Радарный уровнемер непрерывного излучения с частотной модуляцией, имеющий функцию самодиагностики
Предложены радарный FMCW-уровнемер, обеспечивающий возможность самодиагностики, и способ проведения самодиагностики данным уровнемером. Уровнемер содержит трансивер, смеситель и распространяющее устройство, подключенное к трансиверу по линии распространения сигнала. Кроме того, уровнемер снабжен процессорным контуром и фильтрующим блоком, который обеспечивает получение отфильтрованного сигнала на промежуточной частоте. Трансивер генерирует либо сигнал для осуществления диагностического сканирования, позволяющий детектировать в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтный эхо-сигнал, поступивший из линии распространения сигнала, либо сигнал для измерительного сканирования, позволяющий в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте подавлять референтный эхо-сигнал и детектировать эхо-сигнал от поверхности продукта. Процессорный контур выполнен с возможностью обеспечить самодиагностику радарного уровнемера, осуществляемую на основе референтного эхо-сигнала, и определение расстояния до поверхности продукта, осуществляемое на основе эхо-сигнала от нее. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности измерения расстояния до поверхности продукта радарным FMCW-измерителем уровня за счет обеспечения возможность детектирования в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтного эхо-сигнала, характеризующего расстояние до границы скачка импеданса. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
Область техники
Изобретение относится к радиолокационному (радарному) уровнемеру, использующему непрерывное излучение с частотной модуляцией (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW) и способному осуществлять функцию самодиагностики, а также к способам применения диагностических сканирований, позволяющим реализовать радарный уровнемер этого типа, способный к самодиагностике.
Уровень техники
Радарные уровнемеры (измерители уровня) нашли широкое применение для определения уровня продукта, находящегося в резервуаре (танке). Радарное измерение уровня обычно осуществляется посредством либо бесконтактного измерения, в процессе которого передаваемые электромагнитные сигналы излучаются в направлении продукта, находящегося в резервуаре, либо контактного измерения с применением волноводного радара (GWR, guided wave radar), с помощью которого передаваемые (излученные) электромагнитные сигналы подводятся к продукту и вводятся в него посредством зонда, действующего, как волновод.
Радарные уровнемеры при их классификации часто подразделяют на импульсные системы и системы FMCW. В системах FMCW в направлении поверхности продукта посылают сигнал, имеющий переменную частоту, а расстояние определяют, исходя из разности частот (и/или фаз) между посланным сигналом и принимаемым одновременно с ним отраженным сигналом. Переданный сигнал отражается поверхностью содержимого резервуара (или любой другой границей скачка импеданса), после чего эхо-сигнал с определенной задержкой во времени возвращается к измерительному прибору. Затем его смешивают с переданным сигналом, формируя смешанный сигнал, частота которого соответствует изменению частоты переданного сигнала, происходящему за время данной задержки. Если используется линейное сканирование, эта разностная частота, именуемая также промежуточной частотой (intermediate frequency, IF), пропорциональна расстоянию до отражающей поверхности. Данный сигнал, поступивший из смесителя, часто именуют IF-сигналом. IF-сигнал будет содержать также частотные компоненты, связанные с отражениями в антенне, а также подобные эхо-сигналы, полученные от других близких зон. Поскольку во втором случае данные сигналы возникают вблизи трансивера (приемопередатчика), они очень сильны, что затрудняет детектирование эхо-сигналов от поверхности. Поэтому, чтобы получить надежные измерительные данные, радарные уровнемеры оборудуют фильтрами, отфильтровывающими IF-сигнал до любого семплирования (получения отсчетов), т.е. подавляющими частотные компоненты, не относящиеся к поверхности продукта.
Во многих случаях радарные уровнемеры приходится использовать в приложениях, в которых неисправность такого устройства может привести к опасным ситуациям. Поэтому радарные уровнемеры должны быть особенно надежными. Чтобы гарантировать их надежность и, тем самым, уменьшить вероятность возникновения опасных ситуаций, принимают различные меры. Например, надлежащее функционирование радарного уровнемера можно обеспечить посредством контрольного тестирования, реализовав для этого функцию самодиагностики. Один из вариантов данной процедуры заключается в измерении референтного эхо-сигнала, обеспечивающего контрольное тестирование тех компонентов радарного уровнемера, которые связаны с генерированием, направлением, фильтрацией, усилением, передачей и/или приемом электромагнитных сигналов (т.е. компонентов, составляющих так называемую микроволновую цепь).
В патенте США №5614911 описан радарный FMCW-уровнемер, позволяющий выявлять такие проблемы, как формирование отложений на антенне, или другие неисправности, например повреждение антенны или ее утрату. Эти проблемы детектируются посредством записывания в память, до практического использования радарного уровнемера, исходной неискаженной референтной функции (так называемого спектра резервуара). При фактическом использовании уровнемера измеренная эхо-функция сопоставляется с неискаженной референтной функцией, хранящейся в памяти, и любые различия анализируются и оцениваются, что позволяет идентифицировать формирование отложений или другие неисправности. Подобный вариант предложен также в патентной заявке US 2006/0015292, где описан радарный уровнемер, использующий принцип рефлектометрии с временным разрешением (time-domain reflectometry, TDR) и позволяющий детектировать нарастание материала на антенне или неисправности электроники радарного TDR-уровнемера. Для распознавания нарастания материала на антенне или неисправностей электроники в уровнемере данного типа, таких как короткие замыкания в цепи, соединяющей антенну и электронику, применяют непрерывное измерение расстояния до поверхности продукта в течение заданного интервала времени. Однако, поскольку эхо-сигналы индивидуальны для каждой антенны и, к тому же, затухают и изменяются во времени, для применения в диагностике функциональных параметров они не пригодны.
Раскрытие изобретения
С учетом желаемых свойств радарного уровнемера, перечисленных выше, главная задача изобретения состоит в разработке способа контрольного тестирования радарного FMCW-уровнемера, обеспечивающего получение референтного эхо-сигнала без увеличения количества компонентов уровнемера или его стоимости.
Изобретение основано на осознании того, что, если для радарного FMCW-уровнемера специальным образом выбрать соотношение между расстоянием и частотой частотного сканирования, реализуется адаптированный вариант сканирования, в котором на линии распространения сигнала, проходящей от трансивера до устройства распространения сигнала (распространяющего устройства), эхо-сигналы не подавляются. В результате на данной линии обеспечивается наличие детектируемых референтных эхо-сигналов, что позволяет радарному уровнемеру производить самодиагностику своей микроволновой цепи.
Соответственно, согласно первому аспекту изобретения перечисленные, а также другие задачи решаются с помощью радарного FMCW-уровнемера, который предназначен для измерения расстояния до поверхности продукта, содержащегося в резервуаре, и способен к самодиагностике. Предлагаемый радарный уровнемер содержит трансивер, выполненный с возможностью генерировать и посылать электромагнитный передаваемый сигнал в форме частотного сканирования. В радарном уровнемере имеются также распространяющее устройство и линия распространения сигнала, соединяющая данное устройство с трансивером. Линия распространения сигнала и распространяющее устройство сконфигурированы таким образом, чтобы передаваемый электромагнитный сигнал направлялся в сторону поверхности продукта и возвращался в виде эхо-сигнала, образованного отражениями от данной поверхности, а также от границы скачка импеданса на пути распространения сигнала. Кроме того, радарный уровнемер снабжен смесителем, подключенным к трансиверу и выполненным с возможностью смешивать эхо-сигнал с частью передаваемого электромагнитного сигнала, формируя сигнал на промежуточной частоте. К смесителю подключен фильтрующий блок, позволяющий фильтровать сигнал на промежуточной частоте, чтобы обеспечить наличие отфильтрованного сигнала с промежуточной частотой, причем обработку этого отфильтрованного сигнала выполняет подключенный к фильтрующему блоку процессорный контур. Частотное сканирование подразделяется на диагностическое сканирование и измерительное сканирование. Диагностическое сканирование выполняется с возможностью детектировать в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтный эхо-сигнал, характеризующий расстояние до границы скачка импеданса. Измерительное сканирование выполняется так, что в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтный эхо-сигнал подавляется, а эхо-сигнал от поверхности продукта, характеризующий расстояние до нее, может быть детектирован. Процессорный контур выполнен с возможностью проведения самодиагностики радарного уровнемера и определения расстояния до поверхности продукта, соответственно на основе референтного эхо-сигнала и эхо-сигнала от поверхности продукта.
Согласно второму аспекту изобретения поставленные задачи решаются посредством способа проведения самодиагностики в радарном FMCW-уровнемере, предназначенном для измерения расстояния до поверхности продукта, содержащегося в резервуаре. Способ включает: генерирование передаваемого электромагнитного сигнала в форме частотного сканирования; направление данного сигнала к поверхности продукта по траектории его распространения и через распространяющее устройство; возвращение эхо-сигнала, образованного отражениями от данной поверхности, а также от границы скачка импеданса на пути распространения сигнала, и смешивание эхо-сигнала и передаваемого сигнала, в результате чего получают сигнал на промежуточной частоте, фильтрацию которого осуществляют, чтобы получить отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте. Частотное сканирование может быть диагностическим или измерительным сканированием, причем диагностическое сканирование производят с возможностью детектировать в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтный эхо-сигнал, характеризующий расстояние до границы скачка импеданса, а измерительное сканирование производят так, что в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтный эхо-сигнал подавляется, а эхо-сигнал от поверхности продукта, характеризующий расстояние до нее, может быть детектирован. Кроме того, способ включает обработку отфильтрованного сигнала на промежуточной частоте с целью его использования для самодиагностики радарного уровнемера и для определения расстояния до поверхности продукта, выполняемую соответственно на основе референтного эхо-сигнала и эхо-сигнала от поверхности продукта.
При диагностическом сканировании отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте содержит эхо-сигналы от границ скачка импеданса, встречающихся на пути распространения сигнала от трансивера до распространяющего устройства.
Линию распространения сигнала можно рассматривать как соединение между микроволновым источником, установленным в трансивере, и распространяющим устройством. Таким образом, в число скачков импеданса, встречающихся вдоль пути распространения сигнала, входит скачок, образованный присоединением к распространяющему устройству, в частности, к антенне.
По сравнению с эхо-сигналами, которые поступают из зон, расположенных ниже распространяющего устройства, эхо-сигналы, поступающие из линии распространения, проходят гораздо меньшее расстояние. В результате они будут гораздо сильнее, например, чем эхо-сигналы от поверхности продукта. Поэтому в обычном радарном FMCW-уровнемере эти сильные эхо-сигналы, содержащие более низкие частоты, нужно отфильтровать или подавить фильтрующим блоком, т.к. в противном случае радарный уровнемер окажется неспособным детектировать эхо-сигнал, поступивший от поверхности продукта, т.е. не сможет определить расстояние до нее. По меньшей мере одно из дополнительных преимуществ изобретения состоит в том, что референтный сигнал поступает из линии распространения и, независимо от примененного распространяющего устройства или других условий, будет одинаковым. Другим дополнительным преимуществом является эффективное использование энергии, излученной в каждом сканировании, для решения текущих задач. Конкретно, посредством измерительного сканирования будет измеряться расстояние до поверхности продукта, в то время как диагностическое сканирование позволит выполнить функцию диагностики. Таким образом, изобретение обеспечивает надежный и простой вариант контрольного тестирования радарного FMCW-уровнемера, не увеличивая количества его компонентов и не прибегая к большим затратам.
В данном контексте термин "измерительное сканирование" означает "обычное" FMCW-сканирование, в ходе которого эхо-сигналы, поступающие из распространяющей линии, подавляются фильтрующим блоком.
Для проведения самодиагностики радарного уровнемера процессорный контур может, кроме того, содержать блок самодиагностики, выполненный с возможностью сопоставлять референтный эхо-сигнал и референтный профиль, сохраняемый в памяти. Должно быть понятно, что надлежащий выбор режима диагностического сканирования позволит детектировать референтный эхо-сигнал в ожидаемой позиции (т.е. для ожидаемого расстояния) и/или с ожидаемой амплитудой. Поэтому в предпочтительном варианте сохраняемый профиль референтного эхо-сигнала содержит информацию об этих ожидаемых параметрах референтного эхо-сигнала для конкретного режима диагностического сканирования. В результате, если референтный эхо-сигнал не соответствует ожидаемому расстоянию и/или не имеет ожидаемой амплитуды, процессорный контур, осуществляющий функцию самодиагностики, может запустить самодиагностику радарного уровнемера и определить, функционирует ли микроволновая цепь ожидаемым образом.
Чтобы отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте мог содержать эхо-сигналы, поступившие из линии распространения, предусмотрена возможность сконфигурировать режим диагностического сканирования с более короткой длительностью, чем у измерительного сканирования. В других вариантах осуществления такой же эффект можно обеспечить, сконфигурировав режим сканирования с увеличенной, по сравнению с измерительным сканированием, шириной полосы сканирования. Возможна также комбинация этих двух режимов. Таким образом, должно быть понятно, что детектировать эхо-сигналы, возникающие в линии распространения, позволяет увеличение количества частот в рамках частотного сканирования, приходящихся на единицу времени. Для некоторых вариантов длительность диагностического сканирования может быть в два раза короче, чем у измерительного сканирования. Для других вариантов длительность диагностического сканирования может быть в четыре раза короче, чем у измерительного сканирования. Соответственно, в некоторых вариантах ширина полосы диагностического сканирования может в два или четыре раза превышать ширину полосы измерительного сканирования.
Фильтрующий блок желательно выполнить так, чтобы он при измерительном сканировании подавлял сигналы на промежуточной частоте, соответствующие референтным эхо-сигналам, или усиливал при диагностическом сканировании эхо-сигналы (в том числе референтные), соответствующие расстоянию. Для этого в различных вариантах данный блок может содержать фильтры высших частот и фильтры нижних частот. Поэтому отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте можно рассматривать как сигнал, у которого скомпенсирована по меньшей мере амплитуда, соотносимая с расстоянием от трансивера. Излученная электромагнитным источником энергия затухает в соответствии с законом обратных квадратов. Поэтому, без компенсации расстояния от фильтрующего блока, сигнал, поступающий из линии распространения и от точки подключения антенны, будет на порядки интенсивнее эхо-сигнала от поверхности продукта. Кроме того, наличие фильтра нижних частот позволяет фильтрующему блоку выполнять сглаживающую функцию, т.е. отфильтровывать высокие частоты, превышающие, например, половину частоты семплирования процессорного контура. Варианты изобретения, использующие фильтр нижних частот, позволяют отфильтровать отражение, полученное от поверхности продукта; как следствие, во время диагностического сканирования данное отражение не учитывается.
Остальные признаки и преимущества изобретения будут понятны из изучения приведенного далее описания и из прилагаемой формулы. Специалисту в этой области будет понятно, что различные признаки изобретения можно, не выходя за границы объема изобретения, комбинировать друг с другом, создавая варианты, отличающиеся от описанных ниже.
Краткое описание чертежей
Далее эти и другие аспекты изобретения будут описаны более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие один из вариантов осуществления изобретения.
На фиг. 1 схематично представлен радарный FMCW-уровнемер, обеспечивающий возможность самодиагностики и выполненный согласно первому варианту осуществления изобретения.
На фиг. 2 схематично представлена измерительная электроника уровнемера по фиг. 1.
На фиг. 3 представлена, в виде графика, характеристика фильтрующего блока, используемого в одном из вариантов изобретения.
На фиг. 4А-4С для одного из вариантов изобретения схематично представлен спектр резервуара, т.е. отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте после быстрого преобразования Фурье (БПФ).
На фиг. 5 проиллюстрированы, в виде графиков, измерительные и диагностические сканирования, выполненные согласно вариантам изобретения.
На фиг. 6 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ согласно варианту изобретения.
Осуществление изобретения
В приведенном далее описании варианты осуществления изобретения рассмотрены преимущественно со ссылкой на радарный уровнемер, который имеет антенну, излучающую в свободном пространстве и предназначенную для испускания и улавливания электромагнитного сигнала. Следует отметить, что этим применением объем изобретения не ограничивается, и оно может быть использовано и в других распространяющих устройствах, включая другие модификации антенн, излучающих в свободном пространстве (например стержневую антенну, патч-антенну, зафиксированную или подвижную параболическую или коническую антенну), а также волноводы, способные направлять излучение волноводного радара, такие как успокоительная трубка, передающая линия или зонд, например, зонд на основе однопроводной линии (в том числе так называемые зонд Зоммерфельда и зонд Губо), зонд на основе двухпроводной линии или коаксиальный зонд.
Более конкретно, в приведенном далее описании варианты изобретения рассмотрены преимущественно со ссылкой на радарный FMCW-уровнемер, использующий шаговое частотное сканирование. Следует отметить, что изобретение реализует свои преимущества в любом семплирующем FMCW-уровнемере, в частности в FMCW-уравномере, использующем непрерывное частотное сканирование, или вообще в любых типах радарных систем, использующих частотные сканирования.
На фиг. 1 схематично проиллюстрирован радарный уровнемер 1, выполненный согласно варианту изобретения и содержащий блок 2 измерительной электроники и распространяющее устройство (в данном случае рупорную антенну 3). Уровнемер 1 установлен на резервуар 4, имеющий стенки 5. Резервуар частично заполнен продуктом 6, подлежащим измерению. Резервуаром 4 может быть любой контейнер или любая емкость, способный (способная) содержать продукт. Резервуар может быть металлическим или частично/полностью неметаллическим, открытым, полуоткрытым или закрытым. Хранящимся в резервуаре продуктом 6 может быть жидкость, сжиженный газ или даже твердое вещество, такое как зерно или пластиковые гранулы. Способ FMCW-измерений обеспечивает для радарного уровнемера относительно высокую измерительную чувствительность, позволяющую получать надежные результаты измерений даже при наличии в резервуаре мешающих объектов. Анализируя переданный сигнал ST, излученный антенной 3 в направлении поверхности 7 продукта 6, и эхо-сигнал SR, возвращаемый от поверхности 7, блок 2 измерительной электроники может определить расстояние между референтной позицией и поверхностью 7, что позволяет сделать заключение об уровне L заполнения. Следует отметить, что, хотя в описании обсуждается резервуар 4, содержащий монопродукт 6, таким же образом может быть измерено расстояние до граничной поверхности любого материала, находящегося в данном резервуаре. При этом переданный сигнал ST, излученный антенной 3 в направлении поверхности 7, часто содержит спектр частот в интервале 9-11 ГГц или 24-27 ГГц, а в некоторых случаях (например при использовании волновода и проведении контактного измерения) нередко применяют спектр частот в интервале 1-3 ГГц.
Как схематично показано на фиг. 1, блок 2 электроники содержит трансивер (т.е. приемопередатчик, Пр/Пер) 10, передающий и принимающий электромагнитные сигналы. Трансивер 10 подключен к антенне 3 через соединительную линию 9 (например волновод), функцию которой может выполнять любое пригодное средство связи, например, коаксиальный кабель или любой электромагнитный волновод. Кроме того, в блоке 2 содержится процессорный контур (ПК) 11, подключенный к трансиверу 10, управляющий им и обрабатывающий полученный от него сигнал, чтобы определить уровень заполнения резервуара 4 продуктом 6. Процессорный контур 11 подключен также к блоку 12 памяти (Пам), в котором хранятся все программы, необходимые для работы радарного уровнемера 1, и имеется оперативная память, используемая при работе уровнемера.
Кроме того, для осуществления аналоговой и/или цифровой коммуникации процессорный контур 11 выполнен с возможностью подключения к внешним линиям 13 коммуникации через интерфейс 14. Например, связь между коммуникационным интерфейсом 14 и внешним пунктом управления (на чертеже не изображен) можно обеспечить посредством двухпроводного интерфейса, который способен выполнять комбинированную функцию, состоящую из передачи результата измерения на данный пункт и получения энергии, необходимой для работы уровнемера 1. Такой двухпроводной интерфейс способен обеспечить более или менее постоянное количество энергии, а результат измерения можно наложить на напряжение питания, используя для этого цифровой протокол, такой как Fieldbus Foundation, HART или Profibus. В альтернативных вариантах ток в линиях регулируют в соответствии с превалирующим результатом измерений. Примером такого промышленного интерфейса является токовая петля, ток в которой регулируется в пределах 4-20 мА в зависимости от результата измерения. В альтернативном варианте радарный уровнемер 1 можно соединить с пунктом управления беспроводным образом, используя для этого, например, протокол Wireless Hart, а для подачи энергии на устройство применить локальный блок питания (на чертеже не изображен) с батареями или другими средствами, аккумулирующими энергию для проведения автономной операции.
В данном случае в комплект интерфейса 14 входит контур регулировки мощности, в котором предусмотрен накопитель 15 энергии, сохраняющий ее во время периодов, когда микроволновый блок неактивен. Это позволяет повысить расход энергии для периодов, когда микроволновый блок используется (т.е. во время сканирования). При такой регулировке мощности можно обеспечить пониженный средний расход энергии, обеспечивая, тем не менее, возможность коротких периодов увеличенного расхода. Накопитель 15 энергии может содержать емкость, причем к нему могут предъявляться определенные требования в отношении размерных ограничений и искробезопасности (когда измерительный прибор установлен в опасной зоне резервуара, содержащего взрывоопасные или легковоспламеняющиеся вещества).
Хотя на фиг. 1 трансивер 10, процессорный контур 11 и интерфейс 14 представлены в виде отдельных блоков, некоторые из них можно разместить на общей монтажной плате или даже в одной интегральной схеме (ИС).
На фиг. 2 блок-схема трансивера 10 и процессорного контура 11, выполненных согласно одному из вариантов изобретения, проиллюстрирована более подробно.
В данном случае трансивер 10 содержит микроволновый источник 21 энергии, который, в свою очередь, управляется таймером 23, представляющим собой часть процессорного контура 11. Микроволновый источник 21 подключен (через делитель 24 мощности) к антенне 3, а также к смесителю (М) 25. Делитель 24 мощности выполнен с возможностью подавать возвращенный сигнал от антенны в смеситель 25, что позволяет этому смесителю смешивать переданный сигнал, излученный микроволновым источником 21, с возвращенным сигналом и, таким образом, получать сигнал на промежуточной частоте. Смеситель 25 подключен к фильтрующему блоку 26, который будет выделять сигнал на промежуточной частоте, т.е. обеспечивать получение профильтрованного сигнала на промежуточной частоте. Данный блок, в свою очередь, подключен к усилителю (Усил.) 27.
В различных вариантах осуществления фильтрующий блок 26 будет содержать по меньшей мере два фильтра высших частот и по меньшей мере один фильтр нижних частот. На фиг. 3 представлена рабочая характеристика фильтрующего блока, использующего первый фильтр высших частот, настроенный на частоту у 3 кГц, второй фильтр высших частот, настроенный на частоту у 60 кГц, и фильтр нижних частот, настроенный на частоту у 100 кГц. Безусловно, в фильтрующий блок 26 можно вносить изменения, причем в нем предусмотрена возможность регулировки частот согласно каждому конкретному приложению. В некоторых вариантах для подавления низких частот может быть использован запирающий фильтр.
В данном случае процессорный контур 11, в добавление к упомянутому таймеру 23, содержит самплер (дискретизатор сигналов) 31, выполненный с возможностью принимать и семплировать сигнал, поступивший из усилителя 27. Самплер может быть выполнен с контуром выборки и запоминания, скомбинированным с аналого-цифровым преобразователем, или в виде сигма-дельта преобразователя. Кроме того, самплер 31 может дополнительно содержать сглаживающий фильтр, выполненный с возможностью дополнительно ослаблять участки, где частота сигналов превышает половину частоты семплирования посредством самплера 31. Для синхронизации с измеряемым сигналом самплер 31 управляется таймером.
Таким образом, на основе сигнала, относящегося к измерительному или диагностическому сканированию, самплер 31 сформирует и направит семплированный сигнал соответственно в блок 34 вычисления уровня (БВУ) или в блок 35 самодиагностики (БСД). На основе семплированного сигнала, полученного из самплера 31, БВУ 34 определит искомое расстояние, а БСД 35 осуществит операцию самодиагностики микроволновой цепи и, таким образом, контрольное тестирование радарного уровнемера 1. В целом, компоненты, принимающие участие в генерировании, направлении, фильтрации, усилении сигналов, а также в передаче и/или приеме электромагнитных волн, объединены термином "микроволновая цепь". Таким образом, в варианте, приведенном в качестве примера, микроволновую цепь составляют по меньшей мере трансивер 10, таймер 23 и самплер 31. Следует отметить, что блок 35 самодиагностики и блок 34 вычисления уровня функционально могут быть одним и тем же блоком.
В типичном варианте элементы трансивера 10 выполнены в виде аппаратных средств и образуют часть интегрированного узла, обычно именуемого микроволновым блоком, тогда как по меньшей мере некоторые участки процессорного контура 11 образованы модулями программного обеспечения, управляемыми встроенным процессором. Однако таким вариантом реализации изобретение не ограничено, и может быть выбрано любое техническое решение, признанное пригодным для выполнения функций, рассмотренных в данном описании.
Далее фильтрующий блок 26 и его рабочая характеристика, приведенная на фиг. 3, будут рассмотрены для варианта, использующего сигналы на промежуточной частоте, относящиеся к измерительному и диагностическому сканированиям и подвергнутые быстрому преобразованию Фурье (БПФ). На фиг. 4А-4С данные сигналы представлены в виде кривых, характеризующих зависимость амплитуды, выраженной в децибелах, от частоты. Важное значение имеет граница детектирования, показывающая, на каком уровне фактически возможно детектирование эхо-сигнала, и обозначенная на фиг. 4А-4С пунктирной линией 40.
Кривая на фиг. 4А представляет собой спектр резервуара, полученный в отсутствие эффективного фильтрующего блока 26. Референтный эхо-сигнал 41 представлен в виде первого эхо-сигнала, превышающего границу детектирования, а гораздо более сильный второй эхо-сигнал 42 представляет собой эхо-сигнал, образованный соединением с антенной и далее именуемый антенным эхо-сигналом 42. Гораздо более слабый последний эхо-сигнал 43 представляет собой реальный эхо-сигнал от поверхности продукта. Таким образом, должно быть понятно, что в отсутствие эффективного фильтрующего блока 26 будет очень трудно различить эхо-сигнал 43, полученный от поверхности продукта, на фоне референтного эхо-сигнала 41 и антенного эхо-сигнала 42. В особенности следует отметить, что у эхо-сигнала 43, полученного от поверхности продукта, часть, расположенная ниже границы 40 детектирования, относительно гораздо больше, чем у остальных эхо-сигналов. Кроме того, на фиг. 4А соотносимый с поверхностью продукта эхо-сигнал 43 показан на расстоянии от остальных эхо-сигналов. Однако эхо-сигналы отделены друг от друга представленным образом только для наглядности, и во многих случаях эхо-сигнал 43 будет иметь меньшую частоту, характеризующую меньшее расстояние, т.е. окажется совершенно неотличимым от антенного эхо-сигнала 42.
График на фиг. 4 В относится к измерительному сканированию, в котором, по сравнению с данными на фиг. 4А, фильтрующий блок 26 посредством первого фильтра высших частот получает возможность подавить нежелательные эхо-сигналы, поступающие из ближней зоны, такие как референтный эхо-сигнал 41. Следует иметь в виду, что сигнал 41 гасится фильтрующим блоком 26 до уровня, лежащего ниже границы 40 детектирования. Из этого следует, что во время измерительного сканирования детектировать референтный эхо-сигнал 41 будет невозможно. Однако антенный эхо-сигнал 42 часто имеет уровень выше границы 40 детектирования, т.е. достаточный для того, чтобы его можно было детектировать. Антенный эхо-сигнал 42 индивидуален для каждой антенны и к тому же может затухать и изменяться во времени в зависимости от атмосферы резервуара и/или от осаждения продукта на антенну. Поэтому данный сигнал, поступающий от соединения с антенной, менее пригоден для применения, связанного с выполнением функции диагностики. В предпочтительном варианте фильтрующий блок 26, кроме того, посредством второго фильтра высших частот компенсирует потерю энергии, зависящую от расстояния при распространении волн в свободном пространстве. Такие потери известны также под названием "потери при прохождении в свободном пространстве", причем энергия затухает в соответствии с законом обратных квадратов. Кроме того, фильтрующий блок 26 посредством фильтра нижних частот ограничивает ширину полосы сигнала, чтобы уменьшить количество шума, который, если этого не сделать, будет усиливаться усилителем 27. Данная функция ограничения ширины полосы, выполняемая фильтром нижних частот в блоке 26, может дополнительно выполнять функцию сглаживающего фильтра, подавляющего частоты, превышающие, например, половину частоты, семплируемой процессорным контуром 11. Для фильтрующего блока данное требование (подавление более высоких частот) в типичной ситуации будет зависеть от самплера 31. Сигма-дельта преобразователь может запускаться с частотой нескольких мегагерц внутренними часами, ход которых на порядок быстрее частоты семплирования и, таким образом, не требует дополнительного подавления более высоких частот. Для семплеров других типов может понадобиться встроенный фильтр нижних частот, выполняющий сглаживающую функцию для дополнительного подавления частот. По меньшей мере в одном варианте самплер 31 представляет собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП) последовательных приближений, после которых предусмотрена возможность дополнительной выборки. В таком варианте какое-либо дополнительное подавление более высоких частот не требуется.
На чертежах сглаживающий эффект показан в виде заштрихованного участка, начинающегося у сглаживающей частоты 44 фильтрующего блока 26.
График на фиг. 4С относится к диагностическому сканированию. Следует отметить, что в данном случае более высокая частота связана с референтным эхо-сигналом 45, который будет детектироваться выше границы детектирования, поскольку фильтрующий блок 26 больше не подавляет его существенным образом. Присутствует также антенный эхо-сигнал 46. В связи с тем, что сигнал 45 теперь является детектируемым, появляется возможность выполнения функции самодиагностики. Однако важно отметить, что во время диагностического сканирования более высокую частоту, которая может даже превышать сглаживающую частоту 44, 48 фильтрующего блока 26, будет иметь эхо-сигнал 47, полученный от поверхности продукта. Таким образом, появляется возможность отфильтровать эхо-сигнал 47, полученный от поверхности продукта, посредством фильтра нижних частот в составе блока 26. Чтобы была понятна взаимосвязь с предыдущими чертежами, на фиг. 4С данный эхо-сигнал 47 показан с сохранением его исходного уровня. Однако на самом деле он, как и в случае референтного эхо-сигнала 41 в измерительном сканировании, будет гаситься до уровня, лежащего ниже границы 40 детектирования. Поэтому, если частота эхо-сигнала 47, полученного от поверхности продукта, выше сглаживающей частоты 48 фильтрующего блока 26 и самплера 31, во время диагностического сканирования измерение расстояния L до поверхности 7 продукта становится невозможным.
В измерительном сканировании отфильтрованная промежуточная частота для эхо-сигнала 43, полученного от поверхности, может быть такой же, как отфильтрованная промежуточная частота для референтного эхо-сигнала 45 в диагностическом сканировании. Тогда отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте в случае измерительного сканирования будет характеризовать расстояние до поверхности продукта, а в случае диагностического сканирования - соответствующее расстояние для референтного эхо-сигнала 45, которое измеряется от точки, расположенной между микроволновым источником 21 и антенной 3.
На фиг. 5А-5С представлены графики, иллюстрирующие зависимость частоты от времени и относящиеся к частотным сканированиям, генерируемым микроволновым источником 21 и распространяемым антенной 3. С параметрами частотного сканирования частота эхо-сигнала связана следующим уравнением:
где f - частота принятого сигнала на промежуточной частоте, с - скорость света в данной среде, h - расстояние, пройденное эхо-сигналом, T - длительность сканирования, а В - ширина полосы сканирования. Таким образом, чем больше расстояние h, тем выше будет частота эхо-сигнала. Поскольку скорость света и расстояние для эхо-сигнала являются фиксированными параметрами, изобретение предлагает использовать для диагностического сканирования такие значения ширины полосы В и длительности Т сканирования, при которых становится возможным детектирование референтного эхо-сигнала 45 выше границы детектирования.
На фиг. 5А проиллюстрировано измерительное сканирование с шириной полосы и длительностью сканирования, равными соответственно bw1 и t1. После смешивания с сигналом в форме частотного сканирования, фильтрования и БПФ принятый сигнал будет подобен сигналу по фиг. 4В.
На фиг. 5В проиллюстрировано диагностическое сканирование с шириной полосы и длительностью сканирования, равными соответственно bw1 и t2, причем t2 меньше t1. После соответствующего смешивания, фильтрования и БПФ принятый сигнал будет подобен сигналу по фиг. 4С.
На фиг. 5С представлено репрезентативное диагностическое сканирование с шириной полосы, равной bw2, причем bw2 больше bw1, и длительностью сканирования, равной t1. После соответствующего смешивания, фильтрования и БПФ принятый сигнал будет подобен сигналу по фиг. 4С.
Безусловно, возможна также комбинация репрезентативных частотных сканирований, проиллюстрированных на фиг. 5В и 5С.Очевидно, что увеличение отношения ширины полосы к длительности сканирования в уравнении, представленном выше, приведет к повышению частоты референтного эхо-сигнала, в результате чего, в отличие от обычного измерительного сканирования, появляется возможность детектировать данный сигнал.
На фиг. 6 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ измерения расстояния до поверхности продукта согласно одному из вариантов изобретения. Сначала будут описаны основные операции S1-S6 предлагаемого способа, а затем рассмотрены его операции S11, S12, S61 и S62.
Прежде всего, на операции S1 посредством таймера 23 настраивают микроволновый источник 21 так, чтобы получить выходной сигнал в форме шагового частотного сканирования. Оно генерируется в источнике 21, в котором предусмотрен контур обратной связи, стабилизирующий частоту, причем в различных вариантах осуществления таким контуром может быть петля фазовой синхронизации. Сигнал может пошагово изменяться обычным образом, т.е. надлежащими шагами от низкой частоты к высокой. Однако в альтернативных вариантах предусмотрена возможность его изменения, наоборот, от высокой частоты к низкой. Частотное сканирование может проводиться, например, в полосе шириной порядка нескольких гигагерц (в частности 0,2-6 ГГц) с центральной частотой порядка 25 ГГц или 10 ГГц. При этом в сканировании количество N шагов для желаемого расстояния 30 м может находиться в интервале 100-4000, в типичном случае 200-2000 (например составлять примерно 1000). Таким образом, размер (AT) каждого шага по частоте в типичном случае составит величину порядка мегагерц. Для приложения, в котором энергия питания ограничена, продолжительность сканирования также ограничена и в типичном случае составляет порядка 0-100 мс. Например, продолжительность измерительного сканирования может равняться примерно 5 мс, и при наличии 500 частотных шагов (N=500) это приводит к продолжительности каждого шага, равной 10 мкс (или к частоте обновления, равной примерно 100 кГц). Продолжительность шагов регулируют частотой семплирования, выбранной для контура обратной связи, стабилизирующего частоту и предусмотренного в микроволновом источнике 21. Конкретно, обычно продолжительность частотных шагов фиксируют, а для проведения диагностического сканирования регулируют количество шагов и/или начальную и конечную частоты сканирования. Поэтому, чтобы провести диагностическое сканирование с укороченной длительностью сканирования, но при той же ширине полосы, уменьшают количество шагов, увеличивая тем самым размер Δf каждого шага по частоте Подобным образом, чтобы провести диагностическое сканирование с увеличенной шириной полосы, но за то же время, выполняют такое же количество шагов, увеличивая при этом размер Δf. каждого шага.
Затем, на операции S2 сигнал, поступивший из микроволнового источника 21, направляют по линии распространения от источника 21 к антенне 3 и подают в резервуар 4 уже как электромагнитный сигнал ST, передаваемый антенной 3 в направлении поверхности 7 продукта.
Далее, на операции S3 возвращенный сигнал SR, вернувшийся после отражения от поверхности 7, принимают антенной 3 и посылают по волноводу 9 в трансивер 10 и, таким образом, в делитель 24 мощности.
На операции S4 возвращенный сигнал SR посылают через делитель 24 мощности в смеситель 25, где его смешивают с исходным сигналом, чтобы получить сигнал на промежуточной частоте, имеющий форму кусочно-постоянного осциллирующего сигнала, частота которого пропорциональна расстоянию до отражающей поверхности, а длина каждого постоянного отрезка равна размеру шага сигналов. Типичная частота лежит в диапазоне килогерц (например менее 100 кГц, обычно менее 50 кГц).
На операции S5 производят фильтрацию поступившего из смесителя 25 сигнала на промежуточной частоте посредством фильтрующего блока 26, который настроен на получение из сигналов на промежуточной частоте, имеющей набор значений, отфильтрованного сигнала с промежуточной частотой. Пример характеристики фильтрующего блока проиллюстрирован на фиг. 3. Затем отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте усиливают в усилителе 27.
После этого на операции S6 усиленный отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте передают в процессорный контур 11, где самплер 31 производит его семплирование и А/Ц-преобразование. Желательно, чтобы у АЦП 30 частота семплирования была достаточно близка к скорости обновления сигнала. Тогда семплирование каждого шага сигнала будет происходить только один раз и не больше. Вектор, полученный в результате семплирования, подают для дальнейшей обработки в блок 35 самодиагностики или в блок 34 вычисления уровня.
В режим измерительного сканирования или в режим диагностического сканирования микроволновый источник 21 переключается посредством таймера 23. Согласно предлагаемому способу в процессе измерительного сканирования происходит непрерывный переход от шага S1 до шага S11 в режиме рассмотренного выше обычного частотного сканирования, пример которого приведен на фиг. 5А. Если микроволновый источник 21 переключен таймером 23 в режим диагностического сканирования, согласно предлагаемому способу будет выполняться непрерывный переход также от шага S1, но уже до шага S12, причем в данном режиме соотношение между шириной полосы и длительностью диагностического сканирования регулируют так, чтобы обеспечить возможность прохождения эхо-сигналов, поступивших по линии распространения от микроволнового источника 21 к антенне 3, и выполнения ими функции референтных эхо-сигналов. Примеры генерированных диагностических сканирований приведены на фиг. 5В и 5С.
В завершение операции подключенный к таймеру 23 самплер 31 передаст семплированный сигнал в блок 34 вычисления уровня, чтобы выполнить операцию S61 способа. На данной операции блок 34 вычисляет, на основе отобранного вектора, частоту отфильтрованного сигнала на промежуточной частоте, используемую затем для определения расстояния до отражающей поверхности, т.е. до уровня заполнения резервуара продуктом. В случае же диагностического сканирования самплер 31 передаст семплированный сигнал в блок 35 самодиагностики для проведения операции S62 способа. На данной операции блок 35 определит, функционирует ли радарный уровнемер надлежащим образом. Конкретно, блок 35 сопоставит измеренный референтный эхо-сигнал с его профилем, хранящимся в памяти и соответствующим ожидаемому расстоянию до поверхности продукта и/или ожидаемой амплитуде сигнала. Таким образом, если измеренный референтный эхо-сигнал чем-то отличается от сохраняемого значения и от других сохраняемых параметров, блок 35 самодиагностики будет способен определить, что какой-то компонент микроволновой цепи неисправен.
Радарный уровнемер 1 может проводить самодиагностику микроволновой цепи так часто, насколько это необходимо, или так часто, как считает нужным оператор. Например, уровнемер 1 может выполнять диагностическое сканирование по меньшей мере один раз в час или по меньшей мере один раз в минуту. Безусловно, возможны также и другие интервалы проведения такого сканирования, например, так, чтобы оно выполнялось просто более или менее часто.
На чертежах операции и стадии способа представлены в конкретном порядке, однако, этот порядок может отличаться от приведенного. Кроме того, две или более операции полностью или частично могут быть проведены одновременно. Такой вариант будет зависеть от выбора программного и технического обеспечения, а также от выбора схемы конструктором. Все эти варианты находятся в границах объема данного описания. Сходным образом, разработка программ для выполнения различных операций подключения, обработки, сопоставления и принятия решений может быть выполнена посредством стандартных приемов программирования с использованием логических узлов на основе строгой логики, а также других систем логики. В дополнение к этому, несмотря на то, что изобретение было описано с приведением конкретных характерных вариантов его осуществления, специалистам в этой области будут понятны многочисленные разнообразные изменения, модификации и другие подобные трансформации предлагаемого материала. Например, приведенная на фиг. 3 характеристика фильтрующего блока представляет собой только один из возможных вариантов, и квалифицированному специалисту в этой области будет легко понять, что возможно рассмотрение также и других характеристик фильтров, пригодных в данном случае. Модификации приведенных вариантов осуществления могут быть понятны квалифицированному специалисту, реализующему заявленное изобретение на практике, из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы. При этом в формуле изобретения термины "содержащий" и "включающий" не исключают присутствия других элементов или операций.
1. Радарный FMCW-измеритель (1) уровня, обеспечивающий возможность самодиагностики и предназначенный для измерения расстояния до поверхности (7) продукта (6), содержащегося в резервуаре (4), при этом радарный измеритель (1) уровня содержит:
- трансивер (10), выполненный с возможностью генерировать и посылать передаваемый электромагнитный сигнал в форме частотного сканирования,
- распространяющее устройство (3),
- линию распространения сигнала, соединяющую распространяющее устройство (3) с трансивером (10), причем указанная линия распространения сигнала и распространяющее устройство (3) выполнены с возможностью направлять передаваемый электромагнитный сигнал в сторону поверхности (7) и возвращать эхо-сигнал, образованный отражениями от поверхности (7), а также от границы скачка импеданса на пути распространения сигнала,
- смеситель (25), подключенный к трансиверу (10) и выполненный с возможностью смешивать эхо-сигнал с частью передаваемого электромагнитного сигнала, формируя сигнал на промежуточной частоте,
- фильтрующий блок (26), подключенный к смесителю (25) и выполненный с возможностью фильтровать сигнал на промежуточной частоте, обеспечивая получение соответствующего отфильтрованного сигнала на промежуточной частоте, и
- процессорный контур (11), подключенный к фильтрующему блоку (26) и выполненный с возможностью обрабатывать отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте,
отличающийся тем, что трансивер (10) выполнен с возможностью осуществления частотного сканирования в виде диагностического сканирования, причем
при диагностическом сканировании обеспечена возможность детектирования в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтного эхо-сигнала, характеризующего расстояние до указанной границы скачка импеданса, и при этом
трансивер (10) выполнен с возможностью осуществления частотного сканирования в виде измерительного сканирования, причем при измерительном сканировании обеспечена возможность подавления в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтного эхо-сигнала и возможность детектирования в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте эхо-сигнала от поверхности (7) продукта, характеризующего расстояние до нее,
при этом процессорный контур (11) выполнен с возможностью проводить самодиагностику радарного измерителя (1) уровня, используя для этого референтный эхо-сигнал, и определять расстояния до указанной поверхности (7), используя для этого эхо-сигнал от нее.
2. Радарный FMCW-измеритель (1) уровня по п. 1, в котором процессорный контур (11) дополнительно содержит блок (35) самодиагностики, выполненный с возможностью сопоставлять референтный эхо-сигнал и профиль его распределения, сохраняемый в памяти, при этом сохраняемый профиль референтного эхо-сигнала содержит значение ожидаемого расстояния для референтного эхо-сигнала и/или его ожидаемую амплитуду.
3. Радарный FMCW-измеритель (1) уровня по п. 1, в котором распространяющее устройство (3) представляет собой параболическую антенну, рупорную антенну или патч-антенну.
4. Радарный FMCW-измеритель (1) уровня по п. 1, в котором распространяющее устройство (3) представляет собой зонд Зоммерфельда, зонд Губо, коаксиальный зонд, зонд на основе двухпроводной линии или успокоительную трубку.
5. Радарный FMCW-измеритель (1) уровня по п. 1, который способен осуществлять диагностическое сканирование по меньшей мере один раз в час.
6. Радарный FMCW-измеритель (1) уровня п. 1, который способен осуществлять диагностическое сканирование по меньшей мере один раз в минуту.
7. Радарный FMCW-измеритель (1) уровня по любому из предыдущих пунктов, в котором фильтрующий блок (26) содержит по меньшей мере два фильтра высших частот и по меньшей мере один фильтр нижних частот.
8. Радарный FMCW-измеритель (1) уровня по п. 7, в котором один из по меньшей мере двух фильтров высших частот настроен на 3 кГц, другой из по меньшей мере двух фильтров высших частот настроен на 60 кГц, а по меньшей мере один фильтр нижних частот настроен на 100 кГц.
9. Способ проведения самодиагностики в радарном FMCW-измерителе (1) уровня, предназначенном для измерения расстояния до поверхности (7) продукта (6), содержащегося в резервуаре (4), включающий следующие операции:
- генерирование (S1) передаваемого электромагнитного сигнала в форме частотного сканирования,
- направление (S2) передаваемого электромагнитного сигнала по линии (9) распространения сигнала и через распространяющее устройство (3) в сторону поверхности (7) продукта,
- возвращение (S3) эхо-сигнала, образованного отражениями от указанной поверхности, а также от границы скачка импеданса на пути распространения сигнала,
- смешивание (S4) эхо-сигнала и передаваемого сигнала, чтобы получить сигнал на промежуточной частоте, и
- фильтрацию (S5) сигнала на промежуточной частоте, чтобы получить отфильтрованный сигнал на промежуточной частоте,
отличающийся тем, что генерируют (S1) передаваемый электромагнитный сигнал в форме диагностического сканирования (S12), причем
диагностическое сканирование производят так, чтобы обеспечить возможность детектирования в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтного эхо-сигнала, характеризующего расстояние до указанной границы скачка импеданса,
осуществляют обработку (S6) отфильтрованного сигнала на промежуточной частоте так, чтобы обеспечить для радарного измерителя уровня выполнение самодиагностики (S62) на основе референтного эхо-сигнала, генерируют (S1) передаваемый электромагнитный сигнал в форме измерительного сканирования (S11), причем
измерительное сканирование производят так, чтобы подавить в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте референтный эхо-сигнал и обеспечить возможность детектирования в отфильтрованном сигнале на промежуточной частоте эхо-сигнала от поверхности (7) продукта, характеризующего расстояние до нее, и осуществляют обработку (S6) отфильтрованного сигнала на промежуточной частоте так, чтобы обеспечить определение, на основе эхо-сигнала от поверхности (7) продукта, расстояния до нее (S61).
10. Способ по п. 9, в котором операция (S6) обработки отфильтрованного сигнала на промежуточной частоте, предназначенного для проведения самодиагностики (S62) радарного измерителя уровня, включает сопоставление референтного эхо-сигнала с профилем его распределения, сохраняемым в памяти, при этом сохраняемый профиль референтного эхо-сигнала содержит значение ожидаемого расстояния для референтного эхо-сигнала и/или его ожидаемую амплитуду.
11. Способ по п. 9, в котором длительность сканирования в режиме диагностики меньше, чем в режиме измерения.
12. Способ по п. 11, в котором длительность диагностического сканирования по меньшей мере в два раза, предпочтительно по меньшей мере в четыре раза меньше, чем длительность измерительного сканирования.
13. Способ по п. 9, в котором ширина полосы диагностического сканирования больше ширины полосы измерительного сканирования.
14. Способ по п. 13, в котором ширина полосы диагностического сканирования по меньшей мере в два раза, предпочтительно по меньшей мере в четыре раза больше, чем ширина полосы измерительного сканирования.
15. Способ по любому из пп. 9-14, в котором частотным сканированием охватываются частоты только в интервале 24-27 ГГц, только в интервале 1-3 ГГц или только в интервале 9-11 ГГц.
