Способ измерения уровня жидкости и сыпучих сред в емкости

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

Известны радиоволновые способы измерения, которые используют для бесконтактного измерения уровня жидких сред в емкостях для хранения нефтепродуктов, химически активных, агрессивных вязких жидкостей и сыпучих сред (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.). При этом реализуемые на основе этих способов уровнемеры должны обеспечивать достаточно высокую одинаковую точность (до 2 мм) в диапазоне измерения от 0,3 до 20 метров и при этом быть надежными, удобными в эксплуатации и недорогими устройствами. В задачах, связанных с радиоволновым бесконтактным измерением уровня жидкостей и сыпучих сред, применяются способы с частотной модуляцией электромагнитных колебаний.

Реализацию способа рассмотрим на примере бесконтактного радиоволнового уровнемера, использующего в работе линейную частотную модуляцию несущей волны (ЛЧМ). Эти частотно-модулированные электромагнитные волны излучаются в сторону поверхности жидкости по нормали к ней. Временное запаздывание отраженной от контролируемой поверхности волны относительно падающей приводит к сдвигу частоты между излученными и отраженными волнами. Этот сигнал разностной частоты (СРЧ) или сигнал биений выделяется на специальном элементе - смесителе, входящем в состав измерительного устройства. В этом случае частота отраженного от поверхности контролируемой среды сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала на величину частоты сигнала биений: , где L - расстояние до поверхности контролируемой среды или уровень, Δƒ - максимальный диапазон перестройки частоты, Т_m - период линейной модуляции, с - скорость света. Из этой формулы следует

Как и у всех частотных дальномеров, здесь имеется методическая дискретная ошибка определения дальности δ, обусловленная конечным числом периодов сигнала биений за время периода модуляции, которое может отличаться от целого:

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

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

Однако при этом методическая дискретная ошибка (2) сохраняется, поскольку спектральный анализ основан на разложении сигнала по целому числу гармоник, в то время как реальный максимум при измерении расстояния может располагаться и между гармониками. Чтобы измерить частоту СРЧ на минимальном расстоянии 0.3 м, надо иметь такую Δƒм, чтобы можно было наблюдать хотя бы один период сигнала СРЧ. Тогда это будет первая гармоника в спектре СРЧ. Из формулы (1) следует, что Д/м в этом случае равна 500 МГц, а ошибка δ равна 0,15 м при диапазоне измерения свыше 0,3 м. Поэтому, чтобы обеспечить приемлемую точность, приходится увеличивать Δƒм; обычно эта величина для промышленных уровнемеров составляет 1÷2 ГГц, что соответствует δ=7,5÷3,75 см. Дальнейшее увеличение точности достигается путем использования сглаживающих процедур (Езерский В.В., Давыдочкин В.М. Оптимизация спектральной обработки сигнала прецизионного датчика расстояния на основе частотного дальномера // Измерительная техника. 2005. №2. С. 21-25). Однако все равно, использование больших значений Δƒм приводит к увеличению дополнительных погрешностей из-за возрастающего влияния нелинейности частотной характеристики СВЧ блоков схемы измерителя, которое приводит к расширению спектра сигнала биений, и, соответственно, к большей ошибке в определении максимума спектральной плотности. Все это вместе с высокой стоимостью широкополосного устройства с высокой равномерностью частотной характеристики приводит к снижению функциональных параметров уровнемера. Кроме этого дополнительные существенные погрешности приносит наличие паразитных переотражений от технологических объектов, присутствующих в зоне измерения, куда попадают электромагнитные волны из-за наличия у антенны конечной диаграммы направленности (ДН). Это приводит к существенным искажениям спектра СРЧ при некоторых уровнях в результате возникновения дополнительных резонансных условий. При низких уровнях сильное влияние оказывает отражение от дна емкости при частичном проникновении излучения через контролируемую среду. В результате приходится использовать более сложные и дорогие антенные системы или использовать более высокочастотный диапазон электромагнитных волн.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом способе измерения уровня жидкости и сыпучих сред в емкости достигается тем, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал разностной частоты на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, записывают эти данные в виде массива выборок за время периода модуляции, вычисляют его спектр S и частоту его максимума ƒ_m. Затем по этой частоте находят ближайший к спектру S спектр S_i, из числа записанных заранее N спектров, при N известных уровнях, соответствующий уровню L_i, вычисляют функцию взаимной корреляции между спектрами S и S_i, по частоте ее максимума и уровню L_i определяют текущий уровень.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы линейно модулированного СВЧ излучения антенны и сигнала, отраженного от поверхности среды и принятого антенной.

На фиг. 3 приведены спектр сигнала биений S и опорные спектры S₁, S₂, …S_i, …S_N, соответствующие уровням L₁, L₂, … L_i, … L_N.

На Фиг. 4 показан график взаимно-корреляционной функции между спектром S и ближайшим к нему спектром S_i.

Устройство содержит (см. фиг. 1) модулятор 1, генератор 2, направленный ответвитель 3, передающую антенну 4, приемную антенну 5, смеситель 6, блок спектральной обработки сигнала 7, вычислительный блок 8.

Способ реализуется следующим образом. Генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН 1 модулирует частоту генератора СВЧ 2, с выхода которого электромагнитные колебания проходят через направленный ответвитель 3 на антенну 4 и излучается в сторону контролируемой поверхности 9. Отраженная электромагнитная волна принимается антенной 5 и поступает на первый вход смесителя 6, а второй поступает часть мощности падающей волны от дополнительного вывода направленного ответвителя 3. Из-за временной задержки τ=2L/с, на выходе смесителя 6 формируется сигнал разностной частоты ƒ_b (см. Фиг. 2), который поступает на вход блока спектральной обработки сигнала 7. В этом блоке производится запись данных в массив за время периода частотной модуляции, определяемого импульсом, поступающим от ГЛИН 1. Затем в этом блоке вычисляется спектр сигнала, который затем подается на вычислительный блок 8. Вся область измерения уровня разделена на N зон, для каждой из которых заранее записывается спектр сигнала биений. Количество и расположение зон определяется степенью искажения спектра из-за паразитных переотражений таким образом, что каждому уровню соответствует свой калиброванный спектр сигнала биений. При измерении уровня сначала по максимальному значению текущего спектра S определяется ближайший калиброванный S_i, затем вычисляется между ними взаимно-корреляционная функция и находится частотный сдвиг, соответствующий ее максимуму ƒ_m (см. Фиг. 4). Текущий уровень определяется по формуле:

Благодаря подобному подходу, удается избежать ошибок, сязанных с искажениями спектра сигнала биений, возникающими от переотражений от разных технологических объектов, нарушающих строгую конфигурацию емкостей (трубы, патрубки, муфты, узлы крепления и т.д.). Кроме этого, при уровнях, близких ко дну емкости, возникает паразитное переотражение от дна, которое искажает спектр в еще большей степени, вплоть до полной невозможности использования обычного способа измерения. Дополнительным преимуществом способа может быть использование при прочих равных условиях более дешевых компонентов для изготовления уровнемеров (антенны с широкой ДНА, нелинейность амплитудно-частотной характеристики и т.д.).