Способ радиоволнового измерения уровня
Владельцы патента RU 2334953:
Общество с ограниченной ответственностью Производственное предприятие "Парус" (RU)
Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня различных веществ. Технический результат - уменьшение погрешности измерения уровня при сохранении быстродействия за счет снижения эквивалентной величины ширины фильтра БПФ. Технический результат достигается тем, что в способе радиоволнового измерения уровня, основанном на линейной частотной модуляции, включающем формирование СВЧ сигнала изменяющейся частоты, излучаемого в направлении поверхности измеряемого уровня, выполнение быстрого преобразования Фурье сигнала разностной частоты излученного и отраженного от поверхности измеряемого уровня сигналов, определение дальности до измеряемого уровня, в отличие от известного выделяют сигнал фильтра быстрого преобразования Фурье с максимальной амплитудой и боковые от него сигналы фильтра, по величинам измеренных сигналов производят построение сигнала интерполяционного кубического сплайна с шагом менее ширины фильтра быстрого преобразования Фурье исходного сигнала. Затем определяют точку сигнала с частотой, соответствующей максимальной частоте фильтра сплайна, по которой вычисляют дальность до измеряемого уровня. 2 ил.
Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня различных веществ.
Известны импульсные радиоволновые способы измерения уровня [1, с.94], при которых зондирующий сигнал представляет собой короткий радиоимпульс, по времени прохождения которого до поверхности среды и обратно производится оценка дальности.
Для измерения дальностей, 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 способ радиоволнового измерения уровня с использованием линейной частотной модуляции (ЛЧМ) сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала [2], выбранный в качестве прототипа, включающий формирование СВЧ сигнала изменяющейся частоты, излучаемого в направлении поверхности измеряемого уровня, выполнение быстрого преобразования Фурье сигнала разностной частоты излученного и отраженного от поверхности измеряемого уровня сигналов, определение дальности до измеряемого уровня.
При измерении уровня зондируют контролируемую поверхность линейной частотно-модулированной электромагнитной волной (ЭВ), одновременно регистрируют закон модуляции ЭВ, сравнивают опорную ЭВ и отраженную ЭВ и выделяют сигнал разностной частоты, определяют максимальную разностную частоту сигнала, по величине и закону модуляции определяют время задержки отраженной ЭВ относительно опорной ЭВ. Дальность до контролируемой поверхности определяют по формуле: α=(сΔt)/2, где с - скорость света. Для увеличения точности определяют дальность до контролируемой поверхности как среднее по результатам 2N измерений за N=10 периодов модуляции ЭВ.
При использовании быстрого преобразования Фурье (БПФ) точность определения частоты зависит от величины ширины фильтра БПФ, которая в свою очередь обратно пропорциональна времени наблюдения (длительности развертки ЛЧМ в данном случае). Для увеличения точности необходимо уменьшение величины фильтра БПФ, увеличение времени наблюдения. Однако длительность развертки ЛЧМ в этом случае становится слишком большой, что приводит к ухудшению быстродействия.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерения уровня при сохранении быстродействия за счет снижения эквивалентной величины ширины фильтра БПФ.
Технический результат достигается тем, что в способе радиоволнового измерения уровня, основанном на линейной частотной модуляции, включающем формирование СВЧ сигнала изменяющейся частоты, излучаемого в направлении поверхности измеряемого уровня, выполнение быстрого преобразования Фурье сигнала разностной частоты излученного и отраженного от поверхности измеряемого уровня сигналов, определение дальности до измеряемого уровня, в отличие от известного выделяют сигнал фильтра быстрого преобразования Фурье с максимальной амплитудой и боковые от него сигналы фильтра, по величинам измеренных сигналов производят построение сигнала интерполяционного кубического сплайна с шагом менее ширины фильтра быстрого преобразования Фурье исходного сигнала, затем определяют точку сигнала с частотой, соответствующей максимальной частоте фильтра сплайна, по которой вычисляют дальность до измеряемого уровня.
Суть изобретения поясняется фиг.1, где приведены:
На фиг.1a - результаты БПФ с выбором максимального по амплитуде фильтра и нескольких боковых по отношению к нему;
на фиг.1б - результаты БПФ с выбором максимального по амплитуде фильтра и нескольких боковых по отношению к нему;
на фиг.1в - результаты построения интерполяционного кубического сплайна;
на фиг.1г - выбор максимальной величины сплайна и соответствующей ей частоты;
На фиг.2 - система реализации предлагаемого способа радиоволнового измерения уровня.
Система содержит СВЧ генератор 1 с линейной частотной модуляцией, приемник 2 отраженного сигнала, связанные со смесителем 3, который в свою очередь связан с последовательно соединенными блоком 4 быстрого преобразования Фурье, блоком 5 выделения из сигнала гармоники с максимальной амплитудой и боковыми гармониками, блоком 6 построения интерполяционного кубического сплайна по основной и выделенным боковым гармоникам, блоком 7 выделения из сигнала сплайна гармоники с максимальной амплитудой, блоком 8 определения дальности до измеряемого уровня.
СВЧ генератор 1 является источником СВЧ колебаний, частота которых изменяется по линейному закону, и может быть выполнен на микросхемах HMC385LP4 Hittite Microwave Corp. В способе радиоволнового измерения уровня с использованием ЛЧМ, при котором СВЧ сигнал излучается через антенно-фидерный тракт, отраженный сигнал поступает на приемник 2, в котором частота отраженного сигнала отличается от частоты сигнала генератора из-за задержки во времени. Измерение дальности сводится к измерению разностной частоты двух сигналов при помощи БПФ (см. фиг.1а) по номеру максимального по величине фильтра. При этом погрешность определения частоты в этом случае составляет до половины ширины фильтра БПФ.
Отраженный сигнал поступает в приемник 2 отраженного сигнала, который может быть выполнен на микросхемах NLB-300 RF Micro Devices, смешивается с частью сигнала СВЧ генератора 1 и в смесителе приемника отраженного сигнала 3 выделяется разностная частота, пропорциональная времени задержки отраженного сигнала, несущая информацию о дальности до измеряемого уровня вещества. Сигнал разностной частоты из смесителя 3 поступает в блок 4, в котором производится быстрое преобразование Фурье и который может быть выполнен на микросхемах C8051F124 Silicon Lab. По результатам БПФ в блоке 5, выполненном, например, в виде амплитудного детектора, выделяются фильтр с максимальной амплитудой и несколько боковых от него фильтров (см. фиг.1б), по величинам которых в блоке 6, выполненном, например, в виде нелинейного усилителя, строится интерполяционный кубический сплайн с шагом, более мелким по сравнению с величиной ширины фильтра БПФ (см. фиг.1в), после чего в блоке 7, выполненном, например, в виде амплитудного детектора, производится выделение из сигнала гармоники с частотой, соответствующей максимальной амплитуде сплайна (см. фиг.1г). Количество боковых фильтров БПФ для построения интерполяционного кубического сплайна снизу ограничивается точностью воспроизведения спектра и не может быть менее чем по одному с каждой стороны фильтра с максимальной амплитудой. Количество боковых фильтров БПФ для построения интерполяционного кубического сплайна сверху ограничивается наличием близлежащих спектральных составляющих с частотой, отличной от основной. При включении данных спектральных составляющих в построение интерполяционного кубического сплайна происходит искажение последнего.
В отличие от известного в предлагаемом способе радиоволнового измерения уровня величина эквивалентной величины ширины фильтра определяется шагом интерполяционного кубического сплайна, которая может быть значительно меньше ширины фильтра исходного БПФ, так как исходный фильтр БПФ разбивается на несколько частей. При разбивке на две части происходит улучшение точности в два раза. Шаг интерполяционного кубического сплайна определяется необходимой точностью измерений и вычислительными возможностями устройства, реализующего способ.
В блоке 8 определения дальности, выполненном, например, в виде перемножителя, вычисляется дальность до измеряемого уровня путем перемножения частоты гармоники сигнала, соответствующей максимальной частоте фильтра сплайна, на константу, величина которой определяется наклоном линейной частотной модуляции и скоростью света.
За счет снижения эквивалентной величины ширины фильтра БПФ становится возможным уменьшение погрешности измерения уровня при сохранении быстродействия.
Литература
1. В.А.Викторов, Б.В.Лункин, А.С.Савлуков. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Энергоатомиздат, 1989, с.99.
2. Заявка №93026872, 20.10.1995, МПК: G01F 23/28 - прототип.
Способ радиоволнового измерения уровня, основанный на линейной частотной модуляции, включающий формирование СВЧ-сигнала изменяющейся частоты, излучаемого в направлении поверхности измеряемого уровня, выполнение быстрого преобразования Фурье сигнала разностной частоты излученного и отраженного от поверхности измеряемого уровня сигналов, определение дальности до измеряемого уровня, отличающийся тем, что выделяют сигнал фильтра быстрого преобразования Фурье с максимальной амплитудой и боковые от него фильтры сигнала, по величинам измеренных фильтров сигнала производят построение сигнала интерполяционного кубического сплайна с шагом менее ширины фильтра быстрого преобразования Фурье исходного сигнала, затем определяют сигнал с частотой, соответствующей максимальной частоте фильтра сплайна, по которой вычисляют дальность до измеряемого уровня.
