БЕСКОНТАКТНОЕ РАДИОВОЛНОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ

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 устройства, 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 уровнемеры должны обеспечивать достаточно высокую одинаковую точность (до 5 мм) в диапазоне измерения от 0,5 до 20 метров и при этом быть надежными, удобными в эксплуатации и недорогими устройствами. В задачах, связанных с радиоволновым бесконтактным измерением уровня жидкостей, применяются устройства с частотной модуляцией электромагнитных колебаний. К числу их недостатков относится достаточно сложная реализация, вызванная необходимостью применения широкополосных генераторов частотно-модулированных колебаний, а также сложность функциональной обработки информативных сигналов при стремлении обеспечить высокую точность измерения.

Известно также техническое решение - радиоволновое устройство для измерения уровня жидкости в емкости, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.). Данное устройство-прототип содержит генератор электромагнитных волн фиксированной частоты, подсоединенный через основной волновод направленного ответвителя 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 первый генератор через вспомогательный волновод первого направленного ответвителя и первая антенна для приема отраженных электромагнитных волн, выход смесителя подсоединен ко входу вычислительного устройства, являющегося выходным блоком устройства.

Однако существенным недостатком этого устройства, реализующего фазовый способ измерения, является неоднозначность в определении расстояний за счет циклического повторения сигнала с выхода смесителя через каждую половину периода излучаемых электромагнитных волн. Известные способы устранения неоднозначности измерений при применении фазового метода, основанные на использовании измерений на нескольких частотах, используются в основном в радиолокаторах доплеровского типа с селекцией движущихся целей (Вишин Г.М. Многочастотная радиолокация. М: Воениздат, 1973. 92 с.); поэтому они не приспособлены для задач измерения уровня жидкостей.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом устройстве измерения уровня жидкости в емкости 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 вспомагательный выход направленного ответвителя, выход смесителя соединен со входом вычислительного блока, выход которого соединен с управляющим входом переключателя.

Предлагаемое устройство поясняется чертежом, где приведена структурная схема устройства для реализации способа.

На чертеже показаны генератор 1, генератор 2, переключатель 3, направленный ответвитель 4, передающая антенна 5, приемная антенна 6, смеситель 7, вычислительное устройство 8, отражающая контролируемая поверхность 9.

Устройство работает следующим образом.

На 1-м этапе измерений электромагнитные колебания от генератора 1 поступают через переключатель 3, направленный ответвитель 4 на антенну 5. Излучаемые ею электромагнитные волны с частотой f₁ направляются в сторону отражающей поверхности 9. Отраженные от нее волны поступают на приемную антенну 6 и далее на смеситель 7, где его мощность смешивается с частью мощности сигнала от генератора 1, приходящего на смеситель через дополнительный вывод направленного ответвителя 4. Сигнал с выхода смесителя 7 поступает на вход вычислительного устройства 8, где происходит вычисление фазы ϕ₁. Расстояние до отражающей поверхности контролируемой среды L можно вычислить следующим образом:

где N=1, 2, 3, …, λ₁ = с/f₁, с - скорость света в воздухе, ϕ₁ - фаза в рад.

После вычисления и запоминания фазы ϕ₁ на следующем этапе измерений с вычислительного устройства 9 подается сигнал на переключатель 3, в результате чего электромагнитные колебания от генератора 2 поступают через переключатель 3, направленный ответвитель 4 на антенну 5. Излучаемые ею электромагнитные волны с частотой f₂ направляются в сторону отражающей поверхности 9. Отраженные от нее волны поступают на приемную антенну 6 и далее на смеситель 7, где его мощность смешивается с частью мощности сигнала от генератора 2, приходящего на смеситель через дополнительный вывод направленного ответвителя 4. Сигнал с выхода смесителя 7 поступает на вход вычислительного устройства 8, где происходит вычисление фазы ϕ₂. Расстояние L до отражающей поверхности контролируемой среды теперь можно вычислить следующим образом:

где N=1, 2, 3, …, λ₂=с/f₂, с - скорость света в воздухе, ϕ₂ - фаза в рад.

Из уравнений (1) и (2) следует, что , а расстояние до поверхности жидкости

Диапазон однозначного определения расстояния будет зависеть от разности частот f₁ и f₂. Если диапазон однозначности равен L₀ м, λ₁=2L₀/N, то λ₂ должна быть равна 2L₀/(N+1).

тогда , отсюда

Так, например, при f₁=24 ГГц, f₂=24,0375 ГГц будем иметь f₁-f₂,=37,5 МГц, а диапазон однозначного определения уровня L₀ по формуле (4) будет равен 8 м.

Таким образом, данное устройство позволяет решить проблему неоднозначности в фазовом методе измерений уровня жидкости. При этом возможно значительно уменьшить стоимость измерительного устройства, поскольку в данном случае не используются широкополосные СВЧ-компоненты и устройства, такие как генераторы с большой девиацией частоты, тракты и антенны. Использование генераторов с фиксированной частотой позволяет существенно повысить стабильность несущей и уменьшить фазовый шум, что напрямую связано с увеличением точности измерения уровня. Кроме этого, применяемые в данных устройствах антенны, являясь узкополосными, позволяют при тех же габаритах устройств получить значительно лучшие характеристики по направленности излучения, что снижает влияние паразитных переотражений и, таким образом, уменьшает погрешность измерений.