РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР

Радиолокационный уровнемер относится к радиотехнике и может быть использован для построения высокоточных измерителей уровня жидкостей или сыпучих веществ в резервуарах и высотомеров малых высот.

Известны радиолокационный дальномер, описанный в книге [Г.Б.Белоцерковский. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. Радио. - 1975, с.77] и радиолокационный уровнемер диапазона 24 ГГц, приведенный в информационно-рекламном сборнике ГНИП "Исток" ["Новости СВЧ-техники" - №12, 2000], а также радиолокационная станция, приведенная в заявке Японии 30-1591, МКИ⁵ G01S, 13/34 [Реф. журнал "Изобретения стран мира". - 1985, №115, с.29].

Каждое из этих устройств содержит последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, СВЧ генератор с линейной частотной модуляцией, генератор фиксированной частоты, смесители, антенну и контроллер. Перечисленные элементы входят и в состав заявляемого устройства.

Работа всех трех указанных аналогов основана на излучении в направлении отражающей поверхности СВЧ-сигнала с линейной частотной модуляцией, приеме отраженного сигнала, смешивании его с излучаемым, формировании сигнала разностной частоты (частоты биений), и определении по частоте последних расстояния от точки излучения до отражающей поверхности.

Причиной, препятствующей достижению в этих аналогах технического результата, обеспечиваемого изобретением, является относительно низкая точность измерения, обусловленная погрешностью дискретности измерения частоты биений в первом аналоге и нестабильностью девиации частоты, приводящей к изменению крутизны модуляционной характеристики в двух остальных.

Известен также радиолокационный дальномер, защищенный патентом РФ №2151408, G01S 13/34, 2000 г., содержащий последовательно соединенные схему управления, генератор пилообразного напряжения, аналоговый умножитель, модулятор, приемно-передающий модуль, направленный ответвитель и антенну, а также формирователь частотных меток, подключенный ко второму выходу направленного ответвителя, выходы которого соединены со входами схемы управления и дискриминатора интервалов времени, а выход последнего через интегратор подключен ко второму входу умножителя. При этом второй выход приемно-передающего модуля через усилитель разностной частоты соединен со входами частотомера и схемы выделения экстремумов, выход которой подключен к третьему входу схемы управления.

Признаками, общими с заявляемым уровнемером, в этом аналоге являются генератор пилообразного напряжения, модулятор, приемно-передающий модуль, направленный ответвитель, антенна, схема управления (в заявляемом уровнемере ее функции выполняет контроллер) и усилитель разностной частоты.

В этом аналоге с помощью формирователя частотных меток, схемы управления и дискриминатора интервалов времени несколько сокращено изменение крутизны модуляционной характеристики и несколько уменьшена ошибка за счет нестабильности девиации частоты. Дискриминатор интервалов времени, интегратор и умножитель устраняют скачки фазы сигнала разностной частоты. Что позволяет измерять частоту биений не за один, а за несколько циклов изменения частоты зондирующего сигнала, что уменьшает ошибку дискретности.

Причины, препятствующие достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, состоят в следующем.

Некоторое повышение точности обеспечено применением системы автоматического регулирования, что потребовало введения формирователя частотных меток, дискриминатора интервала времени, умножителя, интегратора И схемы выделения экстремумов, что усложнило дальномер.

Кроме того, входящие в состав формирователя частотных меток фильтры отрицательно сказываются на точности стабилизации девиации частоты, а следовательно и на точности измерения дальности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является радиолокационный уровнемер, защищенный патентом РФ на полезную модель №32287 G01S 13/34, 2003 г. и описанный в статье [Чекрыгина И.М., Байлов В.В., Чепелев В.И. Способ повышения точности радарных измерителей уровня жидкости. - Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ОВР. - Москва-Таганрог. - 2001, вып.2. - с.153-157].

Он содержит последовательно включенные высокостабильный генератор, контроллер, генератор пилообразного напряжения, модулятор, приемно-передающий модуль, направленный ответвитель и антенну, усилитель-формирователь сигнала разностной частоты, вход которого соединен с выходом приемно-передающего модуля, а выход - со вторым входом контроллера, и формирователь частотных меток, первый вход которого соединен с выходом направленного ответвителя, второй вход - со вторым выходом высокостабильного генератора, а выход - с третьим входом контроллера. При этом формирователь частотных меток содержит смеситель, генератор гармоник и фильтр гармоник. Узкополосный фильтр и амплитудный детектор, первый вход смесителя является входом формирователя, второй соединен через последовательно включенные генератор гармоник и первый узкополосный фильтр со вторым входом формирователя, а выход - через последовательно включенные второй узкополосный фильтр и амплитудный детектор соединен с выходом формирователя.

Все входящие в состав устройства-прототипа элементы. За исключением генератора гармоник и амплитудного детектора, входящих в состав формирователя частотных меток, входят и в состав заявляемого уровнемера.

Работа устройства-прототипа, как и работа всех остальных упомянутых аналогов, основана на излучении в направлении отражающей поверхности СВЧ-сигнала с линейной частотной модуляцией, приеме отраженного сигнала, смешивании его с излучаемым, формировании сигнала разностной частоты (частоты биений) и определении по частоте биений расстояния от точки излучения и приема отраженного сигнала до отражающей поверхности. Особенностью устройства-прототипа является то обстоятельство, что в нем с помощью формирователя частотных меток определяется не только теоретический, а и фактический временной сдвиг между моментами формирования минимальной и максимальной линейно изменяющихся частот, который затем пересчитывается в фактическую крутизну модуляционной характеристики устройства. Это позволяет в определенной степени сократить погрешность измерения времени перестройки частотно-модулированного сигнала, а следовательно, и повысить точность измерения расстояния от антенны до контролируемой поверхности.

Причиной, препятствующей достижению в устройстве-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является то обстоятельство, что временной сдвиг между началом и окончанием перестройки частоты определяется недостаточно точно. Дело в том, что моменты формирования импульсов, соответствующих началу и окончанию перестройки частоты, определяются со значительной погрешностью, равной полосе пропускания фильтра, включенного последовательно с амплитудным детектором. При этом эта полоса должна составлять величину порядка 1 МГц, иначе сигнал амплитудного детектора вообще не успеет сформироваться. Это существенно снижает в конечном итоге точность измерения. Таким образом, точность измерения в устройстве-прототипе остается относительно низкой.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в известный радиолокационный уровнемер введены второй делитель частоты, второй смеситель, фильтр разностной частоты, второй усилитель-формирователь и третий узкополосный фильтр, первый узкополосный фильтр соединен своим входом с выходом высокостабильного генератора и со входом второго делителя частоты, а выходом - со вторым входом первого смесителя, вход третьего узкополосного фильтра соединен своим входом с выходом второго делителя частоты, а выходом - со вторым входом второго смесителя, первый вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход со входом фильтра разностной частоты, второй усилитель-формирователь включен между выходом фильтра разностной частоты и третьим входом контроллера.

Для достижения технического результата в известный радиолокационный уровнемер, содержащий последовательно включенные высокостабильный генератор, первый делитель частоты, контроллер, генератор пилообразного напряжения, модулятор и приемно-передающий модуль, направленный ответвитель, первый вход-выход которого соединен со входом-выходом приемно-передающего модуля, антенну, вход-выход которой соединен со вторым входом-выходом направленного ответвителя, первый узкополосный фильтр, первый усилитель-формирователь, вход которого соединен с выходом приемно-передающего модуля, первый смеситель, первый вход которого соединен с выходом направленного ответвителя, и второй узкополосный фильтр, вход которого соединен с выходом первого смесителя, введены второй делитель частоты, второй смеситель, фильтр разностной частоты, второй усилитель-формирователь и третий узкополосный фильтр, первый узкополосный фильтр соединен своим входом с выходом высокостабильного генератора и входом второго делителя частоты, а выходом - со вторым входом первого смесителя, вход третьего узкополосного фильтра соединен своим входом с выходом второго делителя частоты, а выходом со вторым входом второго смесителя, первый вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход - со входом фильтра разностной частоты, второй усилитель-формирователь включен между выходом фильтра разностной частоты и третьим входом контроллера.

Совокупность вновь введенных делителя частоты, узкополосного фильтра, фильтра разностной частоты, смесителя и усилителя-формирователя и новых связей неизвестна из имеющихся в распоряжении заявителя источников информации. Поэтому заявляемый радиолокационный уровнемер следует считать новым и соответствующим изобретательскому уровню.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:

- на фиг.1 - структурная схема заявляемого уровнемера;

- на фиг.2 - график зависимости управляющего сигнала от времени на входе модулятора.

Радиолокационный уровнемер содержит высокостабильный генератор 1, первый и второй делители 2 и 3 частоты, контроллер 4, генератор 5 пилообразного напряжения, модулятор 6, приемно-передающий модуль 7, направленный ответвитель 8, антенну 9, узкополосные фильтры 10, 11 и 12, усилители-формирователи 13 и 14, смесители 15 и 16 и фильтр 17 разностной частоты.

Генератор 1, делитель 2, контроллер 4, генератор 5, модулятор 6 и модуль 7 соединены последовательно. Первый вход-выход ответвителя 8 подключен к входу-выходу модуля 7, второй вход-выход - к антенне 9, а выход - к первому входу смесителя 15. Усилитель-формирователь 13 включен между выходом модуля 7 и вторым входом контроллера 4, третий вход которого через последовательно включенные фильтр 17 и усилитель-формирователь 14 подключены к выходу смесителя 16. Выход генератора 1 через фильтр 10 подключен ко второму входу смесителя 15, а через последовательно включенные делитель 3 и фильтр 12 - ко второму входу смесителя 16. Фильтр 11 включен между выходом смесителя 15 и вторым входом смесителя 16.

Работа предлагаемого радиолокационного уровнемера заключается в следующем.

Генератор 1 представляет собой высокостабильный генератор импульсов фиксированной сверхвысокой частоты f_г. Частота f_г точно равна частоте, соответствующей середине диапазона перестройки формируемого в уровнемере СВЧ-сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Она составляет величину порядка 850 МГц. С выхода генератора 1 сформированные им импульсы поступают на входы делителей 2 и 3 частоты и фильтра 10.

В делителе 2 поступившие на его вход импульсы делятся по частоте примерно в 8÷12 раз, а результат деления частотой порядка 10⁸ Гц поступает на первый вход контроллера 4 в качестве тактовых импульсов эталонной частоты.

Контроллер 4 совместно с генератором 5 формируют из тактовых импульсов управляющий пилообразный сигнал для управления линейной частотной модуляцией (фиг.2). Кроме того, контроллер 4 выполняет функции вычислителя при измерении частоты биений и расчетах контролируемого уровня, о чем будет сказано ниже.

Контроллер 4 формирует управляющий сигнал в цифровой форме по заданной программе на основе текущего счета тактовых импульсов и соответствующего изменения направления, скорости или приостановки счета. Генератор 5 по существу представляет собой высокоскоростной цифроаналоговый преобразователь и преобразует управляющий сигнал из цифровой формы в аналоговую (фиг.2).

Цикл управления включает два основных участки. Первый - плавно линейно нарастающий, длительностью порядка 2 мс, второй - резко спадающий. Каждый из этих участков дополнительно содержит в своем составе участок постоянного уровня, длительностью порядка 10 мкс.

Под действием управляющего сигнала с выхода генератора 5 и модулятора 6 осуществляется линейная перестройка частоты СВЧ-генератора, входящего в состав модуля 7.

Со входа-выхода модуля 7 ЛЧМ сигнал поступает на ответвитель 8, со второго входа-выхода которого основная часть его мощности через антенну 9 излучается в направлении отражающей поверхности. С выхода ответвителя 8 незначительная часть этой мощности поступает на первый вход смесителя 15.

Отраженный от поверхности жидкости сигнал, опаздывающий относительно излученного на время, пропорциональное расстоянию от антенны 9 до отражающей поверхности, через антенну 9, ответвитель 8 поступает на СВЧ вход-выход модуля 7. В модуле 7 формируется сигнал разностной частоты, не превышающей десятков килогерц (сигнал частоты биений F_б), который отфильтровывается входящим в состав модуля 7 фильтром и с выхода модуля 7 через усилитель-формирователь 13 поступает на второй вход контроллера 4. В усилителе-формирователе 13 сигнал частоты F_б усиливается и ограничивается по амплитуде, превращаясь по существу в прямоугольный импульс типа "меандр".

При поступлении сигнала частоты биений F_б тина "меандр" на второй вход контроллера 4 в последнем осуществляется измерение периода следования этого сигнала путем подсчета числа импульсов тактовой частоты, умещающихся в целом числе периодов сигнала биений. Учитывая высокую частоту тактовых импульсов, можно сделать вывод, что погрешность дискретности при измерении частоты биений крайне мала.

Описанный процесс формирования зондирующего СВЧ ЛЧМ сигнала, прием отраженного сигнала, формирования сигнала разностной частоты и ее измерения аналогичен соответствующему процессу в устройстве-прототипе. Существенная разница лишь в форме управляющего сигнала (фиг.2). Поскольку частота тактовых импульсов в контроле заявляемого устройства на порядок выше, чем в устройстве-прототипе, то и точность измерения частоты биений в предлагаемом уровнемере не ниже, чем в прототипе.

Расстояние h от точки излучения зондирующего сигнала до отражающей поверхности вычисляется в предлагаемом устройстве, как и в устройстве-прототипе по формулам:

где С=3·10⁸ м/с - скорость света.

f_н и f_в - соответственно наименьшее и наибольшее значения частоты в процессе ее линейного изменения (фиг.2);

Т - время линейного увеличения частоты в течение одного цикла в переделах от f_н до f_в;

Δf - девиация частоты.

Промежуток времени Т имеет величину порядка 2 мс. Он формируется с помощью контроллера 4 из тактовых импульсов, имеющих высокую частоту и стабильность. Поскольку частота этих импульсов выше, чем в устройстве-прототипе, то и точность определения параметра Т в заявляемом уровнемере не ниже, чем в устройстве-прототипе.

Основным источником погрешности в уровнемерах и высотомерах на основе использования ЛЧМ зондирующего сигнала является наличие отличия фактических параметров f_н и f_в от расчетных. Для минимизации этих отличий в предлагаемом уровнемере используется приостановка линейного изменения частоты на короткие промежутки времени длительностью τ порядка 10 мкс (фиг.2) и измерение фактических значений частот f_н и f_в в эти промежутки времени с помощью делителя 3, фильтров 10, 11, 12 и 17, смесителей 15, 16, усилителя-формирователя 14 и контроллера 4.

Это осуществляется следующим образом.

Частота генератора 1 выбирается точно равной середине диапазона линейного изменения частоты зондирующего сигнала. Примем для определенности f_г=850 МГц; f_н=700 МГц; f_в=1000 МГц; Δf=300 МГц. Выбранные значения расчетные. Фактически они могут отличаться от расчетных (теоретических). Примем для определенности, что эти отличия δ_э находятся в пределах ±2 МГц, то есть |δ_f|≤2 МГц.

Управление изменением каждой из фактических частот f_н и f_в осуществляется контроллером 4. В промежуток времени τ, когда несущая частота остается на уровне f_н с погрешностью, не превышающей |δ_f|, осуществляется измерение фактической частоты f_н. С выхода ответвителя 8 не изменяющийся в течение промежутка времени τ сигнал частотой f_н=(700±2) МГц поступает на первый вход смесителя 15. С помощью смесителя 15 и фильтров 10 и 11 этот сигнал переносится на промежуточную частоту 150 МГц, точно равную половине девиации Δf.

Фильтр 10 настроен на частоту 850 МГц и является достаточно узкополосным. Он пропускает на свой выход и второй вход смесителя 15 только первую гармонику импульсного сигнала генератора 1, поступающего на его вход. Отфильтрованный фильтром 10 сигнал является в смесителе 15 гетеродинным. В смесителе 15 формируются сигналы, равные сумме и разности частот входных сигналов.

Фильтр 11, как и фильтр 10, является узкополосным. Он настроен на промежуточную частоту f_пр≈150 МГц. Сигнал суммарной частоты порядка 1550 МГц подавляется этим фильтром, а сигнал разностной частоты, равной (150±2) МГц, усиливается и поступает на первый вход смесителя 16.

Делитель 3 имеет такой коэффициент деления - целое число, при котором результат деления отличался от промежуточной частоты 150 МГц на величину порядка 10 МГц. Например, при принятой частоте генератора 1850 МГц и коэффициенте деления делителя 3, равном 6, результат деления составляет 141,667 МГц, что отличается от значения промежуточной частоты f_пр на 8,333 МГц.

Этот сигнал в дальнейшем выполняет функцию опорного сигнала. Обозначим его частоту f_оп=141,667 МГц.

Фильтр 12 является узкополосным и настроен именно на эту частоту. Он пропускает на свой выход и на второй вход смесителя 16 только первую гармонику импульсного сигнала частотой f_оп. Отфильтрованный фильтром 12 сигнал является в смесителе 16 гетеродинным.

В смесителе 16 формируются сигналы с частотами, равными сумме и разности частот входных сигналов.

Фильтр 17 настроен на центральную частоту, равную разности промежуточной f_пр и опорной f_оп частот, составляющую примерно 8 МГц. Полоса его пропускания примерно 6 МГц. Сигнал суммарной частоты порядка 300 МГц подавляется этим фильтром, а сигнал разностной частоты , ориентировочно находящийся в пределах (6÷12) МГц, усиливается и поступает с выхода фильтра 17 на вход усилителя-формирователя 14. Этот сигнал в дальнейшем будем называть сигналом высокочастотных биений.

Для измерения частоты сигнал высокочастотных биений с помощью усилителя-формирователя 14 усиливается и ограничивается по амплитуде, превращаясь по существу в сигнал типа "меандр", который поступает с выхода усилителя-формирователя 14 на третий вход контроллера 4. В последующем осуществляется измерение частоты путем подсчета числа импульсов тактовой частоты, умещающихся в целом числе полупериодов сигнала высокочастотных биений. Это число легко пересчитывается в частоту . Учитывая частоту тактовых импульсов 10⁸ Гц, можно сделать вывод, что точность измерения частоты достаточно высока.

Фактические значения частоты , то есть значение частоты f_н с учетом погрешности δ_f связано с частотой соотношением:

Частоты f_г и f_оп - фиксированные величины. Сигналы этих частот формируются высокостабильным генератором 1 и делителем 3 и практически не изменяются в процессе работы уровнемера. Поэтому точность измерения частоты определяется по существу точностью измерения частоты , поэтому является достаточно высокой.

Определение фактического значения частоты , то есть значения частоты f_в с учетом погрешности δ_f осуществляется аналогично определению значения . Разница лишь в том, что частота сигнала высокочастотных биений измеряется в короткий промежуток времени τ, когда частота зондирующего сигнала остается на уровне f_в с погрешностью, не превышающей по модулю 2 МГц, а частота определяется из соотношения:

Таким образом, в предлагаемом уровнемере фактические значения частот f_н и f_в определяются с достаточно высокой точностью, как и частота F_б биений, значит с высокой точностью определяется и их разность f_в-f_н, используемая в формуле (1) при расчете расстояния h от точки излучения зондирующего сигнала до отражающей поверхности.

Точка излучения зондирующего сигнала находится на краю резервуара с жидким или сыпучим веществом, уровень которого подлежит контролю.

Уровень У контролируемого вещества определяется из соотношения:

где У_max - максимально возможный уровень контролируемого вещества, то есть высота резервуара.

Из выражений (1)÷(5) видно, что точность измерения уровня У определяется точностью измерения частоты F_б биений, а последняя определяется точностью измерения фактической разности частот f_в-f_н. Выше показано, что точность определения частоты F_б биений в предлагаемом уровнемере не ниже, чем в устройстве-прототипе. То же самое можно сказать и об определении уровня У. В предлагаемом устройстве единственным источником погрешности при определении разности частот f_в и f_н является погрешность дискретизации при определении частот и , которая при частоте тактовых импульсов в контроле 4 порядка 10⁸ Гц крайне незначительна.

В устройстве-прототипе фактические частоты f_в и f_н либо вообще не могут быть определены и в формулах (1) и (2) для расчета расстояния h используются теоретические значения частот f_в и f_н, либо они определяются с большой погрешностью. Она обусловлена тем, что в этом устройстве кроме погрешности дискретизации при измерении временного сдвига между моментами начала и окончания перестройки частоты, как отмечалось выше, имеет место большая погрешность, обусловленная тем, что сами моменты формирования импульсов, соответствующие моментам установления частот f_н и f_в, определяются с большой погрешностью. Это позволяет сделать вывод, что и окончательный результат измерения, контролируемый уровень вещества в резервуаре в предлагаемом уровнемере, определяется с большей точностью, чем в прототипе.

Предлагаемый уровнемер достаточно легко реализуем. В качестве высокостабильного генератора 1, делителей частоты 2 и 3, контроллера 4, генератора 5 пилообразного напряжения, модулятора 6, приемно-передающего модуля 7, направленного ответвителя 8, антенны 9, узкополосных фильтров 10, 11 и 12, усилителей-формирователей 13 и 14, смесителей 15 и 16 могут быть использованы элементы, соответствующие элементам устройства-прототипа.