Способ измерения уровня жидкости и сыпучих сред в емкости

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2626386:

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 и сыпучих сред, находящихся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов, цемента и др. Технический результат - увеличение точности в предлагаемом способе измерения уровня жидкости и сыпучих сред в емкости достигается тем, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал разностной частоты на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, записывают эти данные в виде массива выборок за время периода модуляции, вычисляют его спектр S и частоту его максимума ƒ_m. Затем по этой частоте находят ближайший к спектру S спектр S_i из числа записанных заранее N спектров, при N известных уровнях, соответствующих уровню L_i, вычисляют функцию взаимной корреляции между спектрами S и S_i, по частоте ее максимума и уровню L_i определяют текущий уровень. 4 ил.

Известны радиоволновые способы измерения, которые используют для бесконтактного измерения уровня жидких сред в емкостях для хранения нефтепродуктов, химически активных, агрессивных вязких жидкостей и сыпучих сред (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 2 мм) в диапазоне измерения от 0,3 до 20 метров и при этом быть надежными, удобными в эксплуатации и недорогими устройствами. В задачах, связанных с радиоволновым бесконтактным измерением уровня жидкостей и сыпучих сред, применяются способы с частотной модуляцией электромагнитных колебаний.

Реализацию способа рассмотрим на примере бесконтактного радиоволнового уровнемера, использующего в работе линейную частотную модуляцию несущей волны (ЛЧМ). Эти частотно-модулированные электромагнитные волны излучаются в сторону поверхности жидкости по нормали к ней. Временное запаздывание отраженной от контролируемой поверхности волны относительно падающей приводит к сдвигу частоты между излученными и отраженными волнами. Этот сигнал разностной частоты (СРЧ) или сигнал биений выделяется на специальном элементе - смесителе, входящем в состав измерительного устройства. В этом случае частота отраженного от поверхности контролируемой среды сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала на величину частоты сигнала биений: , где L - расстояние до поверхности контролируемой среды или уровень, Δƒ - максимальный диапазон перестройки частоты, Т_m - период линейной модуляции, с - скорость света. Из этой формулы следует

Как и у всех частотных дальномеров, здесь имеется методическая дискретная ошибка определения дальности δ, обусловленная конечным числом периодов сигнала биений за время периода модуляции, которое может отличаться от целого:

Наличие этой ошибки определяется способом измерения частоты, который основан на подсчете числа нулей сигнала за определенное время. Так как при незначительном изменении расстояния меняется фаза, а следовательно, и форма сигнала на выходе смесителя, то результат подсчета меняется дискретно. В связи с этим, используются различные технические решения, направленные на уменьшение этой погрешности (Кагаленко Б.И., Марфин В.П., Мещеряков В.П. Дальномер повышенной точности // Измерительная техника. 1981. №12. С. 68-69).

Известно также техническое решение - измерение расстояния по максимальному или средневзвешенному значению спектра сигнала биений в методе с использованием частотной модуляции, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Сов. Радио, 1970. 560 с.). Данный способ-прототип заключается в зондировании поверхности жидкости по нормали к ней частотно-модулированными электромагнитными волнами, приеме отраженных электромагнитных волн, выделение сигнала биений на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами и вычисление расстояния по разностной частоте СРЧ, определяемой по максимальному значению его частотного спектра.

Однако при этом методическая дискретная ошибка (2) сохраняется, поскольку спектральный анализ основан на разложении сигнала по целому числу гармоник, в то время как реальный максимум при измерении расстояния может располагаться и между гармониками. Чтобы измерить частоту СРЧ на минимальном расстоянии 0.3 м, надо иметь такую Δƒм, чтобы можно было наблюдать хотя бы один период сигнала СРЧ. Тогда это будет первая гармоника в спектре СРЧ. Из формулы (1) следует, что Д/м в этом случае равна 500 МГц, а ошибка δ равна 0,15 м при диапазоне измерения свыше 0,3 м. Поэтому, чтобы обеспечить приемлемую точность, приходится увеличивать Δƒм; обычно эта величина для промышленных уровнемеров составляет 1÷2 ГГц, что соответствует δ=7,5÷3,75 см. Дальнейшее увеличение точности достигается путем использования сглаживающих процедур (Езерский В.В., Давыдочкин В.М. Оптимизация спектральной обработки сигнала прецизионного датчика расстояния на основе частотного дальномера // Измерительная техника. 2005. №2. С. 21-25). Однако все равно, использование больших значений Δƒм приводит к увеличению дополнительных погрешностей из-за возрастающего влияния нелинейности частотной характеристики СВЧ блоков схемы измерителя, которое приводит к расширению спектра сигнала биений, и, соответственно, к большей ошибке в определении максимума спектральной плотности. Все это вместе с высокой стоимостью широкополосного устройства с высокой равномерностью частотной характеристики приводит к снижению функциональных параметров уровнемера. Кроме этого дополнительные существенные погрешности приносит наличие паразитных переотражений от технологических объектов, присутствующих в зоне измерения, куда попадают электромагнитные волны из-за наличия у антенны конечной диаграммы направленности (ДН). Это приводит к существенным искажениям спектра СРЧ при некоторых уровнях в результате возникновения дополнительных резонансных условий. При низких уровнях сильное влияние оказывает отражение от дна емкости при частичном проникновении излучения через контролируемую среду. В результате приходится использовать более сложные и дорогие антенные системы или использовать более высокочастотный диапазон электромагнитных волн.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат в предлагаемом способе измерения уровня жидкости и сыпучих сред в емкости достигается тем, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал разностной частоты на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, записывают эти данные в виде массива выборок за время периода модуляции, вычисляют его спектр S и частоту его максимума ƒ_m. Затем по этой частоте находят ближайший к спектру S спектр S_i, из числа записанных заранее N спектров, при N известных уровнях, соответствующий уровню L_i, вычисляют функцию взаимной корреляции между спектрами S и S_i, по частоте ее максимума и уровню L_i определяют текущий уровень.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы линейно модулированного СВЧ излучения антенны и сигнала, отраженного от поверхности среды и принятого антенной.

На фиг. 3 приведены спектр сигнала биений S и опорные спектры S₁, S₂, …S_i, …S_N, соответствующие уровням L₁, L₂, … L_i, … L_N.

На Фиг. 4 показан график взаимно-корреляционной функции между спектром S и ближайшим к нему спектром S_i.

Устройство содержит (см. фиг. 1) модулятор 1, генератор 2, направленный ответвитель 3, передающую антенну 4, приемную антенну 5, смеситель 6, блок спектральной обработки сигнала 7, вычислительный блок 8.

Способ реализуется следующим образом. Генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН 1 модулирует частоту генератора СВЧ 2, с выхода которого электромагнитные колебания проходят через направленный ответвитель 3 на антенну 4 и излучается в сторону контролируемой поверхности 9. Отраженная электромагнитная волна принимается антенной 5 и поступает на первый вход смесителя 6, а второй поступает часть мощности падающей волны от дополнительного вывода направленного ответвителя 3. Из-за временной задержки τ=2L/с, на выходе смесителя 6 формируется сигнал разностной частоты ƒ_b (см. Фиг. 2), который поступает на вход блока спектральной обработки сигнала 7. В этом блоке производится запись данных в массив за время периода частотной модуляции, определяемого импульсом, поступающим от ГЛИН 1. Затем в этом блоке вычисляется спектр сигнала, который затем подается на вычислительный блок 8. Вся область измерения уровня разделена на N зон, для каждой из которых заранее записывается спектр сигнала биений. Количество и расположение зон определяется степенью искажения спектра из-за паразитных переотражений таким образом, что каждому уровню соответствует свой калиброванный спектр сигнала биений. При измерении уровня сначала по максимальному значению текущего спектра S определяется ближайший калиброванный S_i, затем вычисляется между ними взаимно-корреляционная функция и находится частотный сдвиг, соответствующий ее максимуму ƒ_m (см. Фиг. 4). Текущий уровень определяется по формуле:

Благодаря подобному подходу, удается избежать ошибок, сязанных с искажениями спектра сигнала биений, возникающими от переотражений от разных технологических объектов, нарушающих строгую конфигурацию емкостей (трубы, патрубки, муфты, узлы крепления и т.д.). Кроме этого, при уровнях, близких ко дну емкости, возникает паразитное переотражение от дна, которое искажает спектр в еще большей степени, вплоть до полной невозможности использования обычного способа измерения. Дополнительным преимуществом способа может быть использование при прочих равных условиях более дешевых компонентов для изготовления уровнемеров (антенны с широкой ДНА, нелинейность амплитудно-частотной характеристики и т.д.).

Способ измерения уровня жидкости и сыпучих сред в емкости, заключающийся в том, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал разностной частоты на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, записывают эти данные в виде массива выборок за время периода модуляции, вычисляют его спектр S и частоту его максимума , отличающийся тем, что по этой частоте находят ближайший к спектру S спектр S_i из числа записанных заранее N спектров при N известных уровнях, соответствующий уровню L_i, вычисляют функцию взаимной корреляции между спектрами S и S_i, по частоте ее максимума и уровню L_i определяют текущий уровень.

Изобретение может быть использовано для высокоточного определения положения границ раздела сред, в частности воздуха и двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью.

Устройство для измерения уровня вещества в открытой металлической емкости // 2619401

Изобретение предназначено для измерения уровня жидких и сыпучих веществ в открытых емкостях, например, оно может быть применено для определения уровня жидкого металла.

Бесконтактный радиоволновый способ измерения уровня жидкости в емкости // 2611333

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости в емкости. Технический результат заключается в повышении точности измерений.

Линейное отношение между треками // 2606456

Заявленная группа изобретений относится к средствам для измерения уровня заполнения на основе времени распространения сигнала. Предложенное устройство измерения уровня заполнения содержит передающий блок для отправки передаваемого сигнала, который отражается на поверхности загруженного продукта заполняющей среды и по меньшей мере одном втором отражателе; приемный блок для регистрации отраженного переданного сигнала, который является эхо-кривой, которая имеет множество эхо-сигналов; блок оценки для выполнения способа отслеживания для группировки соответственно вызванных идентичными отражателями эхо-сигналов эхо-кривых, зарегистрированных в различные моменты времени, причем блок оценки выполнен с возможностью выполнения следующих этапов: (а) определение первого трека первой группы эхо-сигналов, которые вызваны первым отражателем, и второго трека второй группы эхо-сигналов, которые вызваны вторым отражателем, причем каждый трек описывает время распространения соответствующего переданного сигнала от передающего блока до ассоциированного с треком отражателя и обратно в приемный блок в различные моменты времени; (b) определение линейного отношения между первым треком и вторым треком, задаваемое линейным уравнением; (c) определение одной или нескольких неизвестных из линейного отношения между первым треком и вторым треком.

Радиолокационная система измерения уровня с функцией мониторинга эксплуатации // 2602417

Предложенная группа изобретений относится к средствам для мониторинга и эксплуатации радиолокационной системы измерения уровня для определения уровня наполнения резервуара.

Бесконтактный радиоволновый способ измерения уровня жидкости в емкости // 2601283

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости в емкости, в частности оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов, охлаждающей жидкости в ядерных реакторах и др.

Устройство измерения уровня заполнения и способ определения функциональной взаимосвязи между различными треками // 2600507

Изобретение относится к технической области измерения уровня заполнения. В частности, настоящее изобретение относится к устройству измерения уровня заполнения, к способу определения и читаемому компьютером носителю.

Беспроводная измерительная система для измерения количества жидкости // 2585321

Изобретение относится к области беспроводного измерения количества жидкости. Заявлены способ измерения количества жидкости и система для измерения количества жидкости.

Многоканальный радарный уровнемер // 2584917

Устройство относится к измерителям уровня наполнителя в резервуарах, емкостях и т.д., вВ частности, к радарному детектированию параметров процесса, связанных с расстоянием до поверхности содержимого в резервуаре с помощью электромагнитных волн.

Радарное измерение уровня с определением перемещения поверхности // 2582894

Изобретение относится к радарным уровнемерам. Заявлен способ радарного определения уровня и система для его реализации.

Способ измерения уровня вещества в емкости // 2629706

Изобретение может быть использовано для измерения уровня различных веществ в емкостях, в частности уровня жидкого металла в технологических емкостях металлургического производства. Техническим результатом настоящего изобретения является повышение быстродействия и точности измерения. Способ измерения уровня вещества в емкости, при котором зондируют его поверхность частотно-модулированными электромагнитными волнами в фиксированном диапазоне частот, принимают отраженные волны, при этом при частотной модуляции разбивают фиксированный диапазон частот не менее, чем на два поддиапазона, а частотную модуляцию осуществляют во всех поддиапазонах одновременно, и определяют число возбуждаемых типов электромагнитных колебаний, отличающийся тем, что зондирование поверхности вещества электромагнитными волнами осуществляют по нормали к ней, в каждом из поддиапазонов образуют из зондирующих и отраженных электромагнитных волн после их многократного последовательного зондирования и отражения от поверхности вещества стоячие электромагнитные волны и по числу соответствующих им при девиации частоты типов возбуждаемых электромагнитных колебаний в образуемом резонаторе судят об уровне вещества. 3 ил.

Микроволновый сигнализатор уровня и устройство ввода микроволнового сигнала в резервуар // 2631519

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля уровня материалов в резервуарах путем измерения ослабления микроволнового зондирующего сигнала. Сигнализатор уровня состоит из передающего и приемного модулей. Передающий модуль содержит СВЧ-генератор с антенной, генератор модулирующих импульсов и формирователь меандра. Приемный модуль содержит СВЧ-детектор с антенной, узкополосный усилитель, настроенный на частоту меандра, и соединенные последовательно детектор радиочастоты, усилитель импульсного сигнала, пиковый детектор, компаратор, элемент задержки и устройство формирования выходного сигнала. Устройство ввода микроволнового сигнала сигнализатора уровня в резервуар содержит две металлические трубы, установленные вертикально в отверстиях на крыше резервуара. На внешних торцах труб крепятся антенны приемного и передающего модулей сигнализатора. Нижний торец одной из труб расположен на контролируемом уровне, а нижний торец второй трубы расположен на том же уровне или выше его. Технический результат заключается в обеспечении удобства монтажа сигнализатора уровня. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ измерения количества вещества в металлической емкости // 2645435

Изобретение может быть использовано для высокоточного определения количества (объема, массы, уровня) веществ в различных емкостях. Также оно может быть также использовано в демонстрационных физических экспериментах для описания возможного, в том числе отличного от общепринятого, характера зависимости резонансной частоты электромагнитных колебаний металлической полости резонатора от объема заполняющего полость вещества с различными электрофизическими параметрами. Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения, характеризуемое увеличением чувствительности и, как следствие, точности измерений за счет увеличения диапазона и характера изменения резонансной частоты резонатора в зависимости от измеряемого количества вещества в емкости. В предлагаемом способе измерения количества вещества в металлической емкости, при котором возбуждают электромагнитные колебания в полости емкости и измеряют резонансную частоту электромагнитных колебаний полости емкости, по которой судят об измеряемом количестве вещества, стенки емкости на, по меньшей мере, части ее длины выполняют сжимаемыми или растягиваемыми за счет силы тяжести, при этом изменяют объем емкости как функцию количества вещества в емкости. 5 ил.

Способ определения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости // 2645813

Изобретение может быть использовано для измерения количества (объема, массы) диэлектрической жидкости в металлической емкости произвольной конфигурации независимо от ее диэлектрической проницаемости. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей способа измерения. В способе определения количества диэлектрической жидкости в металлической емкости, при котором в первом цикле измерений возбуждают электромагнитные колебания последовательно в фиксированном диапазоне частот [ƒ1, ƒ2] в полости емкости и подсчитывают число N возбуждаемых типов колебаний, дополнительно, во втором цикле измерений производят излучение электромагнитных волн фиксированной частоты ƒ, для которой длина волны λ в свободном пространстве меньше характерного размера полости, в пространство, ограниченное металлической оболочкой емкости, измеряют среднее за цикл значение выводимой из полости мощности Р электромагнитного поля на длине волны λ, осуществляют совместное функциональное преобразование N и Р. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ определения уровня жидкости в емкости // 2645836

Изобретение может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости, независимо от электрофизических параметров жидкости. Техническим результатом является повышение точности измерений. В способе определения уровня жидкости в емкости, при котором, в первом такте измерений, возбуждают электромагнитные колебания в размещаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью отрезке длинной линии, измеряют резонансную частоту ƒ его электромагнитных колебаний, дополнительно, во втором такте измерений, возбуждают в отрезке длинной линии электромагнитные волны на фиксированной частоте F, принимают отраженные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн и осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ и Δϕ, электромагнитные колебания возбуждают в размещаемом вертикально в емкости с контролируемой жидкостью отрезке длинной линии длиной с оконечным горизонтальным участком фиксированной длины z0, скачкообразно заполняемым жидкостью и опорожняемым при, соответственно, поступлении жидкости в емкость и ее удалении из емкости, и определяют значение z уровня жидкости в результате совместного функционального преобразования ƒ и Δϕ согласно соотношению. 1 ил.

Способ измерения положения границы раздела двух сред в емкости // 2647182

Изобретение может быть использовано для высокоточного определения положения границы раздела двух сред, находящихся в емкости, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью. Техническим результатом является повышение точности измерений. В емкости со средами размещают вертикально два отрезка коаксиальной длинной линии, с оконечными горизонтальными участками фиксированной длины, скачкообразно заполняемыми средами и опорожняемыми при, соответственно, поступлении сред в емкость и их удалении из нее. Возбуждают в отрезках длинной линии электромагнитные колебания на разных резонансных частотах и , которым соответствуют разные распределения энергии электромагнитного поля стоячей волны, и измеряют эти резонансные частоты в зависимости от координаты положения границы раздела двух сред. Между параллельными наружными проводниками отрезков длинной линии возбуждают электромагнитные колебания как в отрезке двухпроводной длинной линии, имеющем на конце его горизонтального участка нагрузочное реактивное сопротивление, отличное от нагрузочных реактивных сопротивлений отрезков коаксиальной длинной линии, измеряют резонансную частоту отрезка двухпроводной длинной линии и производят совместную функциональную обработку. 3 ил.

Способ измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости // 2647186

Изобретение может быть использовано для определения границ раздела в трехкомпонентной среде, в частности воздуха и двух жидкостей с разной плотностью. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей способа. В способе измерения, при котором в емкости со средой размещают вертикально отрезок длинной линии, возбуждают электромагнитные колебания на его резонансной частоте ƒ, осуществляют ее измерение, возбуждают электромагнитные волны на фиксированной частоте, принимают отраженные волны, измеряют фазовый сдвиг Δϕ возбуждаемых и принимаемых волн и осуществляют совместное функциональное преобразование ƒ и Δϕ. Измерение Δϕ производят в том же или другом, идентичном ему, отрезке длинной линии с равномерным вдоль него распределением энергии электрического поля при измерении ƒ и положение нижерасположенной и вышерасположенной границы раздела определяют по разности величин, одна из которых пропорциональна, соответственно, разности между отношением величины, пропорциональной значению Δϕ при наличии среды в емкости к его значению в отсутствие этой среды, и единицей, а другая величина - разности между величиной, пропорциональной квадрату отношения значения ƒ в отсутствие среды к его значению при наличии этой среды в емкости, и единицей. 2 ил.