УРОВНЕМЕР Российский патент 1994 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к контролю и измерению уровня жидких веществ.

Известны устройства, работающие на принципе локации в СВЧ-диапазоне с частотной модуляцией зондирующего сигнала.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является радиоволновой уровнемер, содержащий датчик и приемное устройство с антенным блоком, смесителем, усилителем, генератором, первым и вторым фильтрами и индикатором.

Известное устройство не позволяет производить многопозиционные измерения без дополнительных затрат, связанных с размещением уровнемера с токоподводящими цепями на каждом хранилище, и специальных мер для снижения искро- и взрывобезопасности.

Цель изобретения - повышение надежности устройства и обеспечение возможности проведения многопозиционных измерений уровня в нескольких хранилищах одним устройством, содержащим активный элемент.

Цель достигается тем, что в радиоволновой уровнемер, содержащий датчик и приемное устройство с генератором, смесителем, первым и вторым фильтрами, антенным блоком, усилителем и индикатором, введены дополнительные датчики уровня, генератор выполнен в виде СВЧ-генератора, а в приемное устройство введены последовательно соединенные первый генератор модулирующего сигнала, синхронизатор, блок управления, генератор частоты смещения и преобразователь частоты, выход которого подключен к второму входу смесителя, первый счетчик, подключенный к первому входу индикатора, нелинейный элемент, последовательно соединенные второй счетчик и второй генератор модулирующего сигнала, выход которого подключен к второму входу СВЧ-генератора, и последовательно включенные между СВЧ-генератором и антенным блоком ответвитель и поляризатор, вторые выходы которых соединены с первыми входами соответственно преобразователя частоты и смесителя, последовательно соединенными с первым фильтром, нелинейным элементом, вторым фильтром и усилителем, выход которого подключен к первым входам первого счетчика и второго счетчика, к второму и третьему входам которого подключены соответственно третий и четвертый выходы синхронизатора, первый, второй и пятый выходы которого соединены соответственно с вторым входом генератора модулирующего сигнала, входом блока управления и третьим входом первого счетчика, при этом четвертый выход синхронизатора подключен также к второму входу первого счетчика, а второй выход первого генератора модулирующего сигнала соединен с первым входом СВЧ-генератора, выполненного с возможностью создания электромагнитного поля между антенным блоком и каждым датчиком.

Датчик уровня содержит последовательно соединенные антенну, поляризатор, ответвитель, циркулятор, вертикально расположенный волновод, а также сумматор, причем первый вход поляризатора соединен с антенной, второй - с выходом сумматора, первый выход ответвителя соединен с входом циркулятора, первый выход циркулятора - с входом волновода, вторые выходы ответвителя и циркулятора соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора.

Повышение надежности, т. е. снижение взрыво- и искроопасности достигается исключением токоведущих и токопотребляющих цепей непосредственно на хранилищах, а также возможностью полной герметизации агрессивных и взрывоопасных сред.

Улучшение эксплуатационных характеристик за счет проведения многопозиционных измерений уровня в нескольких хранилищах одним устройством, содержащим активный элемент, достигается установкой на каждом хранилище пассивных измерительных блоков, формирующих и ретранслирующих сигналы, на основе которых производится измерение уровня в каждом хранилище.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема уровнемера; на фиг. 2 - графики, поясняющие его работу.

Уровнемер содержит СВЧ-генератор 1, первый генератор 2 модулирующего сигнала, второй генератор 3 модулирующего сигнала, ответвитель 4, поляризатор 5, антенный блок 6, смеситель 7, преобразователь 8 частоты, генератор 9 частоты смещения, блок 10 управления, первый фильтр 11, нелинейный элемент 12, второй фильтр 13, усилитель 14, первый счетчик 15, индикатор 16, второй счетчик 17, синхронизатор 18 и датчики 19 уровня, каждый из которых содержит антенну 20, поляризатор 21, ответвитель 22, циркулятор 23, вертикальный волновод 24 и сумматор 25.

Первый генератор 2 модулирующего сигнала, СВЧ-генератор 1, ответвитель 4, поляризатор 5 и антенный блок 6 соединены последовательно. К второму выходу поляризатора 5 подсоединены последовательно включенные смеситель 7, первый фильтр 11, нелинейный элемент 12, второй фильтр 13, усилитель 14. С выходом усилителя 14 соединены первые входы первого счетчика 15 и второго счетчика 17. Выход первого счетчика 15 подсоединен к первому входу индикатора 16. Выход второго счетчика 17 соединен с первым входом второго генератора 3 модулирующего сигнала, выход которого подключен к второму входу СВЧ-генератора 1. Второй выход ответвителя 4 соединен с первым входом преобразователя 8 частоты, выход которого соединен с вторым входом смесителя 7. К второму входу преобразователя 8 частоты подсоединен выход генератора 9 частоты смещения, вход которого соединен с первым выходом блока 10 управления. Второй выход блока 10 управления подключен к второму входу индикатора 16. Второй вход второго генератора 3 модулирующего сигнала, второй и третий входы второго счетчика 17 и третий вход первого счетчика 15 соединены соответственно с первым, третьим, четвертым и пятым выходами синхронизатора 18, вход которого подключен к первому выходу первого генератора 2 модулирующего сигнала. Вход блока 10 управления подключен к второму выходу синхронизатора 18, а второй вход первого счетчика 15 подключен к четвертому выходу синхронизатора 18.

N датчиком уровня связаны с антенным блоком электромагнитным полем СВЧ. Каждый датчик содержит последовательно подключенные антенну 20, поляризатор 21, ответвитель 22, циркулятор 23 и вертикально расположенный волновод 24, а также сумматор 25, причем вторые входы циркулятора 23 и ответвитель 22 соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 25, выход которого подключен к второму входу поляризатора 21.

Блок управления может быть выполнен по схеме, представленной на фиг. 3, и содержит счетчик 26, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 27, двоично-десятичный дешифратор 28, причем вход счетчика 26 является входом блока управления, к выходу счетчика подключены параллельно входы ПЗУ 27 и двоично-десятичного дешифратора 28. Выход ПЗУ является первым выходом блока 10 управления, а выход двоично-десятичного дешифратора является вторым его выходом.

Уровнемер работает следующим образом.

Частотно-модулированные (ЧМ) колебания с СВЧ-генератора 1 через ответвитель 4 поступают на вход поляризатора 5, с него подаются на антенный блок 6 и излучаются в направлении хранилища, в каждом из которых установлен датчик 19. Работа всех датчиков одинакова. Сигналы принимаются антенной 20 и поступают на поляризатор 21. В случае совпадения поляризации принятого сигнала с поляризацией, на которую настроен поляризатор 21, выходной сигнал поступает на ответвитель 22. С первого выхода ответвителя 22 сигнал, являющийся опорным сигналом для измерения уровня, поступает на первый вход сумматора 25. С второго выхода ответвителя 22 сигнал через циркулятор 23 поступает в вертикально установленный в хранилище волновод 24 с поглощающим материалом на нижнем конце и перфорированными стенками. Часть длины этого волновода заполнена жидкостью, уровень которой требуется измерить. Уровень жидкости в волноводе 24 совпадает с уровнем жидкости в хранилище. Отраженный от поверхности жидкости сигнал возвращается по волноводу 24 и поступает на циркулятор 23. С второго выхода циркулятора 23 сигнал, являющийся измерительным, поступает на второй вход сумматора 25 и с его выхода сумма опорного и измерительного сигналов поступает на второй, ортогональный по поляризации вход поляризатора 21, а с него - в антенну 20 и излучается в обратном направлении. Информация об уровне жидкости в данном хранилище заключена в разности задержек опорного и измерительного ЧМ сигнала. Антенный блок 6 принимает суммы опорного и измерительного сигналов, излученных всеми датчиками 19, и передает их в поляризатор 5. В качестве поляризатора 5 может быть использовано устройство разделения радиоволн на ортогональные составляющие. Так как поляризация принятых сигналов ортогональна поляризации излучаемых антенным блоком 6 сигналов, то принятые сигналы проходят на второй ортогональный вход поляризатора 5 и с него на первый вход смесителя 7. На второй вход смесителя 7 поступает с второго выхода ответвителя 4 через преобразователь 8 частоты копия излученного сигнала, но сдвинутая по частоте в преобразователе 8 на частоту смещения f_см, поступающую с генератора 9 частоты смещения. Величина этой частоты может дискретно изменяться с помощью блока 10 управления. Закон изменения частоты всех этих сигналов показан на фиг. 2а. Генератор частоты смещения может быть выполнен на основе управляемых цифровых генераторов.

Смещение частоты производится с целью переноса спектра измеpяемых сигналов биений в область частот, где отсутствуют мешающие спектральные составляющие, возникающие в результате взаимодействия сигналов получаемых от датчика уровня различных хранилищ, и выбора для обработки спектральных составляющих, относящихся к одному их хранилищ. Перебор хранилищ осуществляется переключением частоты смещения.

Сигналы биений каждого из принятых сигналов и копии излученного сигнала, но сдвинутые по частоте на величину f_см, поступают на первый фильтр 11 (фиг. 2б). Частота биений каждого из принятых сигналов пропорциональна дальности до соответствующего места формирования сигнала в датчике 19. Величина f_см с помощью блока 10 управления выбирается таким образом, чтобы в полосу пропускания первого фильтра 11 (фиг. 2а) попадали опорный и измерительный сигналы только от одного из датчиков, т. е. только от одного из хранилищ. Для этого все хранилища должны быть расположены на разных дистанциях от уровнемера.

Сумма опорного и измерительного сигналов выбранного хранилища с выхода первого фильтра 11 (фиг. 2) поступает на нелинейный элемент 12, где в результате их взаимодействия возникает сигнал с частотой биений между опорным и измерительным сигналами (фиг. 2д). Причем частота биений пропорциональна разности времени задержки опорного и измерительного сигналов, т. е. пропорциональна расстоянию до поверхности жидкости в выбранном хранилище. Далее сигнал с частотой биений поступает через усилитель 14 на первые входы первого 15 и второго 17 счетчиков. Второй счетчик 17 кроме сигнального входа имеет два управляющих входа - "Установка нуля" и "Разрешение счета", подключенные к соответствующим выходам синхронизатора 18. Последний служит для управления работой второго счетчика 17, второго генератора 3 модулирующего сигнала и первого счетчика 15. В качестве тактовой частоты используется частота быстрой модуляции.

В исходном состоянии перед началом измерения в первом 15 и втором 17 счетчиках сохраняется некоторое число, оставшееся от предыдущего измерения. Второй генератор 3 модулирующего сигнала в исходном состоянии и на этапе грубого измерения не работает и на его выходе сигнал равен нулю. СВЧ-генератор 1 модулируется в это время только сигналом с первого генератора 2 модулирующего сигнала.

В начале цикла измерения на вход "Установка нуля" второго счетчика 17 и второй вход первого счетчика 15 с синхронизатора 18 приходит импульс "Сброс" и обнуляет их. После окончания импульса "Сброс" на вход "Разрешение счета" второго счетчика 17 приходит импульс "Разрешение грубого счета", длительность которого равна одному периоду быстрой модуляции. Второй счетчик 17 считает число импульсов сигнала биений на этом интервале, т. е. фиксирует грубое значение уровня жидкости в выбранном хранилище. Результат счета сохраняется до конца цикла измерения в данном хранилище. В соответствии с измеренным значением уровня изменяется амплитуда выходного напряжения второго генератора 3 модулирующего сигнала таким образом, чтобы диапазон изменения частоты δ f СВЧ-генератора 1 был обратно пропорционален измеряемому расстоянию R:
δf = , где С = 3˙ 10 м/с; Ψ_o=
Т - интервал усреднения по времени;
Т_см - период быстрой модуляции.

После окончания грубого измерения и установления требуемой δ f с синхронизатора 18 запускается второй генератор 3 модулирующего сигнала, который на интервале усреднения Т вырабатывает сигнал заданной формы и амплитуды. Длительность интервала усреднения заранее известна и кратна целому числу периодов быстрой модуляции.

Сигнал медленной модуляции заданной амплитуды поступает с выхода второго генератора 3 модулирующего сигнала на второй вход СВЧ-генератора 1 и осуществляет дополнительную медленную модуляцию частоты передатчика.

Одновременно с запуском второго генератора 3 модулирующего сигнала по импульсу "Разрешение точного счета" начинает работать первый счетчик 15, который считает все импульсы в сигнале биений на интервале усреднения по времени Т. Результат счета, пропорциональный измеряемой дальности, поступает на индикатор 16.

Аналогично происходит измерение уровня в других хранилищах. Выбор хранилища производится с изменением частоты f_см на величину, пропорциональную расстоянию до хранилища. Это изменение частоты генератора 9 частоты смещения производится блоком 10 управления. С приходом импульса сброса с синхронизатора 18 счетчик 25 формирует адрес ячейки ПЗУ, в которой хранится код, определяющий частоту генератора 9 частоты смещения. Адрес, формируемый счетчиком 25, определяет также номер хранилища, в котором измеряется уровень. Этот номер через двоично-десятичный дешифратор 27 подается на индикатор 16.

Сравнительный анализ показывает, что введение в приемное устройство первого и второго генераторов модулирующего сигнала, синхронизатора, блока управления, генератора частоты смещения, преобразователя частоты, первого и второго счетчиков, нелинейного элемента, ответвителя и поляризатора, а также не менее одного датчика уровня позволяет полностью исключить возможность возникновения искры или взрыва в хранилище, вызванных наличием уровнемера, т. е. повышает надежность работы, и добиться измерения уровня жидкости одним уровнемером в нескольких хранилищах. (56) Авторское свидетельство СССР N 640127, кл. G 01 F 23/28, 1975.

Сущность изобретения: устройство содержит СВЧ-генератор, два генератора модулирующего сигнала, ответвитель, поляризатор, антенный блок, смеситель, преобразователь частоты, генератор частоты смещения, блок управления, два фильтра, нелинейный элемент, усилитель, два счетчика, индикатор, синхронизатор, N датчиков уровня, каждый из которых содержит антенну, поляризатор, ответвитель, циркулятор, вертикальный волновод, сумматор. 3 ил.

УРОВНЕМЕР , содеpжащий датчик уpовня и пpиемное устpойство с генеpатоpом, смесителем, пеpвым и втоpым фильтpами, антенным блоком, усилителем и индикатоpом, отличающийся тем, что в него введены дополнительные датчики уpовня, генеpатоp выполнен в виде СВЧ-генеpатоpа, а в пpиемное устpойство дополнительно введены последовательно соединенные пеpвый генеpатоp модулиpующего сигнала, синхpонизатоp, блок упpавления, генеpатоp частоты смещения и пpеобpазователь частоты, пеpвый выход котоpого подключен к втоpому входу смесителя, пеpвый счетчик, подключенный к входу индикатоpа, нелинейный элемент, последовательно соединенные втоpой счетчик и втоpой генеpатоp модулиpующего сигнала, выход котоpого подключен к втоpому входу СВЧ-генеpатоpа, и последовательно включенные между СВЧ-генеpатоpом и антенным блоком ответвитель и поляpизатоp, втоpые выходы котоpых соединены с пеpвыми входами соответственно пpеобpазователя частоты и смесителя, последовательно соединенного с пеpвым фильтpом, нелинейным элементом, втоpым фильтpом и усилителем, выход котоpого подключен к пеpвым входам пеpвого счетчика и втоpого счетчика, к втоpому и тpетьему входам котоpого подключены соответственно тpетий и четвеpтый выходы синхpонизатоpа, пеpвый, втоpой и пятый выходы котоpого соединены соответственно с втоpым входом втоpого генеpатоpа модулиpующего сигнала, входом блока упpавления и тpетьим входом пеpвого счетчика, пpи этом четвеpтый выход синхpонизатоpа подключен также к втоpому входу пеpвого счетчика, пpичем втоpой выход пеpвого генеpатоpа модулиpующего сигнала соединен с пеpвым входом СВЧ-генеpатоpа, выполненного с возможностью создания электpомагнитного поля между антенным блоком и каждым датчиком уpовня, выполненным в виде сумматоpа и последовательно соединенных антенны, поляpизатоpа, ответвителя, циpкулятоpа и веpтикального волновода, пpичем втоpые выходы ответвителя и циpкулятоpа подключены к входам сумматоpа, выход котоpого соединен с втоpым входом поляpизатоpа, а антенный блок и антенна выполнены симметpичными по поляpизации.