Радиолокационный уровнемер

 

Уровнемер используется для определения неконтактным способом уровня веществ, включая агрессивные, ядовитые и взрывоопасные среды в хранилищах и замкнутых резервуарах на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности. Прибор реализует принцип ближней радиолокации с использованием импульсной двухдиапазонной линейно-частотной модуляции сигнала в миллиметровом диапазоне длин волн. Уровнемер содержит антенный блок, смеситель, синхронизатор, два циркулятора, два фильтра, два генератора модулирующего сигнала, усилитель, калибровочный волновод, ответвитель, счетчик, индикатор, СВЧ-генератор, блок управления, два выключателя, ключевой формирователь, цифроаналоговый преобразователь, аттенюатор поглощающий, механический аттенюатор, генератор прокачки, два ограничителя, управляемую нагрузку, коммутатор, суммирующий усилитель, блоки: опорных напряжений, микропроцессорный, преобразователей уровня, пороговый и компенсации. Блоки и элементы устройства связаны между собой функционально. Повышена точность измерения. 3 з.п. ф-лы, 8 ил.

Уровнемер относится к области измерительной аппаратуры для определения неконтактным способом уровня жидких и сыпучих материалов, включая агрессивные, ядовитые и взрывчатые среды и может быть применен в открытом пространстве, в хранилищах и замкнутых резервуарах на предприятиях химической, нефтеперерабатывающей, пищевой и др. отраслей промышленности.

Известен уровнемер, содержащий СВЧ-генератор, антенный блок, смеситель, синхронизатор, циркулятор, первый и второй фильтры, два генератора модулирующего сигнала, ответвитель, счетчик, индикатор, блок управления. В нем содержится N датчиков уровня, каждый из которых содержит антенну, поляризатор, ответвитель циркулятор, вертикальный волновод и сумматор (см. патент РФ N 2010182, МКП⁵ G 01 F 23/28, 1992 г.).

Этот уровнемер действительно имеет ряд преимуществ перед своими предшественниками, в частности перед прототипом, а.с. СССР N 640127, кл. G 01 F 23/28, 1975 г.

Но он имеет и недостатки, связанные ограниченной точностью измерения и значительными габаритами. Это является следствием его структурной схемы, которая позволяет работать только с радиоизлучением сантиметрового диапазона длин волн.

Перед авторами стояла задача создания малогабаритного, надежного в работе прибора, измеряющего с высокой точностью уровень продукта в закрытом объеме.

Эта задача решена за счет того что в уровнемер, содержащий антенный блок, смеситель, синхронизатор, первый циркулятор, первый и второй фильтры, первый и второй генераторы модулирующего сигнала, ответвитель, счетчик, индикатор, СВЧ-генератор, блок управления, усилитель и волновод, дополнительно введены два отражающих выключателя, управляемый усилитель, ключевой формирователь, второй циркулятор, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), поглощающий аттенюатор, механический аттенюатор, генератор прокачки, два ограничителя, калибровочный волновод, управляемая нагрузка, коммутатор, суммирующий усилитель и блоки: опорных напряжений, микропроцессорный, преобразователей уровня, пороговый и компенсации. Усилитель выполнен в виде управляемого усилителя, а волновод является калибровочным.

При этом антенный блок соединен с первым отражающим выключателем, соединенным с блоком преобразователя уровня и первым циркулятором, вход которого соединен с выходом поглощающего аттенюатора, один вход которого соединен с блоком преобразования уровня, а другой - с одним из выходов ответвителя, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, а другой выход соединен с вторым циркулятором, соединенным с механическим аттенюатором и смесителем, второй вход которого соединен с первым циркулятором, а выход - с блоком компенсации, второй вход которого соединен с выходом второго генератора модулирующего сигнала, а выход с входом первого фильтра, второй вход которого соединен с микропроцессорным блоком, а выход - с вторым фильтром и первым ограничителем, выход которого соединен с коммутатором, второй вход которого соединен с вторым ограничителем, вход которого соединен с выходом второго фильтра, выходы микропроцессорного блока соединены с индикатором, синхронизатором и первым входом цифроаналогового преобразователя, блок управления соединен с микропроцессорным блоком, второй вход цифроаналогового преобразователя соединен с блоком опорных напряжений, а выход - с первым генератором модулирующего сигнала, второй вход которого соединен с блоком опорных напряжений, а третий вход - с ключевым формирователем, входы которого соединены с блоком опорных напряжений и синхронизатором, второй выход которого соединен с управляемым усилителем, второй вход которого соединен с первым генератором модулирующего сигнала, а выход - с вторым генератором модулирующего сигнала, выход которого дополнительно соединен с суммирующим усилителем, выход которого соединен с СВЧ-генератором, третий выход синхронизатора соединен с генератором прокачки, выход которого соединен с суммирующим усилителем, выход коммутатора соединен с пороговым блоком, выход которого соединен со счетчиком, выход которого соединен с микропроцессорным блоком, четвертый выход которого соединен с коммутатором, механический аттенюатор, второй отражающий выключатель, калибровочный волновод и управляемая нагрузка последовательно соединены между собой, второй выход блока преобразователей уровня соединен с вторым отражающим выключателем, синхронизатор дополнительно соединен выходами с микропроцессорным блоком и счетчиком.

Первый фильтр выполнен в виде последовательно соединенных первого управляемого фильтра, третьего ограничителя, второго управляемого фильтра и четвертого ограничителя, при этом управляемые фильтры соединены с микропроцессорным блоком.

Управляемая нагрузка выполнена в виде последовательно соединенных отражателя, третьего циркулятора, третьего выключающего отражателя и поглощающей нагрузки.

Блоки компенсации выполнены в виде последовательно соединенных фильтра низких частот и вычитателя.

Заявляемый уровнемер обладает совокупность существенных признаков, не известных из уровня техники для приборов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна" для изобретения.

Заявляемый радиолокационный уровнемер, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, где на фиг.1 приведена структурная схема; на фиг.2 - схема первого фильтра; на фиг.3 - схема управляемой нагрузки; на фиг.4 - схема блока компенсации; на фиг.5, 6, 7 и 8 - эпюры напряжений и графики.

Радиолокационный уровнемер содержит антенный блок 1, первый отражающий выключатель 2, смеситель 3, блок компенсации 4, ключевой формирователь 5, блок опорных напряжений 6, синхронизатор 7, микропроцессорный блок 8, первый циркулятор 9, второй циркулятор 10, первый фильтр 11, блок преобразователей уровня 12, первый генератор модулирующего сигнала 13, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 14, поглощающий аттенюатор 15, механический аттенюатор 16, второй фильтр 17, первый ограничитель 18, управляемый усилитель 19, генератор прокачки 20, второй отражающий выключатель 21, ответвитель 22, калибровочный волновод 23, второй ограничитель 24, пороговый блок 25, второй генератор модулирующего сигнала 26, счетчик 27, индикатор 28, СВЧ-генератор 29, управляемую нагрузку 30, коммутатор 31, суммирующий усилитель 32 и блок управления 33.

Первый фильтр 11 выполнен в виде последовательно соединенных первого управляемого фильтра 34, третьего ограничителя 35, второго управляемого фильтра 36 и четвертого ограничителя 37, при этом управляемые фильтры 34 и 36 соединены с микропроцессорным блоком 8.

Управляемая нагрузка 30 выполнена в виде последовательно соединенных отражателя 38, третьего циркулятора 39, третьего выключающего отражателя 40 и поглощающей нагрузки 41.

Блок компенсации 4 выполнен в виде последовательно соединенных фильтра низких частот 42 и вычитателя 43.

При этом антенный блок 1 соединен с первым отражающим выключателем 2, который соединен с первым циркулятором 9, блоком преобразователей уровня 12 и управляемой нагрузкой 30. Смеситель 3 соединен с первым циркулятором 9, блоком компенсации 4 и вторым циркулятором 10. Блок компенсации 4 еще соединен с первым фильтром 11 и вторым генератором модулирующего сигнала 26. Ключевой формирователь 5 соединен с блоком опорных напряжений 6, синхронизатором 7 и первым генератором модулирующего сигнала 13. Блок опорных напряжений 6 дополнительно соединен с первым генератором модулирующего сигнала 13, ЦАП 14 и суммирующим усилителем 32. Синхронизатор 7 еще соединен с микропроцессорным блоком 8, генератором прокачки 20 и счетчиком 27, который соединен с микропроцессорным блоком 8 и пороговым блоком 25, соединенным с коммутатором 31. Микропроцессорный блок 8 кроме того соединен с первым фильтром 11, блоком преобразования уровня 12, ЦАП 14, коммутатором 31, индикатором 28 и блоком управления 33. Первый циркулятор 9 еще соединен с поглощающим аттенюатором 15, соединенным с ответвителем 22, вторым отражающим выключателем 21 и блоком преобразования уровня 12. Второй циркулятор 10 дополнительно соединен с ответвителем 22 и механическим аттенюатором 16, соединенным с вторым отражающим выключателем 21, соединенным с калибровочным волноводом 23, соединенным с управляемой нагрузкой 30. Первый фильтр 11 кроме того соединен с вторым фильтром 17 и первым ограничителем 18. Первый генератор модулирующего сигнала 13 соединен дополнительно с ЦАП 14 и управляемым усилителем 19, соединенным с вторым генератором модулирующего сигнала 26, соединенным с суммирующим усилителем 32, соединенным с СВЧ-генератором 29, соединенным с ответвителем 22, соединенным с поглощающим аттенюатором 15. Коммутатор 31 соединен дополнительно с первым ограничителем 18, вторым ограничителем 24 и пороговым блоком 25, соединенным со счетчиком 27.

Радиолокационный уровнемер работает следующим образом.

В момент включения уровнемера или при нажатии кнопки "Сброс" входящей в состав блока управления 33 в микропроцессорном блоке 8 вырабатывается сигнал обнуления контроллера, после чего уровнемер переводится в режим работы "Калибровка". В этом режиме на вход блока преобразователей уровня 12 с микропроцессорного блока 8 подается сигнал в виде уровня логической единицы, приводящий к появлению на выходах блока 12 сигналов в виде необходимых уровней тока. При этом первый и третий 40 (см. фиг.3) выключатели отражающие начинают работать на отражение поступающих на них СВЧ колебаний, а второй выключатель отражающий 21 начинает работать в режиме пропускания поступающих на него СВЧ-колебаний. Аттенюатор поглощающий 15 уменьшает мощность СВЧ колебаний до уровня, необходимого для нормальной работы смесителя 3.

СВЧ частотно-модулированные (ЧМ) колебания с СВЧ-генератора 29, проходя через ответвитель 22, второй циркулятор 10, механический аттенюатор 16, второй выключатель отражающий 21 поступают на калибровочный волновод 23 эталонный длины, для уменьшения габаритов свернутый в спираль. Проходя через калибровочный волновод 23 СВЧ колебания поступают на вход управляемой нагрузки 30. В нагрузке 30 задержанные по времени ЧМ СВЧ-колебания через третий циркулятор 39 поступают на третий выключатель 40 и отражаясь от него через третий циркулятор 39 и отражатель 38 возвращаются на вход управляемой нагрузки 30. Далее эти ЧМ СВЧ колебания через калибровочный волновод 23, выключатель отражающий 21, механический аттенюатор 15, второй циркулятор 10 поступают на вход смесителя 3. На второй вход смесителя 3 СВЧ сигнал в режиме "Калибровка" поступает пройдя от СВЧ-генератора 29 через ответвитель 22, аттенюатор поглощающий 15, первый циркулятор 9, отразившись от выключателя 2 через циркулятор 9.

В антенный блок 1 в режиме "Калибровка" поступает лишь незначительная часть мощности СВЧ-генератора 29, обусловленная конечным затуханием, вносимым выключателем 2 и аттенюатором 15. Это обуславливает экологическую безопасность при использовании уровнемера в носимом варианте.

Таким образом, в режиме "Калибровка" на входы смесителя 3 поступают ЧМ СВЧ колебания с различными задержками: опорный сигнал с задержкой, обусловленный в основном длиной калибровочного волновода 23 и измерительный сигнал с фиксированной минимальной задержкой, обусловленной геометрическими размерами СВЧ компонентов. Причем задержки сигналов в циркуляторах 9 измерительного и 10 опорного каналов, выключателях 2 измерительного и 40 опорного каналов одинаковы. Одинаковы также за счет конструктивного выполнения задержки сигналов опорного и измерительного сигналов в ответвителе 22.

Сигнал биений между опорным и измерительным сигналами с выхода смесителя 3 поступает на блок компенсации 4. Величина частоты биений определяется двойной длиной калибровочного волновода, величиной Δf девиации 4М СВЧ колебаний, периодом модулирующего сигнала.

На выходе смесителя 3 кроме сигнала биений присутствует также сигнал "пролаза", обусловленный паразитной амплитудной модуляцией мощности СВЧ-колебаний генератора 29 с частотой где Т_м - частота модулирующего сигнала (за счет прямого детектирования). Для компенсации этого "пролаза" вычислитель 43 блока компенсации 4 производит вычитание из сигнала с выхода смесителя 3 части сигнала второго генератора модулирующего сигнала 26, прошедшего для задержки и коррекции формы фильтр нижних частот 42 (см. фиг.4). С выхода блока компенсации 4 сигнал биений и оставшаяся часть "пролаза" поступают на вход первого фильтра 11 с переключаемой амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

АЧХ первого фильтра формируется первым 34 и вторым 36 управляемыми фильтрами (см. фиг.2). Для обеспечения работы фильтра в широком динамическом диапазоне амплитуды входного сигнала используются третий 35 и четвертый 37 ограничителя. В зависимости от сигнала управления, поступающего с микропроцессорного блока 8, АЧХ первого фильтра имеет либо спад, либо подъем высоких частот, соответствующих условиям L_изм. < L_пор. или L_изм≥L_пор, где L_изм. - измеряемая дальность, L_пор. - пороговое фиксированное значение дальности (хранится в постоянной памяти микропроцессорного блока 8). Технически управляемые фильтры 34 и 36 реализованы путем коммутации емкостей фильтров. В режиме "Калибровка" АЧХ первого фильтра 11 имеет спад в области высоких частот, что повышает точность измерения длины калибровочного волновода за счет уменьшения напряжения шумов. АЧХ первого фильтра имеет также крутой спад в области нижних частот соответствующих частоте сигнала "пролаза", т.е. F_n1.

С выхода первого фильтра 11 сигнал поступает на первый ограничитель 18 и последовательно соединенные второй фильтр 17 и второй ограничитель 24. Во втором фильтре 17 осуществляется дополнительное формирование АЧХ измерительного канала соответствующего условию L_изм. < L_пор. (спад АЧХ в области высоких частот). Сигналы с первого 18 и второго 24 ограничителей поступают на информационные входы коммутатора 31. При выполнении условиях L_изм. < L_пор. на выход коммутатора пройдет сигнал со второго ограничителя 24, а при выполнении условия L_изм.> L_пор. - с первого ограничителя 18. В режиме "Калибровка" на выход коммутатора 31 поступает сигнал со второго ограничителя 24. Этот сигнал далее поступает на пороговый блок 25, который может быть выполнен в виде компаратора с гистерезисом. Пронормированный по амплитуде сигнал с частотой биений с выхода порогового блока 25 поступает на счетчик 27, где его частота понижается в N раз. Коэффициент деления N определяется по формуле: , где f_δmax - частота сигнала биений на максимальной дальности F_max - максимально возможное значение частоты на счетном входе микропроцессорного блока 8.

Для синхронизации работы уровнемера и микропроцессорного блока 8 на вход синхросигнала 7 поступает сигнал F_синхр. с блока 8. В синхронизаторе 7, который может быть выполнен в виде двоичного счетчика, формируются сигналы: модулирующей частоты быстрой модуляции F_n1 , модулирующей частоты медленной модуляции F_n2 , модулирующей частоты прокачки F_n3 , частоты циклов измерения F_ц и частоты обнуления счетчика F_об.. Указанные частоты формируются из частоты F_синхр. и кратны целому числу периодов быстрой модуляции F_n1 . Например, в частном случае эти частоты могут быть связаны между собой следующими соотношениями:



F_об.=F_ц.

Эпюры указанных сигналов приведены на фиг. 5а, б, в, г (без соблюдения коэффициентов деления).

Прямоугольный сигнал медленной модуляции F_n2 (см. эпюру а на фиг. 5) поступает на управляющий вход ключевого формирователя 5. На входы питания ключевого формирователя 5 поступают равные по величине, но противоположные по знаку напряжения +U_оп. и -U_оп. с выходов блока опорных напряжений 6. Таким образом, на выходе формирователя 5 формируется двуполярный прямоугольный сигнал частотой повторения F_n2 , постоянная составляющая которого равна нулю, так как скважность этого сигнала равна двум, а амплитуды положительной и отрицательной полуволн равны по величине (см. эпюру на фиг. 5). Этот сигнал, поступая на вход первого генератора модулирующего сигнала 3, формирует на его выходе пилообразный модулирующий сигнал медленной прокачки (эпюра с фиг. 6) смещенной относительно нулевого уровня на величину U_см.. Величина напряжения U_см. образуется за счет суммирования постоянного опорного напряжения с выхода блока опорных напряжений 6 и регулируемого напряжения с выхода цифроаналогового преобразователя (ЦАП), на опорный вход которого подано напряжение с выхода блока 6 опорных напряжений. Цифровые входы управления ЦАП 14 подключены к выходной шине данных микропроцессорного блока 8. После обнуления микропроцессорного блока 8 по этой шине передается нулевой код. Напряжение на выходе ЦАП 14 при этом равно нулю. Следовательно, в момент включения режима "Калибровка" постоянное напряжение U_см. будет определяться только величиной опорного напряжения блока 6. Суммарное напряжение с выхода первого генератора модулирующего сигнала 13 поступает на управляющий усилитель 19, на управляющий вход которого поступает прямоугольный модулирующий сигнал быстрой модуляции F_n1 . Управляемый усилитель в зависимости от сигнала управления имеет коэффициент передачи либо +1 (на управляющем входе сигнал логического нуля), либо - 1 (на управляющем входе сигнал логической единицы). Таким образом, управляемый усилитель 19 выполняет функцию перемножителя и на его выходе формируется сигнал представленный на фиг. 5 эпюра 3. При подаче такого сигнала на второй генератор модулирующего сигнала 26, выполненного в виде интегрирующего фильтра нижних частот, на его выходе образуется пилообразный модулирующий сигнал быстрой модуляции, промодулированный модулирующим сигналом медленной модуляции. Амплитуда модулирующего сигнала быстрой модуляции определяется напряжением U_см., а глубина амплитудной модуляции определяется амплитудой модулирующего сигнала медленной прокачки (см. эпюру и на фиг. 5). После суммирования модулирующего сигнала быстрой прокачки (см. эпюра"а" на фиг. 6) с сигналом генератора прокачки 20 (эпюра "в" на фиг. 6) и постоянным опорным напряжением с блока 6 опорных напряжений в суммирующем усилителе 32 образуется модулирующий сигнал (см. эпюру "г" на фиг. 6) СВЧ генератора 29, который осуществляет ЧМ генератора.

Измерение длины калибровочного волновода осуществляется следующим образом.

Перед началом измерений синхронизатор 7 вырабатывает импульс обнуления счетчика 27 и подает сигнал логического нуля с частотой F_у циклов измерения (см. эпюры "в" и "г" на фиг. 5) на микропроцессорный блок 8. При этом импульсы частоты биений поделенные счетчиком 27 в N раз поступают на счетный вход микропроцессорного блока 8, где подсчитываются таймером (на фигурах не показан) в течение интервала времени Т_изм. (см. эпюру "г" на фиг. 5). Длительность интервала измерения Т_изм. заранее известна и кратна целому числу периодов быстрой F_n1 и медленной F_n2 модуляции. В момент времени t₀ (см. эпюру "в" на фиг.5) счет импульсов таймером микропроцессорного блока 8 прекращается. Результат счета, пропорциональный длине калибровочного волновода, поступает на индикатор 28.

В интервале обработки T_обр. измеренное L_измi значение длины калибровочного волновода 23 сравнивается с эталонным значением L_эт., хранимым в постоянной памяти микропроцессорного блока 8. Сравнение разности L_эт - L_измi или L_изм-L_эт. с пороговым значением П осуществляется в блоке 8.

Так как при включении режима "Калибровка" на ЦАП 14 с микропроцессорного блока 8 подается нулевой код, то измеренное L_изм. значение длины калибровочного будет меньше эталонного значения. Это обусловлено тем, что амплитуда сигнала быстрой прокачки, зависящая от величины напряжения U_см. и определяющая величину девиации Δf ЧМ СВЧ-колебаний, будет меньше номинального значения. Микропроцессорный блок 8 при выполнении условия L_эт. -L_изм начинает увеличивать значение кода, подаваемого на ЦАП 14, причем в течение интервала измерения Т_изм. величина кода не изменяется. После изменения кода осуществляется измерение длины калибровочного волновода L_изм.i+1 при новом увеличенном значении напряжения U_см, а следовательно при новом значении величины девиации Δf ЧМ СВЧ колебаний. Новое значение длины калибровочного волновода отображается блоком индикации 28.

Увеличение кода при выполнении условия (L_эт - L_измi)> П или уменьшение кода при выполнении условия (L_изм.- L_эт) < П производится поразрядным уравновешиванием и выполнено программным путем в микропроцессорном блоке 8.

При некотором значении кода на выходах ЦАП 14 выполняется условие (L_эт.-L_изм)≅П, где П - константа. Величина П в частном случае может быть равна 0. Выполнение этого условия означает конец операции калибровки уровнемера. С этого момента в блоке индикации загорается светодиод "ГОТОВ" (на фиг. не показан), свидетельствующий о готовности уровнемера к проведению измерени. При изменении по каким-либо причинам установленной величины девиации ΔF процесс калибровки автоматически повторяется.

Если при горящем светодиоде "ГОТОВ" нажать кнопку "ИЗМЕРЕНИЕ" (на фиг. не показана) блока управления 33, то уровнемер перейдет в режим работы "ИЗМЕРЕНИЕ". В этом режиме последовательно во времени осуществляются циклы измерения расстояния D_бл.3 и D_д.3. и циклы калибровки уровнемера (см. фиг. 7).

Измерение расстояния осуществляется следующим образом. При нажатии кнопки "ИЗМЕРЕНИЕ", входящей в состав блока управления 33, микропроцессорный блок 8 снимает сигнал логической единицы со входа блока преобразователей уровня 12. На выходе блока 12 сигналы управления изменяются таким образом, что первый 2 и третий 40 выключатели начинают работать в режиме пропускания поступающих на них СВЧ колебаний, а второй 21 выключатель в режиме отражения. Аттенюатор поглощающий 15 с минимальными потерями передает мощность СВЧ колебаний с выхода ответвителя 22, через циркулятор 9, первый 2 выключатель в антенный блок 1 и излучаются в направлении отражающей поверхности, до которой необходимо измерить расстояние. После отражения ЧМ СВЧ колебания излучаются в обратном направлении. Антенный блок 1 принимает отраженный сигнал и передает его через выключатель 2 и первый циркулятор 9 на вход смесителя 3. На другой вход смесителя ЧМ СВЧ колебания поступают от СВЧ генератора 29 через ответвитель 22, циркулятор 10, механический аттенюатор 16, отражаясь от второго 21 выключателя, и через механический аттенюатор 16, циркулятор 10. Прошедшая через выключатель 21 небольшая часть мощности СВЧ колебаний через калибровочный волновод 23 поступает на вход управляемой нагрузки 30. В нагрузке 30 СВЧ колебания через третий циркулятор 39, третий выключатель 40 поступают в поглощающую нагрузку 41, где они поглощаются.

Таким образом, на входы смесителя 3 поступают ЧМ СВЧ колебания с различными задержками: опорный с минимальной задержкой от СВЧ генератора 29 и измерительный сигнал с задержкой, пропорциональной расстоянию о отражающей поверхности. В смесителе 3 в результате взаимодействия опорного и измерительного сигнала возникает сигнал с частотой биений. Причем частота биений пропорциональна разности времени задержки опорного и измерительного сигнала, т. е. пропорциональна расстоянию до отражающей поверхности. Далее сигнал с частотой биений поступает через блок компенсации 4 (работа описана ранее) первый фильтр 11 на объединенные входы второго фильтра 17 и первого ограничителя 18. На входы коммутатора 31 сигналы частоты биений поступают с выхода первого ограничителя 18 непосредственно, а с выхода второго фильтра 17 через второй ограничитель 24. Суммарные АЧХ с выхода смесителя 3 до входов коммутатора 31 (в линейном режиме) приведены на фиг. 8, где линия, соединяющая точки 1 и 2. показывает АЧХ на выходе второго ограничителя 24, а линия, соединяющая точки 3 и 4, - на выходе первого ограничителя 18 (форма АЧХ в виде прямых линий показана условно).

После окончания цикла калибровки (см. эпюра "а" на фиг. 7) производится измерение расстояния до отражающей поверхности. Причем в первом цикле производится измерение расстояния при спадающей АЧХ (линия 1, 2 на фиг. 8), а во втором цикле при АЧХ, имеющей подъем (линия 3, 4 на фиг. 8). Это осуществляется путем коммутации сигналов биений с выходов первого 18 или второго 24 ограничителей на выход коммутатора 31. Эпюра управляющего сигнала F_у приведена на фиг. 7.

Измерение расстояния D_бл.3 или D_д.3 осуществляется аналогично измерению длины калибровочного волновода 23 и осуществляется счетом всех импульсов биений на интервале измерения Т_изм. Счет импульсов биений осуществляется таймером микропроцессорного блока 8. Запоминание измеренных расстояний осуществляется во внутренней памяти микропроцессора блока 8.

После замера расстояний D_бл.3 и D_д.3 в микропроцессорном блоке осуществляется обработка результатов измерения.

Если выполняется условие D_бл.3 ≅ L_пор (см. фиг. 8), то в блок индикации 28 выдается значение расстояния вычисляемого в блоке 8 по формуле
D = D_бл.3 - C₁-C₂,
где:
C₁ -постоянная поправка к измеренной дальности за счет задержки сигнала от фланца антенного блока 1 до входа смесителя 3;
C₂ - постоянная поправка, возникающая за счет формы спадающей АЧХ (линия 1,2 на фиг. 8) по сравнению с нарастающей АЧХ (линия 3, 4 на фиг. 8).

Если выполняется условие D_д.3>L_пор, то в блок индикации 26 выдается значение расстояния вычисляемого в блоке 8 по формуле
D = D_д.3-C₁
Обработка результатов измерения D_бл.3 и D_д.3 в зависимости от условий применения уровнемера может быть другой и реализуется для каждого конкретного случая на микропрограммном уровне за счет смены программы, хранимой в ПЗУ микропроцессорного блока 8.

Для прекращения измерений расстояния необходимо повторно нажать кнопку "Измерение" блока управления 33. Уровнемер при этом будет работать в режиме "Калибровка" и не излучать СВЧ колебания в окружающее пространство.

Микропроцессорный блок 8 может быть реализован на однокристальной ЭВМ, например, К1816ВЕ35 и микросхемах серии К580.

Управляемый усилитель 19 может быть выполнен по схеме приведенной на рис. 2.1 в книге Алексеенко А.Г. и др. "Применение прецизионных аналоговых ИС" - М., Радио и связь, 1981.

Заявляемый радиолокационный уровнемер может быть неоднократно воспроизведен на современном оборудовании и по современной технологии, применен для определения уровня продуктов и замкнутых объемах с высокой точностью в широком диапазоне измеряемых уровней, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "применимость" для изобретения. На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация на переносной вариант уровнемера, реализующего заявляемую схему, позволяющего измерять уровень от 0,5 до 30 м с погрешностью 1 см. Прибор демонстрировался на 4-й международной выставке "Нефть и газ - 97", проходившей в г. Москве 7-10 апреля 1997 г., где был проявлен большой интерес со стороны предприятий, занимающихся нефтепроводами, хранением и переработкой нефти.

Формула изобретения

1. Радиолокационный уровнемер, содержащий антенный блок, смеситель, синхронизатор, первый циркулятор, первый и второй фильтры, первый и второй генераторы модулирующего сигнала, ответвитель, счетчик, индикатор, СВЧ-генератор, блок управления, усилитель и волновод, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два отражающих выключателя, ключевой формирователь, второй циркулятор, цифроаналоговый преобразователь, аттенюатор поглощающий, аттенюатор механический, генератор прокачки, два ограничителя, управляемая нагрузка, коммутатор, суммирующий усилитель, блоки: опорных напряжений, микропроцессорный, преобразователей уровня, пороговый и компенсации, усилитель выполнен в виде управляемого усилителя, а волновод является калибровочным, при этом антенный блок соединен с первым отражающим выключателем, соединенным с блоком преобразователя уровня и первым циркулятором, вход которого соединен с выходом поглощающего аттенюатора, один вход которого соединен с блоком преобразования уровня, а другой - с одним из выходов ответвителя, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, а другой выход соединен с вторым циркулятором, соединенным с механическим аттенюатором и смесителем, второй вход которого соединен с первым циркулятором, а выход - с блоком компенсации, второй вход которого соединен с выходом второго генератора модулирующего сигнала, а выход - с входом первого фильтра, второй вход которого соединен с микропроцессорным блоком, а выход - с вторым фильтром и первым ограничителем, выход которого соединен с коммутатором, второй вход которого соединен с вторым ограничителем, вход которого соединен с выходом второго фильтра, выходы микропроцессорного блока соединены с индикатором, синхронизатором и первым входом цифроаналогового преобразователя, блок управления соединен с микропроцессорным блоком, второй вход цифроаналогового преобразователя соединен с блоком опорных напряжений, а выход - с первым генератором модулирующего сигнала, второй вход которого соединен с блоком опорных напряжений, а третий вход - с ключевым формирователем, входы которого соединены с блоком опорных напряжений и синхронизатором, второй выход которого соединен с управляемым усилителем, второй вход которого соединен с первым генератором модулирующего сигнала, а выход - с вторым генератором модулирующего сигнала, выход которого дополнительно соединен с суммирующим усилителем, выход которого соединен с СВЧ-генератором, третий выход синхронизатора соединен с генератором прокачки, выход которого соединен с суммирующим усилителем, выход коммутатора соединен с пороговым блоком, выход которого соединен со счетчиком, выход которого соединен с микропроцессорным блоком, четвертый выход которого соединен с коммутатором, механической аттенюатор, второй отражающий выключатель, калибровочный волновод и управляемая нагрузка последовательно соединены между собой, второй выход блока преобразователей уровня соединен с вторым отражающим выключателем, синхронизатор дополнительно соединен выходами с микропроцессорным блоком и счетчиком.

2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что первый фильтр выполнен в виде последовательно соединенных первого управляемого фильтра, третьего ограничителя, второго управляемого фильтра и четвертого ограничителя, при этом управляемые фильтры соединены с микропроцессорным блоком.

3. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что управляемая нагрузка выполнена в виде последовательно соединенных отражателя, третьего циркулятора, третьего выключающего отражателя и поглощающей нагрузки.

4. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что блок компенсации выполнен в виде последовательно соединенных фильтра низких частот и вычитателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8