УРОВНЕМЕР Российский патент 1999 года по МПК G01F23/284 

Предлагаемое изобретение относится к области измерения уровня и скорости его изменения в резервуарах с различными продуктами и может быть применено для бесконтактного измерения жидких и сыпучих сред, в т.ч. агрессивных и взрывоопасных.

Наиболее совершенные бесконтактные приборы аналогичного назначения на основе радиолокационного метода известны и применяются в топливно-энергетическом и химическом комплексах в закрытых, в т.ч. герметических, резервуарах, в которых располагается нефть, бензин, различные агрессивные жидкости, технологическая вода, зола и т.п.

Наибольшую известность на мировом рынке получили радиолокационные приборы германской фирмы KROHNE, голландской фирмы ENRAF и шведской фирмы SAAB TANK Control.

Все эти приборы представляют собой радиолокаторы, работающие в 3-сантиметровом диапазоне радиоволн. Лучшие из этих приборов (фирма SAAB TANK Control, Швеция) имеют точность измерения расстояния ±1 мм, что в ряде случаев недостаточно. Предел точности в указанных устройствах определяется физическими ограничениями, связанными с выбранной длиной волны излучения.

Принципиальную возможность повышения точности измерений и уменьшения габаритов может дать использование более коротковолнового излучения. Однако построение вышеуказанных устройств не позволяет использовать более коротковолновое излучение. Это объясняется тем, что все известные полупроводниковые генераторы, работающие в диапазоне радиоволн менее 8 мм, обладают недостаточной стабильностью, что приводит к увеличению погрешности приборов. В связи с этим устройства, работающие в диапазоне радиоволн ниже 8 мм, несмотря на их высокие потенциальные возможности, в настоящее время в мире не выпускаются.

Кроме того, известные аналоги имеют большие габариты, что существенно осложняет возможность их монтажа на объектах. Это объясняется тем, что использованная длина волны излучения требует значительных габаритов антенны (диаметр антенны в приборах SAAB TANK Control достигает 450 мм). Использование антенн с меньшими габаритами не позволяет обеспечить требуемую фокусировку излучения.

Наиболее близким к заявляемому уровнемеру является уровнемер, содержащий 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 и сумматор (см. патент РФ N 2010182, МПК⁵ G 01 F 23/28, 1992 г.).

Описанный уровнемер действительно имеет ряд преимуществ по сравнению с прототипом, а.с. СССР N 640127, кл. G 01 F 23/28, 1975 г. Но ом имеет и свои недостатки, связанные в первую очередь с наличием пассивного датчика, что ограничивает точность измерения и приводит к увеличению габаритов устройства. Данный уровнемер позволяет работать только с радиоизлучением сантиметрового диапазона длин волн.

Перед авторами стояла задача создания малогабаритного и надежного в работе прибора, измеряющего уровень продукта в закрытом объеме и, его изменение.

Эта задача решена за счет того, что в уровнемер, содержащий антенный блок, СВЧ-генератор, смеситель, фильтр, первый усилитель, ответвитель, преобразователь частоты, сумматор и генератор модулирующего сигнала, дополнительно введены усилитель промежуточной частоты (УПЧ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), фазометр, устройство спектрального анализа, умножитель, три делителя частоты, синхронизатор, блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), второй усилитель, второй смеситель, генератор опорной частоты и синтезатор, при этом первый вход первого смесителя соединен с входом УПЧ, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты, выход которого соединен с входом АЦП, выход которого соединен со входами фазометра и устройства спектрального анализа, выход которого соединен с входом синтезатора, выход которого соединен с первым входом блока ФАПЧ, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен с входом генератора модулирующего сигнала, выход которого соединен с входом первого усилителя, выход которого соединен с ответвителем, первый выход которого соединен с входом умножителя, выход которого соединен с входом фильтра, выход которого соединен с входом первого смесителя, второй выход ответвителя соединен с первым входом второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, выход второго смесителя соединен с входом второго усилителя, выход которого соединен с входом первого делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом блока ФАПЧ, генератор опорной частоты соединен с входами второго и третьего делителя частоты, выход второго делителя частоты соединен со вторым входом преобразователя частоты, выход третьего делителя частоты соединен со вторым входом сумматора, а антенный блок соединен с первым смесителем.

Заявляемый уровнемер обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для приборов подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна" для изобретения.

Заявляемый уровнемер, по мнению авторов, соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. неизвестен из доступных научно-технических и патентных источников на дату подачи заявки.

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежа, где приведена структурная схема прибора.

Уровнемер содержит антенный блок 1, выполненный, например в виде антенны, первый смеситель 2, усилитель промежуточной частоты 3, преобразователь частоты 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5, устройство спектрального анализа 6, фазометр 7, фильтр 8, умножитель 9, ответвитель 10, первый усилитель 11, генератор модулирующего сигнала 12, второй смеситель 13, СВЧ-генератор 14, второй усилитель 15, первый делитель частоты 16, синтезатор 17, блок фазовой автоподстройки частоты 18, сумматор 19, второй 20 и третий 21 делители частоты и генератор опорной частоты 22. При этом первый выход первого смесителя 2 соединен с входом усилителя промежуточной частоты 3, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты 4, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 5, выход которого соединен со входами фазометра 7 и устройства спектрального анализа 6, выход которого соединен с входом синтезатора 17, выход которого соединен с первым входом блока фазовой автоподстройки частоты 18, выход которого соединен с первым входом сумматора 19, выход которого соединен со входом генератора модулирующего сигнала 12, выход которого соединен со входом первого усилителя 11, выход которого соединен с ответвителем 10, первый выход которого соединен со входом умножителя 9, выход которого соединен со входом фильтра 8, выход которого соединен с входом первого смесителя 2, второй выход ответвителя 10 соединен с первым входом второго смесителя 13, второй вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора 14, выход второго смесителя 13 соединен с входом второго усилителя 15, выход которого соединен со входом первого делителя частоты 16, выход которого соединен со вторым входом блока фазовой автоподстройки частоты 18, генератор опорной частоты 22 соединен с входами второго 20 и третьего 21 делителей частоты, выход второго делителя частоты 20 соединен с вторым входом преобразователя частоты 4, выход третьего делителя частоты 21 соединен с вторым входом сумматора 19, а антенный блок 1 соединен с первым смесителем 2.

Уровнемер работает следующим образом.

Генератор модулирующего сигнала 12 формирует изменяющийся по частоте радиосигнал в сантиметровом диапазоне длин волн. Генератор модулирующего сигнала 12 может быть выполнен на серийных СВЧ-транзисторах. Управление частотой осуществляется с помощью варактора. Радиосигнал с генератора 12 усиливается первым усилителем 11 и через ответвитель 10 поступает на умножитель 9, который может быть выполнен на известных лавинно-пролетных диодах. На выходе умножителя 9 присутствует ряд гармоник выходного сигнала, в том числе и гармоник миллиметрового диапазона длин волн. Требуемая гармоника выделяется фильтром 8 и поступает на антенну через первый смеситель 2. Частота генератора 12 и соответственно частота излучения антенны 1 изменяется по линейному закону с дополнительной модуляцией по гармоническому закону. При этом глубина модуляции по гармоническому закону лежит в диапазоне 0,001-0,1 от глубины модуляции по линейному закону, а частота гармонической модуляции на несколько порядков превышает частоту модуляции по линейному закону. Это сделано с целью уменьшения влияния "паразитных" отражений от антенны 1. Управляющее напряжение, формирующее требуемый закон модуляции, поступает на управляющий вход генератора 12 с сумматора 19.

Линейный закон модуляции формируется следующим образом. Синтезатор 17, выполненный по цифровой схеме, формирует линейно изменяющийся по частоте сигнал в диапазоне до нескольких десятков мегагерц. Синтезатор 17 может быть выполнен по стандартной схеме на базе интегральных схем, выпускаемых фирмой MOTOROLA. Выходной сигнал синтезатора 17 поступает на один из входов блока ФАПЧ, выполненный по стандартной схеме. Часть радиосигнала генератора 12 через ответвитель 10 поступает на второй смеситель 13, где смешивается с сигналом СВЧ-генератора 14, настроенного на фиксированную частоту. СВЧ-генератор 14 может быть выполнен по стандартной схеме и застабилизирован диэлектрическим резонатором. Частота СВЧ-генератора 14 выбирается несколько ниже минимальной частоты генератора 12. Радиосигнал с частотой, равной разности между частотой генератора 12 и СВЧ-генератора 14, через второй усилитель 15 и делитель частоты 16 поступает на второй вход блока ФАПЧ, выходной сигнал которого через сумматор 19 поступает на управляющий вход генератора 12. В сумматоре 19 к этому сигналу добавляется сигнал гармонической модуляции. Очевидно, что за счет обратной связи частота генератора 12 изменяется по следующему закону:
F_гмс= F_СВЧ-2+K₁•F_c(t)+F₂(t) (1),
где F_гмс - частота генератора 12 модулирующего сигнала;
F_СВЧ-2 - частота СВЧ-генератора 14;
K₁ - коэффициент деления делителя частоты;
F_c(t) - частота синтезатора 17;
F₂(t) - частота гармонической модуляции.

Наличие F₂(t) на выходе генератора 12 объясняется тем, что частотная полоса контура блока ФАПЧ выбирается на несколько порядков ниже частоты F₂(t). Гармоническая составляющая модуляции формируется генератором опорной частоты 22 и поступает на сумматор 19 через третий делитель 21 частоты. Из приведенной схемы видно, что частота излучаемого сигнала определяется по формуле:
F_изл=K_у•F_СВЧ-2+K_у•K₁ •F_c(t)+K_у•F₂(t) (2),
где K_у - коэффициент умножения усилителя.

Принятый сигнал имеет такой же характер, но задержан по времени на время, равное времени распространения радиоволны от антенны 1 до объекта и обратно.

Принятый сигнал поступает в антенну 1. Сигнал разностной частоты, усилившись в УПЧ 3, поступает на преобразователь частоты 4, где проходит демодуляцию сигналом гармонической модуляции, поступающим с выхода второго делителя частоты 20. Несложные преобразования показывают, что на выходе преобразователя частоты 4 образуется сигнал, частота которого определяется по формуле:

где F_пч - частота сигнала на выходе преобразователя частоты;
L - расстояния от антенны 1 до отражающей поверхности;
с - скорость света;
K_у - коэффициент умножителя частоты умножителем 24;
Δ F_с - девиация частоты синтезатора 17;
K₁ - коэффициент деления частоты в делителе;
T_м - период линейно-изменяющейся частоты синтезатора.

Так как параметры K_у и K₁ имеют строго фиксированные целочисленные значения, то, как видно из формулы (3), частота F_пч прямо пропорциональна L и зависит от Δ F_с и T_м, которые задаются цифровым способом, и поэтому имеют высокую стабильность.

Поэтому, измерив с требуемой точностью F_пч, можно с высокой точностью определить расстояние L (уровень продукта в резервуаре). Для измерения частоты F_пч выход преобразователя частоты 4 подключен к АЦП 5, выходной код которого поступает на устройство спектрального анализа 6 и фазометр 7, которые могут быть выполнены например на базе ПЭВМ. Для синхронизации работы уровнемера устройство спектрального анализа 6 связано с синтезатором 17.

Заявляемый уровнемер может быть неоднократно воспроизведен на современном оборудовании и по современной технологии, применен для определения уровня продуктов и его изменения с высокой точностью в широком диапазоне, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "применимость" для изобретения. На предприятии заявителя разработана конструкторская документация на заявляемый уровнемер, изготовлены образцы уровнемера, которые с успехом демонстрировались на 4-ой международной выставке "Нефть и газ - 97", проходившей 7-10.04.97 г. в павильоне Венгрии, предприятия которой уже применили заявляемый уровнемер, который определяет уровень продукта с точностью до ±0,005 мм в режиме контроля утечки, ±0,05 в режиме отгрузки-загрузки, ±0,3 мм в режиме измерения абсолютного уровня от 0,5 до 40 м.

Уровнемер используется для определения неконтактным способом уровня и его изменения жидких и сыпучих материалов, включая агрессивные, ядовитые и взрывчатые среды в хранилищах и замкнутых резервуарах на предприятиях топливно-энергетического и химического комплексов, пищевой и др. отраслях промышленности. Уровнемер содержит антенный блок, два смесителя, усилитель промежуточной частоты, преобразователь частоты, аналого-цифровой преобразователь, устройство спектрального анализа, фазометр, фильтр, умножитель, ответвитель, два усилителя, генератор модулирующего сигнала, СВЧ-генератор, три делителя частоты, синтезатор, блок фазовой автоподстройки частоты, сумматор и генератор опорной частоты. Указанные узлы и блоки электрически соединены между собой соответствующим образом. Прибор позволяет с высокой точностью и в широком диапазоне измерять уровень и его изменение при уменьшении габаритных размеров и массы. 1 ил.

Уровнемер, содержащий антенный блок, СВЧ-генератор, первый смеситель, фильтр, первый усилитель, ответвитель, преобразователь частоты, сумматор и генератор модулирующего сигнала, отличающийся тем, что в него дополнительно введены усилитель промежуточной частоты, аналого-цифровой преобразователь, фазометр, устройство спектрального анализа, умножитель, три делителя частоты, синтезатор, блок фазовой автоподстройки частоты, второй усилитель, второй смеситель и генератор опорной частоты, при этом первый выход первого смесителя соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен с первым входом преобразователя частоты, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входами фазометра и устройства спектрального анализа, выход которого соединен с входом синтезатора, выход которого соединен с первым входом блока фазовой автоподстройки частоты, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход которого соединен со входом генератора модулирующего сигнала, выход которого соединен со входом первого усилителя, выход которого соединен с ответвителем, первый выход которого соединен со входом умножителя, выход которого соединен со входом фильтра, выход которого соединен со входом первого смесителя, второй выход ответвителя соединен с первым входом второго смесителя, второй вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора, выход второго смесителя соединен со входом второго усилителя, выход которого соединен со входом первого делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом блока фазовой автоподстройки частоты, генератор опорной частоты соединен с входами второго и третьего делителей частоты, выход второго делителя частоты соединен с вторым входом преобразователя частоты, выход третьего делителя частоты соединен с вторым входом сумматора, а антенный блок соединен с первым смесителем.