Способ измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах и радиолокационный уровнемер для его осуществления



Способ измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах и радиолокационный уровнемер для его осуществления
Способ измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах и радиолокационный уровнемер для его осуществления
Способ измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах и радиолокационный уровнемер для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2575185:

Закрытое акционерное общество ЛИМАКО (RU)

Изобретение относится к области радиолокационной измерительной техники и может быть использовано для создания систем контроля и измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах, эксплуатация которых осуществляется на предприятиях строительной, горнодобывающей и нефтехимической отраслей. Техническим результатом является улучшение эксплуатационных характеристик за счет сохранения надежной работоспособности при проведении измерений в различного рода резервуарах для широкого перечня сыпучих продуктов, независимо от геометрической формы, образующейся во время рабочего процесса, в том числе и во взрывоопасных средах. Суть предложенного способа заключается в том, что помимо излучения в заданном направлении и приема отраженных от поверхности исследуемого продукта радиолокационных сигналов, частота которых изменяется по линейному закону, измерения разностной частоты между излучаемым и отраженным сигналами, выделения полезного сигнала и расчета дальности, дополнительно осуществляется электронное сканирование диаграммы направленности микрополосковой антенны, излучают и принимают отраженные радиолокационные сигналы для различных угловых положений диаграммы направленности, производят измерение уровня отраженного сигнала, осуществляют спектральную обработку отраженных сигналов, на основе которой и введенных геометрических параметров исследуемого резервуара вычисляют оптимальное угловое положение диаграммы направленности, формируют сигнал управления диаграммы направленности микрополосковой антенны. Также в заявленном изобретении раскрыт радиолокационный уровнемер для осуществления вышеуказанного способа. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области радиолокационной измерительной техники и может быть использовано для создания систем контроля и измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах, эксплуатация которых осуществляется на предприятиях строительной, горнодобывающей и нефтехимической отраслей, в том числе и во взрывоопасной среде.

Известен способ измерения уровня сыпучих продуктов, предполагающий использование возможности изменения положения диаграммы направленности антенны внутри исследуемого резервуара в соответствии с заданным алгоритмом (патент США №6634234, G01N 29/04, 21.10.2003).

Сущность способа с использованием регулируемой измерительной головной части заключается в облучении исследуемого продукта радиолокационным сигналом соответствующей структуры и фиксированной мощности, последующем приеме отраженного исследуемым продуктом сигнала с помощью приемо-передающего модуля, размещенного внутри исследуемого резервуара в одном из трех возможных угловых положений, его обработке в соответствии с заданным алгоритмом и выработке сигнала управления для последующей корректировки углового положения диаграммы направленности.

Реализующий способ изменения углового положения диаграммы направленности уровнемер включает приемо-передающий модуль, содержащий антенну и размещенный на исполнительном механизме (актуаторе), который в свою очередь размещается внутри резервуара. Актуатор и приемо-передающий модуль соединены с контрольным модулем, который в свою очередь соединен с дисплейным модулем. При этом все оборудование, за исключением актуатора и приемо-передающего модуля находится за пределами внутреннего объема исследуемого резервуара. Управление угловым положением диаграммы направленности приемо-передающего модуля осуществляется путем подачи соответствующих сигналов управления с контрольного модуля на актуатор. Процесс выработки сигналов управления предусматривает применение специальных алгоритмов обработки отраженных сигналов, поступающих с приемо-передающего модуля с учетом текущей дальности до поверхности исследуемого продукта.

Основным недостатком указанного способа и реализующего его устройства для изменения положения диаграммы направленности в пространстве является наличие механического узла в виде актуатора. Такой механический способ изменения положения диаграммы направленности в пространстве путем изменения ориентации всего приемо-передающего модуля имеет низкую надежность вследствие того, что механические узлы подвергаются загрязнению из-за воздействия пыли, неизбежно присутствующей внутри резервуаров с сыпучими продуктами. Фиксированное, равное трем, возможное угловое положение диаграммы направленности существенно ограничивает эксплуатационные характеристики уровнемера. Это связано с тем, что измерение уровня сыпучих продуктов в отличие от жидких имеет свои особенности, которые заключаются в том, что поверхность таких продуктов не является гладкой и в отдельных случаях может представлять собой нерегулярную структуру. При этом отсутствует зеркальное отражение зондирующего сигнала, что приводит иногда к его частичной или полной потере. В этом случае изменение углового положения диаграммы направленности может способствовать появлению полезного сигнала. При достаточно узкой диаграмме направленности антенны (порядка 2-4 градуса) может потребоваться гораздо большее число возможных угловых положений диаграммы направленности антенны. В дополнение к вышеизложенному следует отметить, что размещение актуатора вместе с приемо-передающим модулем внутри исследуемого резервуара исключает возможность работы уровнемера во взрывоопасной среде. В качестве примера продуктов, которые могут образовывать взрывоопасную смесь, можно отметить уголь, технический углерод, зерно, комбикорм.

Перед авторами стояла задача создать способ измерения уровня сыпучих продуктов и устройство, его реализующее, надежно работающих в различного рода резервуарах, емкостях для широкого спектра продуктов, которые в том числе могут образовывать взрывоопасную смесь.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения уровня сыпучих продуктов излучают и принимают отраженные радиолокационные сигналы, частота которых изменяется по линейному закону, измеряют разностную частоту между излучаемым и отраженным от поверхности исследуемого продукта радиолокационными сигналами, выделяют и обрабатывают радиолокационный сигнал с применением специальных алгоритмов и рассчитывают дальность, дополнительно осуществляют электронное сканирование диаграммы направленности микрополосковой антенны, излучают и принимают отраженные радиолокационные сигналы для различных угловых положений диаграммы направленности, производят измерение уровня отраженного сигнала, осуществляют спектральную обработку отраженных радиолокационных сигналов, на основе которой и введенных геометрических параметров исследуемого резервуара вычисляют оптимальное угловое положение диаграммы направленности, формируют сигнал управления диаграммой направленности микрополосковой антенны.

В радиолокационный уровнемер для осуществления способа измерения уровня сыпучих продуктов, содержащий датчик уровня, соединенный с микрополосковой антенной посредством волноводного перехода, фазовращатели, установленные на микрополосковой антенне, дополнительно введены электрически связанные между собой детекторная секция и блок управления, образующие совместно канал управления диаграммой направленности микрополосковой антенны.

Детекторная секция расположена на излучающей поверхности микрополосковой антенны.

Блок управления соединен с искробезопасным источником питания.

Блок управления состоит из микроконтроллера, дешифратора команд управления, формирователя сигналов управления фазовращателями, при этом выход дешифратора соединен со входом микроконтроллера, выход которого соединен со входом формирователя сигналов управления фазовращателями, выход которого соединен с фазовращателями, а вход дешифратора команд управления соединен с детекторной секцией.

Введение канала управления диаграммой направленности микрополосковой антенны позволяет оперативно, не используя механический способ, изменять положение диаграммы направленности микрополосковой антенны внутри исследуемого резервуара в соответствии с заданным алгоритмом, что приведет к достижению технического результата в виде улучшения эксплуатационных характеристик уровнемера за счет сохранения возможности измерять дальность до поверхности исследуемого сыпучего продукта независимо от его формы, в том числе и во взрывоопасной среде.

Заявляемые способ измерения уровня сыпучих продуктов и радиолокационный уровнемер для его осуществления обладают совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.

Заявляемые способ измерения сыпучих продуктов и радиолокационный уровнемер для его осуществления, по мнению заявителя и авторов, соответствуют критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов они явным образом не следуют из уровня техники, т.е. не известны из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.

Сущность предлагаемого способа измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах и радиолокационного уровнемера для его осуществления поясняются с помощью чертежей, где:

- на фиг. 1 представлена блок-схема радиолокационного уровнемера;

- на фиг. 2 - структурная схема блока управления;

- на фиг. 3 - структура сигнала, формируемого датчиком уровня;

- на фиг. 4 - вид внутренней поверхности микрополосковой антенны;

- на фиг. 5 - вид внешней излучающей поверхности микрополосковой антенны.

Радиолокационный уровнемер содержит датчик 1 уровня, искробезопасный источник 2 питания, блок 3 управления, волноводный переход 4 и микрополосковую антенну 5. В резервуаре 6 находится сыпучий продукт 7.

Блок 3 управления содержит микроконтроллер 8, дешифратор 9 команд управления и формирователь 10 сигналов управления фазовращателями 11.

Микрополосковая антенна 5 имеет внутреннюю сторону 12, на которой размещены четыре фазовращателя 11, и внешнюю излучающую сторону 13, на которой размещены излучающие элементы 14 и детекторная секция 15. В качестве управляемых фазовращателей 11 применены микросхемы НМС 933LP4E производства фирмы Hittite microwave corporation. Микросхема содержит варакторы и цепи согласования.

Радиолокационный уровнемер работает следующим образом. Датчик 1 уровня формирует и излучает радиолокационный сигнал, который через волноводный переход 4 поступает на микрополосковую антенну 5. Излученный микрополосковой антенной 5 сигнал в направлении сыпучего продукта 7, расстояние до которого необходимо измерить, отражается от поверхности продукта и возвращается обратным путем в датчик 1 уровня. Частота излученного радиолокационного сигнала изменяется во времени по линейному закону. В результате взаимодействия излучаемого и отраженного сигналов в датчике 1 уровня образуется целый ряд спектральных составляющих, частота которых несет информацию о дальности до поверхности продукта. После применения специальных алгоритмов обработки информации, на выходе датчика 1 получают текущее значение дальности в цифровом виде.

Алгоритм управления диаграммой направленности микрополосковой антенны 5 предполагает поиск оптимального угла наклона диаграммы направленности по критерию максимального уровня отраженного от поверхности продукта 7 сигнала. Определение границ сканирования производится с учетом ширины диаграммы направленности микрополосковой антенны 5, геометрических параметров резервуара 6, текущих значений дальности и угла. Изменение положения диаграммы направленности микрополосковой антенны 5 осуществляют посредством управления фазами радиолокационного сигнала, возбуждаемого разными группами излучающих элементов 14. Управление фазовращателями 11 осуществляют с помощью блока 3 управления. Формирование сигнала управления производится на основе команд, поступающих с выхода детекторной секции 15 на вход дешифратора 9 команд управления. На вход дешифратора 9 команд управления поступает последовательность импульсов 16, представляющая собой широтно-импульсный модулированный сигнал. Этот сигнал является набором команд управления, который формируют в датчике 1 уровня и излучают микрополосковой антенной 5 аналогично радиолокационному сигналу на одной из частот, находящихся внутри рабочего диапазона датчика 1 уровня. Приемником команд управления является детекторная секция 15. Излучение управляющих импульсов 16 и радиолокационного сигнала разнесено во времени. Временная структура сигнала приведена на фиг. 3. Здесь наряду с импульсами 16 управления производят формирование радиолокационного сигнала на участке 17 и производят обработку принятых сигналов на участке 18.

Микроконтроллер 8 на основе данных, поступающих с выхода дешифратора 9 команд управления, с помощью специального алгоритма управляет работой формирователя 10 сигнала управления фазовращателями 11, выход которого соединен с фазовращателями 11.

Питание блока 3 управления осуществляется от искробезопасного источника 2. Схемотехника блока 3 управления и микрополосковой антенны 5 позволяет выполнить и сертифицировать эти узлы в искробезопасном исполнении, что приводит к возможности сертификации для работы во взрывоопасной среде радиолокационного уровнемера с применением ранее сертифицированного датчика 1 уровня.

На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация радиолокационного уровнемера заявляемой конструкции, изготовлен его опытный образец, испытания которого подтвердили работоспособность и преимущества по сравнению с известными, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.

1. Способ измерения уровня сыпучих продуктов, в котором излучают в заданном направлении и принимают радиолокационные сигналы, частота которых изменяется по линейному закону, измеряют разностную частоту между излучаемым и отраженным от поверхности исследуемого продукта сигналами, выделяют полезный сигнал и рассчитывают дальность, отличающийся тем, что осуществляют электронное сканирование диаграммы направленности микрополосковой антенны, излучают и принимают отраженные радиолокационные сигналы для различных угловых положений диаграммы направленности, производят измерение уровня отраженного сигнала, осуществляют спектральную обработку отраженных сигналов, на основе которой и введенных геометрических параметров исследуемого резервуара вычисляют оптимальное угловое положение диаграммы направленности, формируют сигнал управления диаграммой направленности микрополосковой антенны.

2. Радиолокационный уровнемер для осуществления способа по п. 1, содержащий датчик уровня, соединенный с микрополосковой антенной посредством волноводного перехода, фазовращатели, установленные на микрополосковой антенне, отличающийся тем, что в состав радиолокационного уровнемера дополнительно введены электрически связанные между собой детекторная секция и блок управления, образующие совместно канал управления диаграммой направленности микрополосковой антенны.

3. Радиолокационный уровнемер по п. 2, отличающийся тем, что детекторная секция расположена на излучающей поверхности микрополосковой антенны.

4. Радиолокационный уровнемер по п. 2, отличающийся тем, что блок управления соединен с искробезопасным источником питания.

5. Радиолокационный уровнемер по п. 4, отличающийся тем, что блок управления выполнен в виде микроконтроллера, дешифратора команд управления, формирователя сигналов управления фазовращателями, при этом выход дешифратора соединен со входом микроконтроллера, выход которого соединен со входом формирователя сигналов управления фазовращателями, выход которого соединен с фазовращателями, а вход дешифратора команд управления соединен с детекторной секцией.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения количества (объема) диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от ее электрофизических параметров.

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности и предназначено для обеспечения высококачественного проведения процесса тампонажных работ в скважинах.

Изобретение относится к области контрольно-измерительной аппаратуры объектов атомной энергетики и может быть использовано в составе АСУ ТП АЭС для бесконтактного измерения уровня жидких радиоактивных отходов в резервуарах.

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.

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.

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.

Изобретение может быть использовано для высокоточного измерения уровня диэлектрической жидкости, находящейся в емкости, например для измерения уровня нефтепродуктов.

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.

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.

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.

Изобретение относится к устройству для измерения уровня заполнения наполняемой среды в контейнере, а также к способу измерения и к компьютерно-читаемому носителю, служащему для управления устройством. Техническим результатом является упрощение процедуры отнесения эхо-сигнала, которая указывает уровень заполнения среды в контейнере к соответствующей траектории. Устройство измерения уровня заполнения выполнено с возможностью определения относительного знака полученного эхо-сигнала посредством сравнения эхо-сигнала с предварительно определенным опорным значением или предварительно определенной опорной кривой. Относительный знак является положительным (отрицательным), если среднее значение эхо-сигнала больше (меньше) опорного значения или если эхо-кривая лежит выше (ниже) опорной кривой. Эхо-сигнал может быть отнесен к траектории эхо-сигнала, соответствующей уровню заполнения среды в контейнере, если ранее определенные эхо-сигналы в траектории эхо-сигнала имеют такой же относительный знак, как и полученный сигнал. В ином случае отнесение эхо-сигнала к траектории эхо-сигнала предотвращается. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к способу и устройству определения уровня, использующему электромагнитные волны для определения расстояния до поверхности продукта, содержащегося в резервуаре. Способ определения уровня наполнения продукта, содержащегося в резервуаре, включает в себя шаги: а) передают электромагнитный зондирующий сигнал к целевой области поверхности продукта; b) принимают отраженный зондирующий сигнал, являющийся отражением электромагнитного зондирующего сигнала от данной поверхности; с) определяют величину параметра, являющегося показателем амплитуды отраженного зондирующего сигнала; если величина параметра, являющегося показателем амплитуды, больше заранее заданной пороговой величины; d) передают электромагнитный измерительный сигнал к этой целевой области поверхности продукта; е) принимают обратный сигнал, являющийся отражением электромагнитного измерительного сигнала на поверхности; и f) определяют уровень наполнения на основе соотношения по времени между электромагнитным измерительным сигналом и обратным сигналом. Техническим результатом является повышение надежности и энергетической эффективности, в частности, за счет обеспечения меньшего активного времени работы устройства. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. В заявленном способе определения положения границы раздела двух веществ в емкости, при котором в емкости с веществами, одно над другим, образующими плоскую горизонтальную границу раздела, размещают вертикально отрезок длинной линии длиной l, заполняемый веществами в соответствии с их расположением в емкости, с оконечным горизонтальным участком фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемым веществом и опорожняемым при, соответственно, поступлении веществ в емкость и их удалении из емкости, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на двух разных резонансных частотах f 1 и f 2, измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты z положения границы раздела двух веществ в емкости, дополнительно возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные колебания на третьей резонансной частоте f 3, измеряют f 3 и производят совместную функциональную обработку f 1, f 2 и f 3 согласно соотношению , где f 1 0 ,   f 2 0 ,   f 3 0 - начальные, в отсутствие веществ в емкости, значения f 1, f 2 и f 3, соответственно; - напряжение в точке с координатой ξ отрезка длинной линии с оконечным горизонтальным участком, возбуждаемого на резонансных частотах f 1, f 2 и f 3, соответственно. Техническим результатом является повышение точности измерений. 2 ил.

Предложенные два варианта радиолокационного волноводного уровнемера предназначены для измерения уровня в установках, например в резервуарах, котлах с избыточным давлением, силосах. Данный уровнемер содержит приемо-передающий блок, волноводную пару и элементы связи. Приемо-передающий блок расположен снаружи установки и включает блок обработки, модулятор, передатчик и приемник. Волноводная пара через элементы связи подключена к приемо-передающему блоку. При этом волноводная пара крепится отдельно от СВЧ гермовводов и возбуждается вибраторами, соединенными с приемо-передающим блоком через связанные линии. Связанные линии от передатчика и приемника проходят через СВЧ гермовводы и заканчиваются вибраторами, которые возбуждают волноводную линию и снимают с нее сигнал уровня. Груз на конце волноводной линии может быть отражателем или поглотителем. Изобретение позволяет упростить конструкцию СВЧ гермовводов и защитить их от нагрузок, действующих на волноводную пару, снизить уровень потерь и помех от элементов конструкции. Добавление емкостного каскада улучшает работу устройства в сложных средах. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к радарным уровнемерам. Заявлен способ радарного определения уровня и система для его реализации. Данный способ включает передачу, по меньшей мере, двух разделенных во времени импульсов несущей волны, имеющих одинаковые несущие частоты, определение изменения фазового сдвига, связанного с двумя импульсами в передаваемых сигналах, имеющих одинаковые частоты, сравнение данного изменения с пороговой величиной и, в зависимости от результата сравнения, определение расстояния на основании соотношения между передаваемыми сигналами и отраженными сигналами. Техническим результатом является обеспечение системы для радарного измерения уровня, использующей импульсы постоянной частоты, которые являются длительными по сравнению с временем прохождения. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 5 ил.

Устройство относится к измерителям уровня наполнителя в резервуарах, емкостях и т.д., вВ частности, к радарному детектированию параметров процесса, связанных с расстоянием до поверхности содержимого в резервуаре с помощью электромагнитных волн. Многоканальный радарный уровнемер содержит первый и второй функционально независимые блоки электрических схем, которые имеют приемопередающую схему и обрабатывающую схему. Уровнемер содержит передающий линейный зонд, соединенный с указанными блоками электрических схем. Указанный передающий линейный зонд проходит вглубь содержимого резервуара и обеспечивает возможность распространения первой и второй мод передачи. Устройство также содержит фидерный блок, подключенный для подачи в зонд электромагнитных сигналов первой и второй моды распространения. Технический результат заключается в разработке уровнемера с несколькими функционально независимыми каналами, использующего передающий линейный зонд, обеспечивающий большую надежность показаний. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области беспроводного измерения количества жидкости. Заявлены способ измерения количества жидкости и система для измерения количества жидкости. Особенностью заявленного способа является расчет количества жидкости на основании измеренной передаточной функции посредством определения временной задержки между передачей конкретной падающей электромагнитной волны из указанных падающих электромагнитных волн и приемом соответствующей отраженной электромагнитной волны; сравнения определенной временной задержки с набором известных временных задержек, соответствующих падающей электромагнитной волне, имеющей те же самые характеристики, что и указанная конкретная падающая электромагнитная волна; определения совпадения определенной временной задержки с временной задержкой из набора известных временных задержек и определения количества жидкости, соответствующего совпавшей временной задержке, после определения совпадения определенной временной задержки с временной задержкой из набора известных временных задержек. Заявленная система содержит блок запросов, содержащий передатчик, приемник, модуль передаточной функции и вычислительный модуль; и блок индукционной энергии и данных. Техническим результатом является повышение общей безопасности воздушного судна. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх