Многоканальный волноводный радарный уровнемер
Предложен уровнемер, предназначенный для детектирования переменных рабочих параметров, относящихся к расстоянию до поверхности (12) продукта, содержащегося в резервуаре (10). Уровнемер содержит функционально независимые друг от друга первый и второй контурные блоки (2а, 2b), в каждом из которых имеются трансиверный контур и процессорный контур. Кроме того, данный измерительный прибор имеет делитель (5) мощности, обеспечивающий наличие изоляции между сигналами, испускаемыми в одном и том же режиме распространения, зонд (6) на основе однопроводной передающей линии и согласующее устройство (8), обеспечивающее наличие электрически согласованного сопряжения между электрическим вводом (7) в резервуар и зондом (6). Комбинация делителя мощности и согласующего устройства позволяет задействовать множество каналов на одном зонде, выполненном на основе однопроводной передающей линии. Техническим результатом при реализации заявленного решения является разработка многоканального уровнемера, использующего зонд на основе однопроводной передающей линии, а также позволяющего подключить несколько измерительных приборов к зонду, выполненному на основе однопроводной передающей линии, и обеспечить при этом достаточную независимость между блоками и соответственно достаточную изоляцию между измерительными приборами, когда в одном из блоков нарушается нормальное функционирование. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.
Область техники
Изобретение относится к многоканальному радарному уровнемеру, использующему для определения расстояния до поверхности продукта, содержащегося в резервуаре (танке), электромагнитные волны, направляемые в резервуар волноводным зондом.
Уровень техники
Радарное измерение уровня находит все более широкое применение в качестве важного способа измерения уровня продукта, содержащегося в резервуарах, контейнерах и других подобных емкостях. В типичном варианте радарный уровнемер имеет контур приемопередатчика (трансивера) (далее - трансиверный контур) и процессорный контур, который подключен к распространяющему устройству, выполненному с возможностью передавать электромагнитные сигналы в резервуар. Пример таких систем приведен заявителями данного документа в US 7106247.
Устройством распространения сигнала может быть направленная антенна. Однако в некоторых приложениях радарные уровнемеры, для распространения сигналов в свободном пространстве использующие антенну, непригодны, поэтому для направления волн применяют волноводную конструкцию. Из уровня техники известны три различных типа волноводных конструкций, различающиеся между собой механизмами распространения.
Волноводы первого типа полые (например, это трубка с надлежащим поперечным сечением) и "толстые" (в том смысле, что диаметр их поперечного сечения составляет половину длины волны или более, причем с возможностью уменьшения данного сечения за счет диэлектрического наполнителя). В таком волноводе электромагнитные поля всегда имеют по меньшей мере один компонент, ориентированный вдоль направления распространения. При использовании в приложениях, связанных с измерением уровня, волноводы этого типа именуются "успокоительными трубками" и должны быть перфорированными, чтобы обеспечить внутри и снаружи их одинаковый уровень жидкости.
Волноводные конструкции второго типа представляют собой передающие линии, имеющие два или более проводников, такие как двухпроводная линия или коаксиальная линия. Диаметр волноводов, выполненных на основе передающей линии, намного меньше длины волны передаваемых волн, причем одна из характерных особенностей данных устройств состоит в том, что соответствующие электромагнитные поля относятся к поперечному типу (ПЭМ-типу). Одним из примеров практического осуществления этих линий является двухпроводная линия, содержащая пару проводов из нержавеющей стали и неплотные диэлектрические разделители. Для практических приложений, использующих измерение уровня посредством сигналов с частотой ниже 1 ГГц (т.е. с длиной волны более 300 мм), обычно выбирают диаметр передающей линии (ее максимальный поперечный размер) в интервале 3-20 мм. Слишком маленький диаметр будет увеличивать потери, связанные с сопротивлением, и может создать проблемы, вызванные закупориванием отверстия материалом, содержащимся в резервуаре, и понижением механической прочности.
Наконец, волноводные конструкции третьего типа представляют собой волноводы поверхностных волн (ВПВ), такие как однопроводная передающая линия или трубка с диэлектрическим покрытием или без него. По сравнению с длиной волны волновод поверхностной волны может быть очень тонким (обычный диаметр ВПВ для применения на частоте ниже 1 ГГц равен 4-8 мм); однако эти волноводы также формируют поле, направленное вдоль направления распространения, и, кроме того, поля, расположенные вне ВПВ. В отличие от зонда на основе передающей линии, относящегося к ПЭМ-типу, в данном случае требуется больше свободного пространства, поскольку соответствующие поля удалены от провода на большее расстояние. В случае единичного металлического провода пригоден плохой проводник электричества, такой как нержавеющая сталь. Однопроводной зонд очень практичен и надежен для применения в измерениях уровня и по сравнению, например, с двухпроводным устройством, изготовленным из проводника такого же типа, имеет пониженное удельное затухание (затухание, приходящееся на один метр).
Таким образом, диаметр волноводных конструкций как второго, так и третьего типов намного меньше длины волны передаваемых волн. В приложениях, использующих радарное измерение уровня, такие волноводы обычно именуют "зондами", а соответствующий принцип детектирования иногда именуется волноводным радаром (guided wave radar, GWR). В настоящее время самый распространенный тип такого радара применяет короткие (порядка 1 нс) импульсы без какого-либо носителя и занимает частотный интервал, соответствующий приблизительно 0,1-1 ГГц.
Из-за ограничений, связанных с техникой безопасности, экологическими нормами, соответствующими нормативами и другими подобными условиями, часто возникает необходимость в проведении нескольких измерений положения уровня поверхности продукта в контейнере, причем эти измерения должны быть полностью разделенными между собой и функционально независимыми одно от другого. В частности, для систем радарного измерения уровня, используемых в грузовых контейнерах танкеров, требуется выполнение по меньшей мере одной предупреждающей сигнальной функции (например подачи сигнала о переполнении), которая функционально не зависит от системы измерения уровня.
Реализация функциональной независимости не только требует разделения блоков, но и означает также, что неисправность, выявленная в одной системе, не свидетельствует о том, что характеристики другой системы (других систем) следует считать ухудшившимися или неприемлемыми. Такую независимость можно обеспечить, гарантировав, что в установке нет общих электрических контуров и совместных кабелей, т.е. не должно быть какого-либо гальванического контакта между различными измерительными системами. Согласно одному из вариантов выполнения этого условия просто устанавливают по меньшей мере два уровнемера, полностью независимых друг от друга.
Однако в последние годы затраты на механическую установку радарного уровнемера росли быстрее, чем стоимость электроники в измерительном приборе. Если предусмотреть возможность использовать для двух или более электронных блоков одно и то же устройство распространения сигнала, например антенну, можно таким образом обеспечить экономическую и техническую эффективность при условии, что общие детали имеют очень высокую надежность. На рынке такие системы оказались достаточно успешными, причем в особенности с учетом различных правил техники безопасности, часто требующих дублирования важных функций. Когда некоторые детали (типа антенны или успокоительной трубки) совместно используются двумя уровнемерами, между уровнемерами в конструкции должна быть предусмотрена достаточная электрическая изоляция. На случай, если неисправный уровнемер генерирует необычные сигналы или приобретает необычный импеданс, контуры должны быть выполнены так, чтобы исправный измерительный прибор был изолирован от возмущений, которые могут привести к выходу параметров другого прибора за установленные пределы.
Уровень техники, проиллюстрированный, в частности, в US 6414625, US 6765524 и US 2013/0009803, в типичном варианте представлен системами, в которых несколько измерительных приборов совместно используют общее устройство распространения сигнала, выполняя при этом две или три различающиеся функции, например измерение уровня и сигнализацию о слишком высоком уровне продукта. Со стороны поступления сигналов измерительными приборами могут совместно использоваться блок питания и сигнальный интерфейс, в типичном варианте связанные двумя проводами (так называемой шиной). Однако предусмотрена также возможность выполнить эти узлы отделенными друг от друга (такой вариант часто именуют "гальванически изолированным"). В случае применения стандартизированной шины характеристики соединения задают такими, чтобы произвольная ошибка в одном блоке не влияла на соединение другого блока. Проведение типовой процедуры тестирования для соединения посредством шины гарантирует, в числе прочих факторов, что вероятность соответствующей неисправности будет крайне мала.
Подобное требование (требование о том, что неисправный измерительный прибор не должен взаимодействовать с другим измерительным прибором) предъявляется и к контурам измерительных приборов со стороны радара. Это требование до сих пор ограничивало приемлемые технические решения для присоединения нескольких измерительных приборов к одному распространяющему устройству, и на практике приходится ограничиваться только теми решениями, в которых используются отличающиеся друг от друга и различимые между собой сигналы или режимы распространения. В частности, в упомянутых патентах US 6414625 и US 6765524 описаны два или более радарных каналов, подключенных к антенне, в которых сигналы различаются, например, различными типами поляризации. Более поздний документ US 2013/0009803 (также упомянутый выше) описывает подключение двух электронных блоков к зонду GWR с различающимися режимами распространения (например ПЭМ-режим и режим волновода поверхностной волны или несколько ПЭМ-режимов в мультипроводном зонде). В обоих случаях относительно легко может быть обеспечен уровень изоляции между различными режимами, превышающий требуемый уровень (приблизительно 20 дБ). При уровне подавления, составляющем порядка 20 дБ или более, обработка сигнала, типичного для измерения уровня, должна быть способна пренебречь возмущениями. Возмущения такого порядка иногда содержат эхо-сигнал, типичный для радарного уровнемера, и с ними приходится иметь дело при обработке любого типичного сигнала.
В обобщенном виде уровень техники рекомендует использовать распространяющее устройство (антенну, полый волновод или мультимодовую передающую линию), позволяющее реализовать более одного режима распространения (или поляризации), и соответствующую сопрягающую конструкцию, чтобы обеспечить достаточный уровень изоляции между двумя или тремя независимыми друг от друга функциями, связанными с измерением уровня. В случае использования однопроводного зонда допускается только один режим распространения, и технические решения, известные из уровня техники, для применения непригодны. Можно разделить сигналы, имеющие различимые особенности (как это описано в упомянутом выше документе US 6414625), однако, сигналы, поступившие из электронного блока и искаженные непредусмотренным образом, однозначно идентифицировать невозможно. В последнем случае приходится проводить измерения, для которых гарантирована достаточная изоляция дефектного и исправного блоков друг от друга.
В настоящее время неизвестны технические решения, позволяющие подключить несколько измерительных приборов к зонду, выполненному на основе однопроводной передающей линии, и обеспечить при этом достаточную независимость между блоками и, соответственно, достаточную изоляцию между измерительными приборами, когда в одном из блоков нарушается нормальное функционирование. Способы, используемые в некоторых шинных соединениях, приводят к сильному затуханию сигналов со стороны их поступления, а слишком маленькие резервы мощности не позволяют воспроизвести эти сигналы со стороны радара.
Раскрытие изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в разработке многоканального уровнемера, использующего зонд на основе однопроводной передающей линии.
Эта и другие задачи решаются посредством уровнемера, содержащего:
- первый контурный блок, содержащий первый трансиверный контур для передачи первого передаваемого электромагнитного сигнала и приема первого электромагнитного эхо-сигнала и первый процессорный контур, подключенный к первому трансиверному контуру и определяющий первый переменный рабочий параметр, и
- второй контурный блок, содержащий второй трансиверный контур для передачи второго передаваемого электромагнитного сигнала и приема второго электромагнитного эхо-сигнала и второй процессорный контур, подключенный ко второму трансиверному контуру и определяющий второй переменный рабочий параметр,
К первому и второму трансиверным контурам электрически подключен делитель мощности, обеспечивающий изоляцию их сигналов друг от друга. Герметичность проходного электрического ввода, проходящего от делителя мощности через стенку резервуара и обеспечивающего электрически согласованное соединение с данным делителем, обеспечивается посредством соответствующего уплотнения. Кроме того, измерительный прибор содержит зонд на основе однопроводной передающей линии, подвешенный механическим образом на указанном уплотнении и проходящий в содержащийся в резервуаре продукт. Данный зонд выполнен с возможностью направлять передаваемые сигналы в сторону этого продукта и, далее, в его объем, а отраженные сигналы - обратно, т.е. к первому и второму контурным блокам. Электрический ввод имеет со стороны указанного зонда первый входной импеданс, а указанный зонд имеет со стороны указанного ввода второй входной импеданс. Кроме того, предусмотрено согласующее устройство, обеспечивающее электрически согласованное сопряжение между электрическим вводом и данным зондом.
Следует отметить, что хотя в данном документе используется термин "делитель" мощности, это средство выполняет функцию шлюза между двумя контурными блоками и одним единственным (общим) зондом, обеспечивая в то же время электрическую изоляцию между двумя контурными блоками и между первым и вторым передаваемыми сигналами.
Кроме того, следует иметь в виду, что оба передаваемых сигнала после прохождения через делитель мощности попадают на выполненный в стенке резервуара общий проходной электрический ввод.
В типичном варианте зонд на основе однопроводной передающей линии представляет собой волновод поверхностной волны, вдоль которого сигналы распространяются только в одном и том же режиме распространения.
Делитель мощности, по существу, обеспечивает достаточную изоляцию между двумя трансиверами, а также между двумя контурными блоками (иногда именуемыми "каналами"). Однако при использовании зонда, выполненного на основе однопроводной передающей линии, в большинстве случаев изоляция будет ухудшаться из-за недостаточного согласования (в типичном варианте коэффициент отражения равен -3 дБ). Поэтому техническое решение, предлагаемое согласно изобретению, предусматривает наличие согласующего устройства, установленного между зондом и электрическим вводом. Такое устройство само по себе известно, хотя разрабатывалось оно для других приложений. Тем не менее, изобретение основывается на том, что для обеспечения возможности совмещения нескольких каналов на зонде, выполненном на основе однопроводной передающей линии, необходимо скомбинировать делитель мощности с согласующим устройством, поскольку в противном случае изоляция, обеспечиваемая данным делителем, будет ликвидирована слишком сильным рассогласованным отражением в месте подключения однопроводного зонда (составляющим -3 дБ, если данный зонд подсоединен к сопротивлению 50 Ом).
Во многих других приложениях, использующих радарное измерение уровня, делитель мощности, например делитель Вилкинсона (по существу, это трансформатор с дискретно изменяемым импедансом), можно согласовать непосредственно с импедансом однопроводной линии. Однако для приложения, в котором используется радарное измерение уровня посредством волновода, подвеска зонда с помощью уплотнения в типичном варианте характеризуется относительно низким импедансом, так что импеданс зонда в свободном пространстве может в 4, 5, 6 или даже более раз превышать импеданс электрического ввода (со стороны резервуара). В частности, импеданс электрического ввода, проходящего через уплотнение, может быть менее 50 Ом или даже менее 40 Ом, в то время как импеданс зонда в свободном пространстве резервуара может превышать 200 Ом или даже 350 Ом. В частности, для характерных рабочих частот импеданс ничем не покрытого однопроводного зонда диаметром 4-10 мм в свободном пространстве составляет 300-400 Ом.
Согласно предпочтительным вариантам изобретения делитель мощности обеспечивает такой уровень изоляции сигналов, что первый и второй контурные блоки функционально независимы. Это означает, что такая изоляция достаточна для того, чтобы один из измерительных приборов мог выполнять свою специфическую функцию в случае неисправности любого типа, произошедшей на другом измерительном приборе (на других измерительных приборах). Как уже упоминалось в разделе "Уровень техники", два измерительных прибора могут быть частью разных систем (например, если одна система предназначена для измерения уровня, а другая - для контроля его приближения к верхней границе) и применяться полностью независимым образом. В предпочтительных вариантах уровень изоляции между системами составляет по меньшей мере 15 дБ или по меньшей мере 20 дБ.
Обеспечение достаточного уровня изоляции между контурными блоками гарантирует, что утечка между каналами невелика или отсутствует вообще. В результате отпадает необходимость в том, чтобы первый и второй электромагнитные сигналы отличались друг от друга. Фактически, согласно предпочтительному варианту изобретения первый и второй контурные блоки сконструированы так, чтобы передавались, по существу, идентичные электромагнитные сигналы, т.е. сигналы с одинаковой частотной/амплитудной характеристикой. Следует отметить, что в типичной ситуации два контурных блока не используются строго одновременно. Тем не менее, конструкция согласно изобретению настроена на сведение перекрестного взаимодействия к минимуму. Даже если два устройства используются в полностью различающихся системах (например в системе измерения уровня и в системе детектирования переполнения), взаимодействия между такими устройствами необходимо избегать.
В таком варианте контурные блоки могут быть функционально идентичными, причем наиболее предпочтительно они произведены посредством одного и того же метода изготовления. Такое решение облегчает изготовление системы в целом. Два, по существу, идентичных блока просто подключают через согласующее устройство к делителю мощности, который подсоединен к зонду на основе однопроводной передающей линии.
Желательно, чтобы каждый контурный блок содержал интерфейс питания для приема электрической энергии, способный ограничивать поступающую мощность. В возможном варианте данный интерфейс обеспечивает питанием первый и второй контурные блоки, причем таким образом, чтобы их функционирование было гарантированно искробезопасным. Посредством такого ограничения энергии, подаваемой в каждый контурный блок, дополнительно понижается вероятность потенциально возможных перекрестных помех, т.к., даже если один контурный блок подает ошибочный сигнал, похожий на поверхностный эхо-сигнал, этот неправильный сигнал будет ограничен очень коротким интервалом расстояний и ситуациями, в которых правильно функционирующий трансивер измеряет очень слабый сигнал.
Согласно одному из вариантов контурные блоки имеют по меньшей мере один переменный рабочий параметр, который может изменяться в предварительно выбранные моменты времени или в ответ на контрольные сигналы, принятые через сигнальный интерфейс. Изменяя этот параметр (например частоту повторения импульсов в импульсном радарном уровнемере), можно исключить из обработки мешающие сигналы, поступающие от нефункционирующего контурного блока в тех редких случаях, когда уровень изоляции 20 дБ может оказаться не вполне достаточным.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение будет описано более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых проиллюстрированы варианты изобретения, представляющиеся предпочтительными на момент составления данного описания.
На фиг. 1 схематично представлен радарный уровнемер, выполненный согласно варианту изобретения.
На фиг. 2 схематично проиллюстрирован двухступенчатый делитель мощности Вилкинсона.
На фиг. 3 представлена, в перспективном изображении, конструкция широкополосного делителя мощности Вилкинсона, свернутая в рулон.
На фиг. 4 приведен пример конструкции проходного ввода в резервуар.
На фиг. 5 приведен пример альтернативного согласующего устройства.
Осуществление изобретения
В нижеследующем подробном описании различные варианты системы радарного уровнемера, выполненного согласно изобретению, рассматриваются, в основном, применительно к использованию импульсных сигналов и определению уровня заполнения путем измерения времени между прохождением переданного и отраженного импульсов. Однако принципы изобретения потенциально применимы также и при использовании других радарных методов. В варианте с импульсами, промодулированными на носителе, может быть, кроме того, использована фазовая информация.
На фиг. 1 схематично представлена система 1 радарного уровнемера, выполненного согласно варианту предлагаемого изобретения. Она содержит по меньшей мере два электронных измерительных (контурных) блока 2а, 2b, в каждом из которых имеется трансиверный контур 3а, 3b, подключенный к процессорному контуру 4а, 4b. Каждый трансиверный контур 3а, 3b подключен к делителю 5 мощности, более подробно описанному далее. Делитель мощности через проходной ввод 7 в резервуар и через согласующее устройство 8 подсоединен к зонду 6, выполненному на основе однопроводной передающей линии. Система 1 установлена на резервуаре 10, который частично заполнен продуктом 11, уровень которого требуется измерять. Зонд проходит в продукт 11.
В данной конструкции имеются, по существу, два различных варианта возможной утечки сигнала из одного контурного блока 2а в другой контурный блок 2b. Во-первых, возможна внутренняя утечка, происходящая через делитель 5 мощности и обозначенная на фиг. 1 стрелкой А. Во-вторых, возможна утечка через делитель мощности из-за отражения, вызванного рассогласованием между зондом и вводом 7 в резервуар (см. стрелку В на фиг. 1).
Уровнемер 1 может быть подключен к внешним коммуникационным линиям 13, обеспечивающим через интерфейс (I/O) 14 аналоговую и/или цифровую коммуникацию. Для типичной ситуации предусматривается также возможность подключить систему 1 радарного уровнемера к внешнему источнику энергии или подавать питание на данную систему через внешние коммуникационные линии 13. В альтернативном варианте измерительный прибор может осуществлять коммуникацию беспроводным образом, используя для этого беспроводной коммуникационный протокол (например протокол WirelessHART), и применять локальную подачу питания (не изображена) от батарей или от других средств накопления энергии, пригодных для обеспечения автономного функционирования.
Независимо от типа источника энергии, подведение ее к блокам 2а, 2b предпочтительно выполнить в искробезопасном варианте. Во многих приложениях, в которых уровнемер устанавливают во взрывоопасной зоне, искробезопасное подведение энергии является требованием техники безопасности. Термин "искробезопасное подведение энергии" означает, в числе других требований, что ток и напряжение должны быть ограничены верхними заданными пределами. При выполнении этого условия по отношению к напряжению и току на входе радарный сигнал на выходе соответственно ограничивается весьма надежным образом. В результате оказывается ограниченной и способность неисправного контура формировать искаженный сигнал, который мог бы повлиять на другой электронный блок, подключенный к этому же зонду. За счет ограничения доступной мощности интенсивность любого ошибочного сигнала, поступившего из неисправного измерительного прибора, просто удерживается в определенных пределах.
В рабочем режиме первый трансиверный контур 3а посылает первый передаваемый электромагнитный сигнал ST1, направляемый зондом 6 в резервуар и отражающийся границей скачка импеданса, которая образована поверхностью 12. Отраженный сигнал, а именно первый эхо-сигнал SR1, направляется зондом 6 обратно к трансиверному контуру 3а. При нормальном функционировании делителя мощности потери энергии в каждом направлении коммуникационного тракта, проходящего между электронным блоком 2а и зондом 6, составят 50%. Первый процессорный контур 4а определяет расстояние между референтным положением (таким как верхняя стенка резервуара) и поверхностью 12 продукта 11, в результате чего появляется возможность отслеживать уровень L заполнения или другой переменный рабочий параметр. В данном случае резервуар содержит монопродукт 11, но следует отметить, что подобным образом можно измерять расстояние по оси зонда до границы любого материала.
Аналогичным образом, второй трансиверный контур 3b посылает второй передаваемый электромагнитный сигнал ST2, направляемый зондом 6 в резервуар и отражающийся границей скачка импеданса, которая образована поверхностью 12. Отраженный сигнал, а именно второй эхо-сигнал SR2, направляется зондом 6 обратно к трансиверному контуру 3b. Второй процессорный контур 4b определяет соответствующий переменный рабочий параметр таким же образом, как это делает первый процессорный контур 4а.
Делитель мощности (состоящий из двух или более частей) является общим компонентом и может быть выполнен в виде сдвоенных передающих линий или как шлейфовые ответвители. Для ширины полосы 1:2 достаточный уровень изоляции и хорошее согласование обеспечиваются тремя шагами, равными λ/4, однако, для более широкой полосы будет необходимо большее количество шагов. Как вариант, делитель мощности может представлять собой трансформатор с ферритовым сердечником.
На фиг. 2 приведен простой пример так называемого делителя мощности Вилкинсона, в данном случае выполненного в двухступенчатом варианте. Такой двухступенчатый делитель обеспечивает хорошее согласование и низкое связывание в пределах полосы, ширина которой составляет по меньшей мере одну октаву. Таким образом, он полезен для систем с относительно ограниченной шириной радиочастотной полосы (такой как 1-2 ГГц, т.е соответствующий коэффициент принимается равным 2). При этом физический размер такого делителя (в проиллюстрированном примере представляющего собой монтажную плату с размерами около 25×70 мм) совместим с главными конструктивными параметрами измерительного прибора.
В примере, проиллюстрированном на фиг. 2, делитель мощности имеет входной терминал 15 с импедансом 50 Ом, обозначенный на фиг. 1, как z2, и обращенный к узлу ввода в резервуар. Первая ступень выполнена в виде двух ветвей 16, у каждой из которых импеданс равен 81 Ом, причем данные ветви соединены мостиком 17, имеющим импеданс 94 Ом. Вторая ступень выполнена в виде двух ветвей 18, у каждой из которых импеданс равен 62 Ом, причем данные ветви соединены мостиком 19, имеющим импеданс 100 Ом. Каждый выходной терминал 20 с импедансом 50 Ом (обозначенный на фиг. 1, как z1) обращен к контурным блокам. Физический размер данного делителя составляет приблизительно 25×70 мм. В частотном интервале 0,9-2,1 ГГц проиллюстрированный делитель обеспечит уровень изоляции для трансиверного контура, в идеальном варианте составляющий около -37 дБ.
Для системы импульсного радарного уровнемера, относящегося к типу GWR, в типичном случае применяют импульсы с длительностью примерно 1 нс. Наносекундный импульс примерно соответствует частотному интервалу 0,1-1 ГГц. При такой большой относительной ширине полосы (коэффициент 10) потребуется делитель мощности Вилкинсона с увеличенным количеством ступеней. В обычной конструкции использование многоступенчатого делителя мощности Вилкинсона привело бы к проблемам, связанным с его длиной, так что может потребоваться специальная конструкция. На фиг. 3 приведен пример делителя 51 мощности Вилкинсона, сформированного на гибкой подложке 52, которая выполнена, например, из полихлорированных бифенилов. Предусмотрена возможность подложку скатать в ее продольном направлении в виде рулона, сформировав таким образом более компактный компонент. В таком варианте широкополосный делитель мощности можно разместить в небольшом пространстве, и вполне реальным становится использование делителя такого типа, например с шестью ступенями.
На фиг. 4 приведен пример проходного электрического ввода 7 в резервуар. Данный узел снабжен уплотнением 21, в котором сформировано герметизированное электрическое сопряжение, проходящее через стенку 22 резервуара. Для этого в данном случае уплотнение 21, расположенное в стенке резервуара, имеет уплотняющий элемент 23 в виде диэлектрической кольцевой втулки, охватывающей центральный проводник 24. Проходной ввод 7 выполняет также функцию подвески для зонда 6, проходящего в резервуар. С этой целью в проиллюстрированном на фиг. 4 вводе 7 предусмотрен терминал 25, предназначенный для подсоединения зонда и являющийся местом, к которому может быть прикреплен зонд 6. В типичном варианте усилие, приложенное зондом к данному терминалу 25 и, таким образом, к уплотнению 21, весьма существенно: оно может составлять порядка нескольких тонн. Поэтому размеры центрального проводника 24 и кольцевой втулки 23 в нормальном варианте должны быть достаточно прочными, в связи с чем, например, проводник 24 может иметь диаметр 4,8 мм. В результате уплотнение 21 фактически представляет собой коаксиальное соединение, характеризующееся относительно низким импедансом (в типичном случае порядка 50 Ом).
Зонд на основе однопроводной передающей линии может быть сформирован отдельным цельным проводником (так называемой линией Губо) с нанесенным диэлектрическим покрытием, хотя наличие покрытия не является обязательным. Однако во многих приложениях зонд представляет собой стальной трос, сплетенный из множества проволок. В свободном пространстве внутри резервуара его импеданс обычно в несколько раз больше, чем у уплотнения 21 на входе, и в типичном варианте может составлять 350 Ом. В результате присоединения зонда 6 к уплотнению 21, как правило, образуется скачок импеданса между низким импедансом коаксиального сопряжения и импедансом зонда, выполненного на основе однопроводной передающей линии и находящегося в свободном пространстве. Данным скачком импеданса будет инициироваться отражение, которое может повлиять на отражение от поверхности. Чтобы устранить или хотя бы уменьшить этот скачок, предусмотрено наличие согласующего устройства 8. В общем случае желательно уменьшить скачок импеданса до такого значения, при котором вызванное им отражение будет слабее отражения от поверхности находящейся в резервуаре нефти. Кроме того, отражение от скачка импеданса может вызвать утечку между контурными блоками, уже упомянутую выше со ссылкой на фиг. 1, где она обозначена стрелкой В. Таким образом, назначение согласующего устройства заключается в уменьшении утечки этого типа.
В контексте изобретения термин "согласующее устройство" относится к любым элементам, установленным между герметизированным проходным электрическим вводом и зондом, выполненным на основе однопроводной передающей линии и находящимся в свободном пространстве внутри резервуара. В действительности, как будет показано далее, данным устройством часто является устройство, охватывающее однопроводную передающую линию. В таком варианте верхняя часть зонда будет иметь импеданс, постепенно увеличивающийся до уровня "импеданса свободного пространства".
Возможные в данном контексте согласующие устройства известны из уровня техники и описаны, в частности, в US 7636659, включенном в данное описание посредством ссылки. В примере, представленном на фиг. 4, это устройство содержит полый диэлектрический элемент 31 конической формы, охватывающий однопроводной зонд 6.
Согласующее устройство, представленное на фиг. 5, состоит из четырех цилиндрических секций 32a-32d, диаметр которых уменьшается в направлении свободного конца зонда 6 на основе однопроводной линии. Длина каждой цилиндрической секции 32a-32d предпочтительно примерно в четыре раза меньше длины волны, соответствующей центральной частоте сигнала, который передается трансивером 3a, 3b. Такое выполнение позволяет избежать широкополосного скачка импеданса. Выбрав более длинное согласующее устройство, т.е. устройство с дополнительными цилиндрическими секциями, можно получить еще более широкую полосу, обеспечивающую особое преимущество при измерении уровня описанным выше импульсным радаром.
Известны различные конструкции как диэлектрических, так и металлических согласующих устройств. Применительно к максимальному рассогласованию наиболее коротким в общем случае является ступенчатый преобразователь, но, если преобразователь частично перекрыт уровнем нефти, лучше выбрать вариант с непрерывным изменением диаметра. В любом случае отражение от преобразователя должно быть существенно меньше отражения от поверхности нефти, составляющего около -15 дБ. Затухание может находиться на уровне, например, от -20 дБ до -14 дБ.
В большинстве ситуаций наличие изоляции между контурными блоками в комбинации с обычным ограничением входной мощности гарантирует, что возмущение, создаваемое одним контурным блоком, вряд ли достигнет уровней, заметных для другого контурного блока. Однако согласно условиям, предъявляемым техникой безопасности, даже такие маловероятные ситуации должны быть исключены. По этой причине для контурных блоков предусматривается возможность иметь по меньшей мере один переменный рабочий параметр. Например, в импульсном радарном уровнемере частота повторения импульса может иметь переменное значение, изменяющееся в заданных пределах, не влияя существенным образом на работу измерительного прибора. При изменении такого переменного параметра контурный блок сможет отличить реальные сигналы от любых искаженных сигналов, поскольку крайне мала вероятность того, что они в это же время будут отображать такое же изменение данного параметра.
В одном из вариантов изобретения один или несколько рабочих параметров изменяют согласно предварительно заданной программе. Согласно другому варианту такой параметр может быть изменен в ответ на принятые уровнемером контрольные сигналы. Следует отметить, что все контурные блоки могут изменять параметры одновременно. При этом первоочередная задача заключается не в том, чтобы отличить два функциональных контура друг от друга, а только в том, чтобы отличить функциональный контур (т.е. контур, для параметры которого соответственно изменились) от контура, переставшего функционировать (т.е. от контура, параметры которого не изменялись требуемым образом). Надежным является способ, согласно которому изменение выполняют между тремя значениями изменяемого параметра (в идеальном случае получая при этом один и тот же результат) и полученные данные усредняют. Если одно из трех измерений приводит к ошибочному и сильно отклоняющемуся результату, соответствующее значение будет дополнительно скорректировано. Конечно, если два следующих одно за другим измерения приводят к идентичным или близким результатам, третье измерение может оказаться необязательным.
Специалисту будет понятно, что изобретение никоим образом не ограничивается приведенными предпочтительными вариантами его осуществления. Напротив, прилагаемая формула изобретения охватывает также многие другие варианты и модификации. В частности, делитель мощности Вилкинсона и преобразователи импеданса могут выполняться во многих различных вариантах в зависимости от требуемых параметров.
1. Уровнемер для детектирования переменных рабочих параметров, относящихся к расстоянию до поверхности продукта в резервуаре, содержащий:
- первый контурный блок (2а), содержащий первый трансиверный контур для передачи первых передаваемых электромагнитных сигналов и приема первых электромагнитных эхо-сигналов и первый процессорный контур, подключенный к первому трансиверному контуру и определяющий первый переменный рабочий параметр,
- второй контурный блок (2b), содержащий второй трансиверный контур для передачи вторых передаваемых электромагнитных сигналов и приема вторых электромагнитных эхо-сигналов и второй процессорный контур, подключенный ко второму трансиверному контуру и определяющий второй переменный рабочий параметр,
- уплотнение, формирующее герметизированный проходной электрический ввод через стенку резервуара, и
- зонд (6) на основе однопроводной передающей линии, подвешенный механическим образом на указанном уплотнении и проходящий в содержащийся в резервуаре продукт, причем указанный зонд выполнен с возможностью направлять первый и второй передаваемые сигналы в одном и том же режиме распространения в сторону и в объем продукта, содержащегося в резервуаре, и направлять отраженные сигналы в одном и том же режиме распространения обратно к первому и второму контурным блокам,
при этом указанный ввод (7) имеет со стороны указанного зонда первый входной импеданс, а указанный зонд имеет со стороны указанного ввода второй входной импеданс, превышающий первый входной импеданс,
отличающийся тем, что содержит:
- делитель (5) мощности, электрически соединяющий первый трансиверный контур и второй трансиверный контур с указанным электрическим вводом и выполненный с возможностью изоляции в отношении передачи сигнала между первым трансиверным контуром и вторым трансиверным контуром, и
- согласующее устройство (8), обеспечивающее наличие электрически согласованного сопряжения между указанными электрическим вводом и зондом.
2. Уровнемер по п. 1, в котором второй входной импеданс по меньшей мере в четыре раза или по меньшей мере в семь раз больше первого входного импеданса.
3. Уровнемер по п. 1 или 2, в котором первый входной импеданс меньше 50 Ом и/или второй входной импеданс больше 200 Ом.
4. Уровнемер по любому из предыдущих пунктов, в котором делитель мощности создает изоляцию между первым и вторым трансиверными контурами на уровне, обеспечивающем функциональную независимость первого и второго контурных блоков
5. Уровнемер по п. 4, в котором делитель мощности обеспечивает уровень изоляции между первым и вторым трансиверными контурами, равный по меньшей мере 15 дБ, предпочтительно по меньшей мере 20 дБ.
6. Уровнемер по любому из предыдущих пунктов, в котором первый контурный блок и второй контурный блок функционально идентичны.
7. Уровнемер по п. 1, в котором по меньшей мере один из первого и второго контурных блоков (2а, 2b) имеет по меньшей мере один переменный рабочий параметр, такой как частота повторения импульсов или время сканирования.
8. Уровнемер по любому из предыдущих пунктов, в котором передаваемый сигнал состоит из серии импульсов с длительностью порядка наносекунд.
9. Уровнемер по любому из предыдущих пунктов, дополнительно содержащий интерфейс питания, ограничивающий энергию и предназначенный для приема электрической энергии, при этом указанный интерфейс обеспечивает питание первого и второго контурных блоков таким образом, чтобы гарантировать искробезопасность для выполняемой операции.
10. Уровнемер по любому из предыдущих пунктов, в котором делитель (5) мощности представляет собой делитель мощности Вилкинсона или трансформаторный делитель мощности.
11. Уровнемер по п. 9, в котором делитель (51) мощности Вилкинсона сформирован на удлиненном гибком носителе (52), сматываемом в продольном направлении в рулон.
12. Уровнемер по любому из предыдущих пунктов, в котором указанное уплотнение (21) содержит центральный проводник и диэлектрическую втулку, охватывающую центральный проводник.
13. Способ детектирования переменных рабочих параметров, относящихся к расстоянию до поверхности продукта, содержащегося в резервуаре, включающий следующие операции:
- передают первый электромагнитный сигнал,
- передают второй электромагнитный сигнал,
- подают первый и второй электромагнитные сигналы на выполненный в стенке резервуара герметизированный проходной электрический ввод, одновременно с этим обеспечивая наличие изоляции между первым и вторым переданными сигналами,
- электрически согласовывают входной импеданс указанного электрического ввода и входной импеданс зонда, выполненного на основе однопроводной передающей линии и проходящего в содержащийся в резервуаре продукт,
- подают первый и второй передаваемые сигналы от указанного электрического ввода на указанный зонд,
- направляют первый и второй передаваемые сигналы вдоль зонда в сторону и в объем продукта, содержащегося в резервуаре,
- направляют первый и второй отраженные электромагнитные эхо-сигналы в одном и том же режиме распространения вдоль зонда обратно к указанному вводу,
- принимают первый электромагнитный эхо-сигнал,
- принимают второй электромагнитный эхо-сигнал и
- на основе соотношений между передаваемыми сигналами и эхо-сигналами определяют первый и второй переменные рабочие параметры.
14. Способ по п. 13, в котором первый и второй передаваемые сигналы, а также первый и второй эхо-сигналы распространяются в единственном режиме распространения вдоль указанного зонда, выполненного на основе однопроводной передающей линии.
15. Способ по п. 13 или 14, дополнительно включающий изменение по меньшей мере одного рабочего параметра во время выполнения операций передачи сигналов.
