Радиоволновый измеритель уровня

Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня жидких и сыпучих веществ. Сущность: радиоволновый измеритель уровня жидкости содержит СВЧ генератор с линейной частотной модуляцией, приемник отраженного сигнала, антенно-фидерный тракт, преобразователь линейной поляризации в круговую, а также антенну излучения и приема отраженного сигнала. При этом антенно-фидерный тракт состоит из коаксиально-волноводного перехода, образованного короткозамкнутым с одной стороны отрезком волновода и двумя коаксиальными зондами, оси которых расположены перпендикулярно друг другу и к оси волновода. Кроме того, волновод коаксиально-волноводного перехода выполнен крестообразного сечения с отношением расстояния между наименее удаленными противоположными стенками к расстоянию между наиболее удаленными противоположными стенками, лежащим в пределах 0,6÷0,7. Технический результат: уменьшение погрешности измерения уровня за счет увеличения широкополосности волноводного тракта. 4 ил.

 

Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня жидких и сыпучих веществ.

Известны радиоволновые измерители уровня - импульсные [1, с.94], зондирующий сигнал которого представляет собой короткий радиоимпульс, по времени прохождения которого до поверхности среды и обратно производится оценка расстояния.

Для измерения расстояний, не превышающих нескольких десятков метров (диапазон, характерный для измерения уровня на технологических объектах) необходимы зондирующие импульсы длительностью не более десятых долей наносекунды. При этом резко возрастают требования, предъявляемые к низкочастотным узлам прибора, и применение указанных измерителей не приводит к удовлетворительным результатам по точности.

Известен выбранный в качестве прототипа радиоволновый измеритель уровня с использованием линейной частотной модуляции СВЧ сигнала [1, с.95], содержащий СВЧ генератор с линейной частотной модуляцией, приемник отраженного сигнала, антенно-фидерный тракт, а также антенны излучения и приема отраженного сигнала, в котором частота отраженного сигнала отличается от частоты сигнала генератора из-за задержки во времени и измерение расстояния сводится к измерению частоты биений двух сигналов, при этом точность измерений повышается при увеличении девиации частоты.

При использовании одной антенны для излучения и приема электромагнитных волн падающая и отраженная волны передаются по одному и тому же волноводу. Для их разделения нередко используется поляризационный принцип, который реализуется в волноводе круглого сечения и в котором обе волны линейно поляризованы во взаимно перпендикулярных плоскостях [2]. При этом один из зондов (рис.IX.74), соединенный с генератором СВЧ, возбуждает в круглом волноводе волну Н₁₁ вертикальной поляризации. Преобразователь преобразует линейную поляризацию в волну круговой поляризации, излучаемую антенной. Отраженная от цели волна, пройдя в обратном направлении антенну и поляризатор, будет снова линейно поляризована, но в горизонтальной плоскости и через другой зонд поступает в приемник отраженного сигнала. Таким образом, зонды развязаны, то есть мощный сигнал от генератора не поступает непосредственно в приемник отраженного сигнала, а только после отражения от цели. Вышесказанное справедливо пока в волноводе распространяется только волна основного типа Н₁₁. Когда же в волноводе возникают условия для распространения одного или нескольких высших типов волн, картина распределения полей в волноводе резко изменяется, устройство становиться неработоспособным.

Теоретически одноволновый режим работы любого волновода лежит между критической длиной волны основного типа λ_кр.0 и критической длиной волны ближайшего высшего типа λ_кр.1.

На практике вблизи критических волн работать нельзя из-за резкого ухудшения характеристик любых волноводных устройств и рабочий диапазон лежит в пределах:

для круглого волновода λ_кр.0=1,706d (где d - диаметр волновода), а λ_кр.1=1,3 06d и исходя из критерия (1) рабочий диапазон круглого волновода ограничен одной точкой λ=1,37d, что существенно ограничивает допустимую девиацию частоты и в конечном счете увеличивает погрешность измерения уровня.

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения уровня за счет увеличения широкополосности волноводного тракта.

Технический результат достигается тем, что в радиоволновом измерителе уровня жидкости, содержащем сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор с линейной частотной модуляцией, приемник отраженного сигнала, антенно-фидерный тракт, состоящий из коаксиально-волноводного перехода, образованного короткозамкнутым с одной стороны отрезком волновода и двумя коаксиальными зондами, оси которых расположены перпендикулярно друг другу и к оси волновода, преобразователя линейной поляризации в круговую, а также антенны излучения и приема отраженного сигнала, в отличие от известного, волновод коаксиально-волноводного перехода выполнен крестообразного сечения с отношением расстояния между наименее удаленными противоположными стенками к расстоянию между наиболее удаленными противоположными стенками, лежащим в пределах 0,6÷0,7.

Замена круглого волновода крестообразным с предлагаемым соотношением расстояния между наименее удаленными противоположными стенками α к расстоянию наиболее удаленным противоположными стенками L, лежащим в пределах 0,6÷0,7 позволяет увеличить широкополосность волнового тракта, что в свою очередь позволяет увеличить девиацию частоты и, соответственно, уменьшает погрешность измерения уровня.

Суть изобретения поясняется фиг.1-4, на которых приведены:

на фиг.1 - блок-схема заявляемого радиоволнового измерителя уровня жидкости;

на фиг.2 - схема антенно-фидерного тракта;

на фиг.3 - сечение по стрелке А-А;

на фиг.4 - зависимость широкополосности волновода от отношения сторон.

Радиоволновый измеритель уровня жидкости содержит СВЧ генератор 1 с линейной частотной модуляцией, антенно-фидерный тракт, состоящий из коаксиально-волноводного перехода 2, образованного короткозамкнутым с одной стороны отрезком волновода и двумя коаксиальными зондами 3, 4, оси которых расположены перпендикулярно друг другу и к оси волновода, преобразователь линейной поляризации в круговую 5, антенну 6 излучения и приема отраженного сигнала, а также приемник отраженного сигнала 7.

В отличие от известного в предлагаемом радиоволновом измерителе уровня жидкости волновод коаксиально-волноводного перехода выполнен крестообразного сечения с отношением расстояния между наименее удаленными противоположными стенками к расстоянию наиболее удаленным противоположными стенками, лежащим в пределах 0,6÷0,7.

СВЧ генератор 1 является источником СВЧ колебаний, частота которых изменяется по линейному закону, и может быть выполнен на микросхемах HMC385LP4 Hittite Microwave Corp. Коаксиально-волноводный переход 2 состоит из отрезка волновода крестообразного сечения и двух зондов 3 и 4, ориентированных перпендикулярно друг другу и к оси волновода.

При подаче сигнала СВЧ генератора 1 на один из зондов 3 в волноводе возбуждаются колебания с вертикальной поляризацией, которые не возбуждают другой зонд 4 в силу ортогональности. Линейно-поляризованный сигнал поступает на поляризатор 5, на выходе которого получаем волну с круговой поляризацией, излучаемую антенной 6 в пространство, например, в емкость, частично заполненную веществом.

Сигнал круговой поляризации, отраженный от границы раздела "воздух-жидкость", поступает в ту же антенну 6, затем на преобразователь линейной поляризации в круговую 5, где преобразовывается в волну линейно-поляризованную, но уже в горизонтальной плоскости, поэтому отраженный сигнал возбуждает зонд СВЧ генератора.

В приемнике отраженного сигнала 7, который может быть выполнен на микросхемах HMC220MS8 Hittite Microwave Corp, сигнал смешивается с частью сигнала СВЧ генератора 1 и в смесителе приемника отраженного сигнала 7 выделяется разностная частота, пропорциональная времени задержки, пропорциональная времени задержки отраженного сигнала и несущая информацию об измеряемом уровне жидкости. Погрешность измерения существенно зависит от девиации частоты, то есть от широкополосности антенно-фидерного тракта, в особенности от коаксиально-волноводного перехода, который может в принципе возбудить волны высших типов, если размеры волновода допускают их распространение.

Выбором определенного соотношения размеров волновода может быть обеспечен одноволновый режим работы в достаточно широкой полосе частот. На фиг.4 приведен график зависимости коэффициента перекрытия q=λ_кр.0/λ_кр.1, характеризующего широкополосность волновода от отношения его размеров, из которого видно, что предлагаемая замена круглого волновода крестообразным с соотношением сторон α/L в пределах 0,6÷0,7 дает коэффициент перекрытия q 1,56. Для рабочего диапазона волн с учетом ограничения (1) коэффициент перекрытия q_раб 1,19, т.е. возможна работа в полосе 19%, что позволяет обеспечить малую погрешность.

Литература

1. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Савлуков "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов". - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.99.

2. Саусворт. "Принципы и применения волноводной передачи". "Сов.радио", 1955, cc. 362, 363.

Радиоволновый измеритель уровня жидкости, содержащий СВЧ-генератор с линейной частотной модуляцией, приемник отраженного сигнала, антенно-фидерный тракт, состоящий из коаксиально-волноводного перехода, образованного короткозамкнутым с одной стороны отрезком волновода и двумя коаксиальными зондами, оси которых расположены перпендикулярно друг другу и оси волновода, преобразователя линейной поляризации в круговую, а также антенны излучения и приема отраженного сигнала, отличающийся тем, что волновод коаксиально-волноводного перехода выполнен крестообразного сечения с отношением расстояния между наименее удаленными противоположными стенками к расстоянию между наиболее удаленными противоположными стенками, лежащим в пределах 0,6÷0,7.