Радиолокационный импульсный рециркуляционный уровнемер

 

Использование: для измерения уровня жидких и сыпучих веществ в резервуарах на нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих, химических и других предприятиях. Сущность изобретения: в устройство введены отражатель опорного сигнала, канал селекции отраженных импульсов, позволяющий в зависимости от устанавливаемой задержки селекторного импульса осуществлять рециркуляцию в устройстве либо по опорному сигналу, либо по информационному сигналу, селектированный автоматический регулятор усиления, обеспечивающий постоянство амплитуды отселектированных сигналов на выходе приемника, и процессорный блок, формирующий команду управления задержкой селекторных импульсов, производящий необходимые вычисления и формирующий выходную информацию в заданной форме. Технический результат: повышение точности измерения уровня. 3 ил.

Предлагаемое устройство предназначено для измерения уровня жидких и сыпучих веществ в резервуарах и может быть использовано на нефтедобывающих, нефтеперерабатывающих, химических и других предприятиях, где имеются резервуары, заполненные жидкими пли сыпучими веществами.

Известны радиолокационные уровнемеры типа RTG2920, RTG2930, RTG2940, RTG2960 фирмы "SAAB TANK CONTROL", Швеция /1/.

В основу этих уровнемеров положен способ измерения дальности, использующий непрерывное излучение частотно-модулированного сигнала /2/. Этот способ измерения дальности нашел широкое применение в радиовысотометрии малых высот /3/.

Существенным недостатком таких радиолокационных устройств является сравнительно большая процентная составляющая погрешности измерения дальности. В радиовысотомерах эта погрешность обычно лежит в пределах (2...5)% от измеряемой высоты. Основная доля указанной погрешности обусловлена температурной нестабильностью параметров устройства.

Поэтому в уровнемерах фирмы "SAAB TANK CONTROL" применена температурная стабилизация электронного блока, что привело к увеличению потребления электроэнергии, затратам оборудования и стоимости изделий.

В предлагаемом устройстве измерение уровня заполнения резервуаров веществами основано на импульсном методе измерения дальности. В этом случае, как известно, дальность определяется путем непосредственного измерения времени запаздывания отраженного сигнала относительно зондирующего, и поэтому при использовании современных способов измерения временных интервалов процентная ошибка практически может быть сведена до пренебрежимо малой величины. Однако обычным импульсным устройствам измерения дальности присущ другой недостаток - большая постоянная составляющая погрешности (погрешность, не зависящая от измеренной дальности). Эта погрешность обусловлена нестабильностью задержки сигналов во внутренних цепях устройства и обычно достигает величины недопустимой при измерении малых дальностей. Кроме того, при измерении малых дальностей (от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров) непосредственное измерение времени запаздывания отраженных импульсов с достаточно малой погрешностью (±6. . .10•10^-12 с) представляет собой довольно трудную техническую задачу.

Последняя проблема может быть решена путем применения импульсного рециркулярционного метода измерения дальности. В этом случае период повторения зондирующих импульсов пропорционален измеряемой дальности, что позволяет перейти от непосредственного однократного измерения величины запаздывания отраженного сигнала к измерению длительности последовательности из N периодов, повторения зондирующих импульсов. При этом значение N ограничивается только допустимым временем измерения и может достигать, например, для уровнемеров нескольких сотен тысяч и более периодов.

Известно /4/, что рециркулятор представляет собой контур из последовательно включенных формирующего каскада, схемы ИЛИ, линии задержки, усилителя и переходного каскада. Назначение этих элементов устройства следующее: - формирующий каскад - нелинейный элемент, обеспечивающий поддержание коэффициента обратной связи равным единице; - линия задержки обеспечивает необходимое значение периода рециркуляции; - усилитель поддерживает амплитуду сигнала на входе формирующего каскада на достаточном уровне; - схема ИЛИ обеспечивает замыкание петли рециркуляции и ввод старт-импульса; - переходной каскад используется для прерывания процесса рециркуляции путем подачи на него специального управляющего сигнала.

Для целей измерения дальности в таких устройствах дополнительно в кольцо рециркуляции вводятся передатчик, антенный блок, приемник и генератор старт-мпульса. Последний обеспечивает ввод начального импульса, после чего в устройстве возникает процесс рециркуляции с периодом, пропорциональным измеряемой дальности.

Такие устройства, однако, не нашли своего применения в измерителях малой дальности, в частности в радиовысотометрии, так как отраженный от подстилающей поверхности сигнал подвержен очень глубоким флюктуациям по амплитуде, что приводит к нарушению процесса рециркуляции и, следовательно, к появлению больших ошибок.

Для устранения этого недостатка в радиолокаторах рециркуляционного типа /4/ в качестве формирующего каскада используется блок электронного сопровождения, который имеет память по задержке, что устраняет срыв рециркуляции при кратковременных замираниях отраженного сигнала.

Однако и такие устройства в радиовысотометрии не нашли широкого применения, так как блок электронного сопровождения при соответствующем исполнении сам выдает информацию о дальности с достаточной для практики точностью.

При разработке заявляемого изобретения ставилась задача создания устройства, обеспечивающего необходимую точность измерения уровня при минимальных затратах оборудования, использование электрорадиоэлементов и узлов широкого применения, конкурентоспособного как в плане стоимости, так и по техническим характеристикам.

Проведенные расчеты и макетирование показали, что реализация изобретения позволяет создать изделие, имеющее, по сравнению с уровнемером фирмы "SAAB TANK CONTROL ", следующие преимущества: - меньшую стоимость (5000 $ вместо 10000 $); - меньшую массу (11 кг вместо 25 кг); - пониженное энергопотребление (40 Вт вместо 80 Вт).

При создании радиолокационных средств измерения уровня жидких и сыпучих веществ в резервуарах необходимо учитывать следующие факторы: - допустимая погрешность измерения лежит в пределах (1...10) мм, что примерно на порядок меньше чем в радиовысотомерах малых высот; - отражающая поверхность практически близка к зеркальной, и поэтому флюктуации отраженного сигнала по амплитуде фактически отсутствуют;
- скорость изменения уровня в резервуарах очень мала и обычно не превышает 1-2 мм/с, что позволяет увеличить, по сравнению с радиовысотомерами, время единичного замера в десятки и даже сотни раз.

Учет перечисленных факторов при решении поставленной задачи позволяет прийти к выводу, что в основу радиолокационного уровнемера может быть положен простейший рециркулятор, содержащий:
- генератор старт-импульса;
- схему ИЛИ;
- передатчик;
- антенный блок;
- приемник;
- формирователь импульсов;
- устройство задержки;
- измеритель периода рециркуляции.

Но, как уже отмечалось выше, такой простейший рециркулятор имеет существенный недостаток - большую приборную погрешность, обусловленную нестабильностью задержки сигналов во внутренних цепях устройства. Основная составляющая этой погрешности обусловлена воздействием климатических факторов и старением отдельных элементов устройства, то есть сравнительно медленно действующими причинами.

В предлагаемом устройстве последняя проблема решается путем разбиения цикла единичного замера на два этапа - измерение периода рециркуляции при работе устройства по опорному отраженному сигналу, формируемому специальным отражателем, расстояние до которого известно, и измерение периода рециркуляции при работе по информационному сигналу, отраженному от поверхности вещества, загруженного в резервуар. В дальнейшем при вычислении значения уровня загрузки резервуара значение периода рециркуляции, определенное на 1%-ом этапе, вычитается из значения, полученного на втором этапе, что и позволяет исключить влияние медленно меняющихся факторов на приборную погрешность и в конечном счете на погрешность измерения уровня.

Для решения указанной процедуры в устройство введены отражатель опорного сигнала, канал селекции отраженных импульсов, состоящий из линии задержки с двумя отводами, коммутатора задержанных импульсов, формирователя селекторных импульсов, селектора и второй линии задержки, процессорный блок и селектированный автоматический регулятор усиления приемника (САРУ).

Отражатель опорного сигнала устанавливается на заранее известном расстоянии в зоне диаграммы направленности антенного блока и должен обеспечивать формирование отраженного (опорного) сигнала достаточной мощности. В качестве отражателя опорного сигнала, в частности, может быть использована, например, диэлектрическая крышка антенного блока либо любой другой конструктивный элемент, расположенный в зоне диаграммы направленности антенного блока либо в любом месте антенно-фидерного тракта, если при этом обеспечивается достаточная мощность отраженного импульса и требуемая стабильность его задержки относительно момента излучения зондирующего сигнала антенной.

Канал селекции отраженных импульсов. Входным элементом канала является линия задержки с двумя отводами. На вход этой линии задержки подается импульс запуска передатчика, снимаемый со схемы ИЛИ, а величины задержек выбираются так, чтобы имелась возможность по команде с процессорного блока обеспечить работу рециркулятора либо по опорному сигналу, либо по информационному сигналу, отраженному от поверхности вещества, загруженного в резервуар. Отводы этой линии задержки подключены к входам коммутатора задержанных импульсов, выход которого соединен с входом формирователя селекторных импульсов, а управляемый вход - с управляющим выходом процессорного блока. Выход формирователя селекторных импульсов соединен со входом управления селектора, сигнальный вход которого подключен к выходу приемника, а выход соединен с входом формирователя импульсов и входом селектированного автоматического регулятора усиления приемника (САРУ). Выход схемы САРУ подключен к входу управления усилением приемника.

Вход процессорного блока подключен к выходу устройства задержки, управляющий выход соединен с входом управления коммутатора задержанных импульсов, а выход его является выходом уровнемера.

На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого уровнемера, на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие его работу, причем диаграммы на фиг. 2 соответствуют режиму рециркуляции по опорному сигналу, а на фиг. 3 - режиму рециркуляции по информационному сигналу.

Уровнемер содержит генератор старт-импульсов 1, контур рециркуляции, состоящий из схемы ИЛИ 2, передатчика 3, антенного блока 4, приемника 5, формирователя импульсов 6 и устройства задержки 7, отражатель опорного сигнала 8, канал селекции отраженных импульсов, состоящий из первой линии задержки с двумя отводами 9, коммутатора задержанных импульсов 10, формирователя селекторных импульсов 11, селектора 12 и второй линии задержки 13, селектированный автоматический регулятор усиления приемника (САРУ) 14 и процессорный блок 15.

Назначение генератора старт-импульсов 1 - обеспечить начало процесса рециркуляции после включения устройства и в случаях срыва этого процесса по каким-либо причинам. Он может быть выполнен, например, по схеме мультивибратора или блокинг-генератора с самовозбуждением. Генератор должен иметь собственный период повторения импульсов больше максимально возможного периода рециркуляции. В этом случае исключается возможность появления на его выходе импульсов, когда идет нормальный процесс рециркуляции, так как выходные импульсы рециркулятора поступают на его сбросовый вход и каждый раз приводят его в исходное состояние.

Схема ИЛИ 2 имеет два входа и обеспечивает прохождение любого импульса, поступающего на эти входы, на запуск передатчика 3.

Приемопередатчик состоит из передатчика 3, антенного блока 4 и приемника 5. Общим для этих устройств является требование их достаточной широкополосности, так как для обеспечения требуемой точности и измерения малых дальностей (от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров) длительность рабочих импульсов должна быть не более нескольких наносекунд /2/.

Формирователь импульсов 6 должен формировать импульсы заданной амплитуды и длительности при появлении на его входе импульсов, превышающих его пороговый уровень U_пфи. (диаграмма "г", фиг. 2 и 3).

Устройство задержки 7 предназначено для ограничения максимальной частоты повторения импульсов рециркуляции до разумной величины. Устройство, например, может быть выполнено в виде двух последовательно включенных мультивибраторов на микросхемах 533АГ3.

Линия задержки с двумя отводами может быть выполнена на отрезках коаксиальных кабелей, а коммутатор задержанных импульсов 10 - на микросхеме 100ЛМ105.

В качестве формирователя селекторных импульсов 11 может быть использован триггер на микросхеме 100ТМ131, на вход установки единицы которого поступают импульсы с коммутатора 10. Поскольку выход формирователя селекторных импульсов соединен со стробирующим входом селектора 12, то последний переходит в состояние, позволяющее прохождение импульсов с выхода приемника 5 на вход формирователя импульсов 6. Сброс в нуль формирователя селекторных импульсов 11 осуществляется импульсом с выхода формирователя импульсов 6, задержанного на требуемую величину в линии задержки 13, которая также может быть выполнена на отрезке коаксиального кабеля.

Величина задержки (диаграмма "д" фиг. 2) с первого отвода линии задержки 9 выбирается так, чтобы момент открытия селектора 12 селекторным импульсом несколько опережал момент прихода опорного сигнала с выхода приемника 5, а задержка (диаграмма "д" фиг. 3) со второго отвода линии задержки 9 должна обеспечивать прохождение информационного сигнала. Задержка τ₂ (диаграмма "ж" фиг. 2 и 3) линии задержки 13 выбирается такой, чтобы окончание селекторного импульса происходило после прохождения соответствующих импульсов с выхода приемника 5 через селектор 12. Последнее условие необходимо для нормальной работы селектированного автоматического регулятора усиления 14, задачей которого является поддержание значения амплитуды отселектированных импульсов на выходе приемника, на требуемом уровне U_пАРУ (диаграмма "г", фиг. 2 и 3).

Селектор 12, входные части формирователя импульсов 6 и селектированного автоматического регулятора усиления 14, определяющие соответствующие пороги срабатывания, могут быть собраны на двух микросхемах 597СА1А, на входы сравнения аналоговых величин которых подаются требуемые значения порогов U_пфи и U_пФРУ и, соответственно, выходное напряжение приемника 5, а на стробирующие входы - селектирующий импульс с выхода формирователя 11.

Процессорный блок 15 выполняет две функции:
- формирование команды периодической коммутации задержки селекторных импульсов, или, что одно и то же, команды переключения режимов работы рециркулятора по информационному сигналу и по опорному сигналу;
- вычисление и формирование выходной информации.

Процесс единичного замера состоит из двух этапов: замера периода рециркуляции в режиме работы по информационному сигналу и замера периода рециркуляции в режиме работы по опорному сигналу и последующих вычислений измеряемого уровня по следующим правилам:

Y^* H_мах -H^* (3)
где H^* и Y^* - соответственно оценки по результатам единичного измерения расстояния от плоскости раскрыва антенн до поверхности вещества в резервуаре и уровня загрузки резервуара;
H_мах - расстояние от днища резервуара до плоскости раскрыва антенн;
T_Э - период повторения эталонных меток времени;
C - скорость света;
α - коэффициент замедления распространения радиоволн в данной среде или волноводе;
N - число периодов рециркуляции, используемых в процессе единичного измерения, его значения;
τʺ_ВН - среднее значение задержки сигналов во внутренних цепях рециркулятора в режиме работы по информационному сигналу;
τʹ_ВН - среднее значение задержки сигналов во внутренних цепях рециркулятора в режиме работы по опорному сигналу;
- задержка радиоимпульсов, отраженных от поверхности вещества в резервуаре;
Н_и - истинное значение расстояния от плоскости раскрыва антенн до поверхности вещества в резервуаре;
- задержка радиоимпульсов, отраженных от отражателя опорного сигнала;
Н_о - расстояние от плоскости раскрыва антенн до отражателя опорного сигнала;
Х_цни, Х_цно - значения периода рециркуляции, выраженное в единицах, относительно периода эталонных меток времени Т_э соответственно в режимах работы по информационному сигналу и опорному сигналу.

Согласно принципа измерения периода рециркуляции очевидно, что величина Х_цни может принимать только целочисленные значения и, следовательно, можно записать

где Н_к - шаг квантования по дальности.

Вычитая (1) из (4), получаем

отсюда имеем

или

где F_э - частота генератора эталонных меток времени.

Выражение (6) позволяет определить требуемое значение числа N из условия заданных значений F_э и H_к.

Необходимо отметить, что хотя для измерения периодов рециркуляции используются N периодов, команда переключения режимов работы рециркулятора должна формироваться через N+ΔN периодов. Увеличение числа периодов нахождения рециркулятора в каждом режиме рециркуляции на величину ΔN необходимо для исключения влияния переходных процессов в устройстве после момента переключения режимов.

Процессорный блок может быть выполнен на базе микропроцессоров АТ89С51/24Р1 или AT89S8251/24P1.

Работает предлагаемый уровнемер следующим образом: после включения устройства генератор старт-импульсов 1 вырабатывает импульс (диаграмма "а" фиг. 2 и 3),который через схему ИЛИ 2 (диаграмма "б") поступает па запуск передатчика 3 и вход линии задержки с двумя отводами 9 канала селекции отраженных импульсов. Радиоимпульс "в" передатчика 3 поступает в антенный блок 4, излучается в направлении поверхности вещества в резервуаре, а отраженные импульсы от отражателя опорного сигнала и поверхности вещества принимаются антенным блоком и затем поступают на вход приемника 5. На выходе приемника имеем последовательность видеоимпульсов:
- ВИп, соответствующий сигналу передатчика, пролезающему на вход приемника по паразитным каналам связи;
-ВИо и ВИс, соответствующие отражениям сигнала от отражателя опорного сигнала и поверхности вещества в резервуаре (диаграмма "г" фиг. 2 и 3).

Через селектор 12 в зависимости от режима работы рециркулятора, определенного командой, поданной из процессорного блока 15 на коммутатор 10, проходит либо импульс, отраженный от поверхности вещества в резервуаре, либо опорный сигнал. При этом автоматический регулятор усиления приемника 14 обеспечивает поддержание отселектированного импульса на заданном уровне UпАРУ (диаграмма "г" фиг. 2 и 3).

Формирователь импульсов 6, порог срабатывания UпФИ которого заведомо меньше амплитуды отселектированного импульса, вырабатывает импульс (диаграмма "е" фиг. 2 и 3), поступающий через устройство задержки 7 (диаграмма "и" фиг. 2 и 3) и схему ИЛИ 2 на запуск передатчика, в результате в устройстве возникает режим рециркуляции по соответствующему сигналу. Одновременно импульс с формирователя 6 через линию задержки 13 поступает на сбросовый вход формирователя селекторных импульсов (диаграммы "ж" и "д" фиг. 2 и 3).

Импульс с устройства задержки подается также на сбросовый вход генератора старт-импульсов 1, предотвращая тем самым его срабатывание до тех пор, пока в устройстве поддерживается режим рециркуляции, и на вход процессорного блока 15.

В процессорном блоке 15 производятся соответствующие вычисления, формирование выходной информации в заданной форме, а также формирование управляющей команды, обеспечивающей переключение режимов рециркуляции через каждые N+ΔN периодов. При этом каждый раз, после переключения измерителя из одного режима рециркуляции в другой, процесс вычисления начинается только после завершения ΔN периодов, что, как уже отмечалось, необходимо для исключения влияния переходных процессов на результат вычислений.

Таким образом, в предложенном техническом решении в результате определения величины внутренней задержки сигналов в кольце рециркуляции и процессе каждого единичного замера и использования этой информации при вычислении измеряемого уровня достигнуто значительное повышение точности.

Источники информации
1. "Сертификат утверждения типа средств измерения Р N39", уровнемеров радарных RTG2920, RTG2930, RTG2940, RTG2960, изготовленных фирмой "SAAB TANK CONTROL", Швеция, который зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений под N 13490-92 9 декабря 1992 г.

2. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Совлуков. "Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин". М., "Наука", 1973, с. 72, с. 150, с. 132.

3. "Радиолокационные системы летательных аппаратов" Под pед. П.С.Давыдова. М., "Транспорт", 1977, с.220.

4. Л.А.Моругин. "Импульсные устройства с запаздывающей обратной связью". М., "Советское радио", 1961, с. 172.

Формула изобретения

Радиолокационный импульсный рециркуляционный уровнемер, содержащий последовательно соединенные формирователь импульсов, устройство задержки, схему ИЛИ, передатчик, антенный блок и приемник, генератор старт-импульсов, выход которого подключен ко второму входу схемы ИЛИ, а сбросовый вход соединен с выходом устройства задержки, отличающийся тем, что в него введены отражатель опорного сигнала, располагаемый в заданной точке тракта излучения и приема радиочастотного сигнала, последовательно соединенные линия задержки с двумя отводами, коммутатор задержанных импульсов, формирователь селекторных импульсов, селектор, сигнальный вход которого подключен к выходу приемника, а выход соединен со входом формирователя импульсов, линия задержки, вход которой соединен с выходом формирователя импульсов, а выход подключен к сбросовому входу формирователя селекторных импульсов, селектированный автоматический регулятор усиления, вход которого подключен к выходу селектора, а выход соединен с входом управления усилением приемника, процессорный блок, вход которого соединен с выходом устройства задержки, управляющий выход соединен с входом управления коммутатора задержанных импульсов, а выход процессорного блока является выходом уровнемера.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3