Бесконтактный радиоволновый способ определения уровня жидкости в емкости
Владельцы патента RU 2551260:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости, в частности для измерения уровня воды, нефтепродуктов, сжиженных газов и других жидкостей. Предлагается способ измерения уровня жидкости, при котором в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают электромагнитные волны с первой частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют первую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн. После этого в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают электромагнитные волны со второй частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют вторую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, по измеренным значениям первой и второй разности фаз судят об уровне жидкости в емкости. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов и др.
Известны радиоволновые способы измерения, которые используют для бесконтактного измерения уровня жидких сред в емкостях для хранения нефтепродуктов, химически активных, агрессивных и вязких жидкостей (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 5 мм) в диапазоне измерения от 0,5 до 20 метров и при этом быть надежными, удобными в эксплуатации и недорогими устройствами. В задачах, связанных с радиоволновым бесконтактным измерением уровня жидкостей, применяются способы с частотной модуляцией электромагнитных колебаний. К числу их недостатков относится достаточно сложная реализация, вызванная необходимостью применения широкополосных генераторов частотно-модулированных колебаний, а также сложность функциональной обработки информативных сигналов при стремлении обеспечить высокую точность измерения.
Известно также техническое решение - радиоволновый фазовый способ измерения уровня жидкости в емкости, которое по технической сущности наиболее близкое к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.). Данный способ-прототип заключается в зондировании поверхности жидкости по нормали к ней электромагнитными волнами, приеме отраженных электромагнитных волн и определении фазового сдвига зондирующих и принимаемых электромагнитных волн, по которому судят об уровне жидкости в емкости. Преимущество способа заключается в простоте реализации и использовании генератора с единственной фиксированной частотой, что позволяет сделать его высокостабильным и малошумящим и, следовательно, позволяет получить более высокую точность.
Существенным недостатком этого способа, однако, является неоднозначность в определении расстояний за счет циклического повторения сигнала с выхода фазового детектора через каждую половину периода излучаемых электромагнитных волн. Известные методы устранения неоднозначности измерений при применении фазового метода, основанные на использовании измерений на нескольких частотах, используются, в основном, в радиолокаторах доплеровского типа с селекцией движущихся целей (Вишин Г.М. Многочастотная радиолокация. М.: Воениздат, 1973. 92 с.), поэтому они не приспособлены для задач измерения уровня жидкостей.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости достигается тем, что сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают электромагнитные волны с фиксированной частотой f1, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют первую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн ϕ1, фиксируют значение данной фазы, затем электромагнитные волны со второй фиксированной частотой f2 вновь излучают в сторону поверхности жидкости по нормали к ней, принимают отраженные волны и измеряют вторую разность фаз ϕ2 излучаемых и принимаемых волн, по значениям фаз ϕ1 и ϕ2 судят об уровне жидкости в емкости.
Предлагаемый способ поясняется чертежом, где приведена структурная схема устройства для реализации способа.
На чертеже показаны генератор 1, генератор 2, переключатель 3, направленный ответвитель 4, передающая антенна 5, приемная антенна 6, смеситель 7, вычислительное устройство 8, отражающая контролируемая поверхность 9.
Способ реализуется следующим образом.
На 1-ом этапе измерений электромагнитные колебания от генератора 1 поступают через переключатель 3, направленный ответвитель 4 на антенну 5. Излучаемые ею электромагнитные волны с частотой f1 направляются в сторону отражающей поверхности 9. Отраженные от нее волны поступают на приемную антенну 6 и далее на смеситель 7, где его мощность смешивается с частью мощности сигнала от генератора 1, приходящего на смеситель через дополнительный вывод направленного ответвителя 4. Сигнал с выхода смесителя 7 поступает на вход вычислительного устройства 8, где происходит вычисление фазы ϕ1. Расстояние до отражающей поверхности контролируемой среды L можно вычислить следующим образом:
где N=1, 2, 3, …, λ1=c/f1, c - скорость света в воздухе, ϕ1 - фаза в рад.
После вычисления и запоминания фазы ϕ1 на следующем этапе измерений с вычислительного устройства 9 подается сигнал на переключатель 3, в результате чего электромагнитные колебания от генератора 2 поступают через переключатель 3, направленный ответвитель 4 на антенну 5. Излучаемые ею электромагнитные волны с частотой f2 направляются в сторону отражающей поверхности 9. Отраженные от нее волны поступают на приемную антенну 6 и далее на смеситель 7, где его мощность смешивается с частью мощности сигнала от генератора 2, приходящего на смеситель через дополнительный вывод направленного ответвителя 4. Сигнал с выхода смесителя 7 поступает на вход вычислительного устройства 8, где происходит вычисление фазы ϕ2. Расстояние L до отражающей поверхности контролируемой среды теперь можно вычислить следующим образом:
где N=1, 2, 3, …, λ2=с/f2, c - скорость света в воздухе, ϕ2 - фаза в рад.
Из уравнений (1) и (2) следует, что 
, а расстояние до поверхности жидкости
Диапазон однозначного определения расстояния будет зависеть от разности частот f1, и f2. Если диапазон однозначности равен L0 м, λ=2L0/N, то λ2 должна быть равна 2L0/(N+1).
Тогда 
, отсюда
Так, например, при f1=24 ГГц, f2=24,0375 ГГц будем иметь f1-f2=37,5 МГц, а диапазон однозначного определения уровня L0 по формуле (4) будет равен 8 м.
Таким образом, данный способ позволяет решить проблему неоднозначности в фазовом методе измерений уровня жидкости. При этом возможно значительно уменьшить стоимость измерительного устройства, поскольку при реализации данного фазового метода нет необходимости использовать широкополосные СВЧ компоненты и устройства, такие как генераторы с большой девиацией частоты. Использование генераторов с фиксированной частотой позволяет существенно повысить стабильность несущей и уменьшить фазовый шум, что напрямую связано с увеличением точности измерения уровня. Кроме этого применяемые в данных устройствах антенны, являясь узкополосными, позволяют при тех же габаритах устройств получить значительно лучшие характеристики по направленности излучения, что снижает влияние паразитных переотражений и, таким образом, уменьшает погрешность измерений.
Бесконтактный радиоволновый способ определения уровня жидкости, при котором в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают электромагнитные волны с первой частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют первую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, отличающийся тем, что после этого в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают электромагнитные волны со второй частотой, принимают отраженные электромагнитные волны и измеряют вторую разность фаз излучаемых и принимаемых электромагнитных волн, по измеренным значениям первой и второй разности фаз судят об уровне жидкости в емкости.
