояния. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля расположения места водонефтяного контакта (22) (OWC) между непрерывным нефтяным раствором (2о), находящимся выше непрерывного водного раствора (2w) внутри обсадной трубы (7).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения объемов металлических полостей произвольной формы, а также для измерения количества (объема, массы) содержащихся в таких полостях веществ, занимающих произвольное положение в объеме емкости, в том числе и имеющих многосвязную конфигурацию. Область применения данного устройства включает проведение измерений количества вещества в емкости в условиях невесомости и на транспортных средствах, когда нет горизонтальной границы раздела сред, т.е. когда задачу измерения количества невозможно свести к задаче измерения уровня вещества в емкости. Предлагаемое устройство для измерения количества вещества в металлической емкости содержит датчик в виде полости емкости, служащей объемным резонатором, к которому подсоединены генератор электромагнитных колебаний, модулированных по частоте в диапазоне [f1, f2], и последовательно соединенные детектор и регистратор числа типов колебаний, возбуждаемых в емкости. Устройство содержит дополнительно не менее одного подключенного к емкости генератора электромагнитных колебаний, модулированных по частоте, причем диапазон изменения частоты каждого из этих генераторов составляет часть поделенного на поддиапазоны [f1, f1], [f1, f2], …, [fk-1, fk], [fk, f2] диапазона [f1, f2], отличную от диапазонов изменения частоты других генераторов. Каждый из генераторов может быть подсоединен к емкости с помощью соответствующей линии связи. Устройство может содержать сумматор мощности, ко входам которого подсоединены все генераторы, а выход которого подсоединен к емкости с помощью одной линии связи. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов. Радиоволновое фазовое устройство для определения уровня жидкости содержит генератор СВЧ фиксированной частоты, подсоединенный через первый делитель мощности, основной вывод направленного ответвителя и циркулятор к приемо-передающей антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности жидкости по нормали к ней и приема отраженных электромагнитных волн. Устройство также содержит первый смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены соответственно вспомогательный вывод направленного ответвителя и вывод циркулятора через второй делитель мощности, второй смеситель, первый делитель частоты на N и второй делитель частоты на N. При этом первый и второй входы второго смесителя соединены соответственно через первый и второй делители частоты на N со вторыми выходами первого и второго делителя мощности, а выход второго смесителя соединен с вычислительным блоком. Технический результат - повышение точности устройства. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др. Предлагается способ измерения уровня жидкости в емкости, при котором размещают в емкости с диэлектрической жидкостью вертикально волноводный резонатор, уровень x жидкости в котором равен ее уровню в емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту. На резонансной частоте fn(x) возбуждают во всем объеме резонатора электромагнитные колебания типа, для которого fn(x) выше критической частоты fnкр для волны данного возбуждаемого типа в волноводе, при значении x, меньшем некоторого значения x1, при котором fn(x1) выше fnкр, и измеряют fn(x), а при значении x, большем x1, при котором fn(x1) ниже fnкр, возбуждают во всем объеме резонатора на резонансной частоте fk(x) электромагнитные колебания типа, для которого fk(x) выше критической частоты fkкр для волны данного возбуждаемого типа в волноводе, с изменением значения fn(x1) до значения fk(x1) при х=х1, и измеряют fk(x). Конструктивные параметры резонатора могут быть выбраны исходя из условия fn(x1)=fk(x1). 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения уровня электропроводной жидкости в различных открытых емкостях. В частности, оно может быть применено для определения уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства. Предлагается способ определения уровня жидкого металла в технологической емкости, поступающего в нее из другой технологической емкости в виде струи, при котором возбуждают продольные электромагнитные колебания в открытом СВЧ резонаторе, образуемом совокупностью металлического зеркала над поверхностью жидкого металла и этой поверхностью. При этом струю жидкого металла подают через отверстие в центральной части металлического зеркала, при этом радиус кривизны металлического зеркала соизмерим с расстоянием между ним и поверхностью жидкого металла, а в образуемом открытом СВЧ резонаторе продольные электромагнитные колебания возбуждают с азимутальным индексом не менее 20 на фиксированной резонансной частоте и находят ее значение, по которому судят об уровне жидкого металла. Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости, в частности для измерения уровня воды, нефтепродуктов, сжиженных газов и других жидкостей. Предлагается способ измерения уровня жидкости, при котором в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают электромагнитные волны с первой частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют первую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн. После этого в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают электромагнитные волны со второй частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют вторую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, по измеренным значениям первой и второй разности фаз судят об уровне жидкости в емкости. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и, в частности, касается измерительного устройства для измерения уровня наполнения, измерения разделительного слоя или определения свойств наполняющего материала, которое состоит из: первого волноводного устройства с устройством ввода для проведения первого измерения и замеряющего устройства для проведения второго измерения, которое представляет собой второе волноводное устройство с вторым устройством ввода, при этом устройства ввода служат для присваивания потенциала и опорного потенциала и имеют развязку потенциалов. Также изобретение включает в себя устройство управления, измерительный прибор для измерения уровня наполнения, способ эксплуатации измерительного устройства, компьютерочитаемый носитель информации, применение измерительного устройства для измерения эмульсии и применение измерительного устройства для определения свойств среды. Технический результат заключается в реализации указанных выше устройств и их назначений. 7 н. и 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение может быть использовано для высокоточного измерения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в емкости, например для измерения уровня нефтепродуктов. Техническим результатом является увеличение чувствительности и точности измерений. В предлагаемом способе измерения уровня жидкости размещают в емкости с диэлектрической жидкостью вертикально волноводный резонатор, уровень x жидкости в котором равен ее уровню в емкости, возбуждают в нем электромагнитные колебания и измеряют их резонансную частоту. Электромагнитные колебания возбуждают во всем объеме резонатора, у которого нижняя часть имеет уменьшенное поперечное сечение, на резонансной частоте fn(x) типа колебаний, для которого fn(x) выше критической частоты fnкр нижней части волновода уменьшенного сечения для волны данного типа, при значении x, меньшем некоторого значения x1, при котором fn(x1) выше fnкp, и измеряют fn(x), а при значении x, большем x1, при котором fn(x1) ниже fnкр, электромагнитные колебания возбуждают в объеме резонатора, кроме его нижней части уменьшенного сечения, на резонансной частоте fk(x) типа колебаний, для которого fk(x) выше критической частоты fkкр верхней части волновода для волны данного типа, причем fkкр<fnкр, с изменением значения fn(x1) до значения fk(x1) при x=x1, и измеряют fk(x). 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Радиолокационный волноводный уровнемер предназначен для измерения уровня материалов, например, в резервуарах, котлах с избыточным давлением, силосах. Он содержит приемопередающий блок, включающий блок обработки, модулятор, передатчик и приемник, волноводную линию, расположенную внутри резервуара и прикрепленную к его металлической поверхности, передающую и приемные связанные линии, соединенные с передатчиком и приемником соответственно, проходящие через СВЧ гермовводы и заканчивающиеся вибраторами, возбуждающими волноводную линию, которая монтируется как отдельная подвеска с грузом, который может быть отражателем или поглотителем. Задача, решаемая изобретением, заключается в достижении высокой прочности герметичного СВЧ перехода, волноводной линии и требуемого волноводного согласования конструкции, а также стойкость к воздействиям среды. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости, в частности для измерения уровня воды, нефтепродуктов, сжиженных газов и других жидкостей. Предлагается устройство для измерения уровня жидкости, технический результат в котором достигается тем, что оно содержит два генератора электромагнитных волн фиксированной частоты, подсоединенных к первому и второму входам переключателя, выход которого через основной волновод направленного ответвителя присоединен к антенне для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности жидкости по нормали, антенну для приема отраженных электромагнитных волн, смеситель излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, к первому и второму входам которого подсоединены соответственно антенна для приема отраженных электромагнитных волн и вспомогательный выход направленного ответвителя, выход смесителя соединен со входом вычислительного блока, выход которого соединен с управляющим входом переключателя. Технический результат заключается в повышении точности измерения уровня жидкости. 1 ил.

Изобретение относится к средствам контроля и измерения уровня жидких и сыпучих веществ в резервуарах и может быть использовано на химических, нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих и других предприятиях, эксплуатирующих резервуары. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик уровнемера за счет повышения точности измерения уровня продуктов в резервуарах. Радиолокационный уровнемер содержит датчик 1 уровня, блок 2 управления диаграммой направленности микрополосковой антенны 3, преобразователь 4 интерфейса и устройство 5 управления фазовращителями 6. Блок 2 установлен на внутренней стороне антенны 3 и содержит управляемые фазовращатели 6 и блок 7 измерения углового положения микрополосковой антенны. Изменение положения диаграммы направленности микрополосковой антенны 3 осуществляется посредством управления фазами зондирующего сигнала, возбуждаемого разными группами элементарных излучателей 10. Формирование сигнала управления производится на основе данных блока 7 и требуемого угла наклона диаграммы направленности, поступающего от датчика 1. Фазовращатели 6 выполнены на основе микросхем, реализующих варакторный способ управления фазой сигнала. Блок 7 выполнен на основе твердотельного акселерометра. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх