РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2000 года по МПК G01F23/284 

Изобретение относится к контролю и измерению уровня различных веществ.

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

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является частотный дальномер [1], содержащий генератор модулирующего сигнала, делитель частоты, генератор треугольного напряжения, сумматор, модулятор, генератор СВЧ, циркулятор, антенну, смеситель, усилитель-ограничитель и измеритель частоты.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность измерения, которая обусловлена наличием скачка фазы сигнала разностной частоты в момент перехода треугольного модулирующего напряжения с прямого хода на обратный и наоборот (т. е. в так называемой "зоне обращения"). Величина скачка фазы изменяется многократно в пределах от 0 градусов до 180 градусов при плавном изменении измеряемой дальности. Наличие скачка фазы затрудняет фильтрацию полезного сигнала из шумов и помех. Фильтрация сигнала разностной частоты принципиально необходима во многих практических применениях, особенно при измерении уровня сыпучих веществ с малым значением диэлектрической проницаемости. Фильтрация чрезвычайно слабого сигнала в этих случаях производится с помощью узкополосных следящих фильтров [2]. В такой узкополосной фильтрующей системе скачок фазы сигнала приводит к уменьшению амплитуды сигнала сразу после зоны обращения. В результате в этой зоне остается только шум, что приводит к возникновению значительных ошибок измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в радиолокационный уровнемер, содержащий последовательно соединенные формирователь симметричного треугольного модулирующего напряжения, модулятор, приемно-передающий СВЧ модуль с антенной, усилитель сигнала разностной частоты, а также измеритель частоты, введены схема фиксации экстремума, электронный ключ и два компаратора уровня, причем вход схемы фиксации экстремума соединен с выходом усилителя сигнала разностной частоты, а выход - с первым входом электронного ключа, входы первого и второго компараторов уровня соединены с выходом формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения, выходы компараторов уровня соединены со вторым входом электронного ключа, а выход электронного ключа соединен с входом формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения. При этом усилитель сигнала биений содержит последовательно соединенные предварительный усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), дифференцирующий усилитель и следящий фильтр.

Повышение точности измерения достигается тем, что введенные в устройство схема фиксации экстремума, электронный ключ и два компаратора уровня исключают скачки фазы в сигнале биений и тем самым устраняют провалы амплитуды сигнала. Сигнал разностной частоты на выходе следящего фильтра принимает форму непрерывной синусоиды. Измерение частоты такого сигнала возможно с очень высокой точностью.

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

Радиолокационный уровнемер содержит формирователь симметричного треугольного модулирующего напряжения 1, модулятор 2, приемно-передающий СВЧ модуль 3, антенну 4, усилитель сигнала разностной частоты 5, измеритель частоты 6, схему фиксации экстремума 7, электронный ключ 8 и два компаратора уровня 9 и 10.

Усилитель сигнала разностной частоты 5 содержит предварительный усилитель с АРУ 11, дифференцирующий усилитель 12 и следящий фильтр 13.

Формирователь симметричного треугольного модулирующего напряжения 1, модулятор 2, приемно-передающий СВЧ модуль 3 с антенной 4, усилитель сигнала разностной частоты 5 и измеритель частоты 6 соединены последовательно. К выходу усилителя сигнала разностной частоты 5 подсоединен вход схемы фиксации экстремума 7, выход которой соединен с первым входом электронного ключа 8. К выходу формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1 подключены входы первого компаратора уровня 9 и второго компаратора уровня 10. Выходы компараторов уровня 9 и 10 соединены с вторым входом электронного ключа 8. Выход электронного ключа 8 соединен с входом формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1. Предварительный усилитель с АРУ 11, дифференцирующий усилитель 12 и следящий фильтр 13, входящие в состав усилителя сигнала разностной частоты 5, соединены последовательно.

Радиолокационный уровнемер работает следующим образом. Симметричный треугольный модулирующий сигнал (фиг.2 а) с формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1 поступает на модулятор 2 и входы первого и второго компараторов уровня 9 и 10. В модуляторе 2 этот сигнал складывается с постоянным напряжением и с выхода модулятора 2 поступает на модулирующий вход приемно-передающего СВЧ модуля 3. СВЧ сигнал, формируемый приемно-передающим СВЧ модулем 3, поступает в антенну 4 и излучается в сторону поверхности, расстояние до которой требуется измерять. Отраженный сигнал принимается антенной 4 и поступает в приемно-передающий СВЧ модуль 3. С выхода приемно- передающего СВЧ модуля 3 на вход усилителя сигнала разностной частоты 5 поступает сигнал разностной частоты (фиг.2 г), частота которого пропорциональна измеряемой дальности. С выхода усилителя сигнала разностной частоты 5 сигнал разностной частоты поступает на вход измерителя частоты 6, где производится измерение, и вход схемы фиксации экстремума 7. На выходе схемы фиксации экстремума 7 формируются короткие импульсы (фиг.2 д) в моменты времени, соответствующие экстремумам сигнала разностной частоты. Эти импульсы поступают на первый (информационный) вход электронного ключа 8. На второй (управляющий) вход электронного ключа 8 поступают сигналы с выходов двух компараторов уровня 9 и 10.

Первый компаратор уровня 9 сравнивает симметричное треугольное модулирующее напряжение с положительным напряжением U1 (фиг.2 а). Если треугольное напряжение меньше U1, на выходе первого компаратора уровня 9 напряжение равно нулю. Когда во время прямого хода треугольное напряжение становится больше U1, на выходе первого компаратора уровня 9 появляется положительное напряжение (фиг.2 б), которое поступает на второй (управляющий) вход электронного ключа 8 и открывает его. После этого момента ближайший импульс, соответствующий экстремуму сигнала разностной частоты, проходит через открытый электронный ключ 8 на вход формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1 и переключает его на формирование обратного хода треугольного напряжения. Напряжение на выходе первого компаратора уровня 9 опять становится равным нулю в момент времени, когда треугольное напряжение становится меньше U1.

Второй компаратор уровня 10 сравнивает симметричное треугольное модулирующее напряжение с отрицательным напряжением U2 (фиг.2 а). Пока треугольное напряжение превышает U2, на выходе второго компаратора уровня 10 напряжение равно нулю. В момент времени, когда на обратном ходе треугольное напряжение становится меньше, чем U2, на выходе второго компаратора уровня 10 появляется положительное напряжение (фиг.2 в). Оно поступает на второй (управляющий) вход электронного ключа 8 и открывает его. После этого момента ближайший импульс с выхода схемы фиксации экстремума 7 поступает через открытый электронный ключ 8 на вход формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1 и переключает его на формирование прямого хода треугольного напряжения. Напряжение на выходе второго компаратора уровня 10 опять становится равным нулю в момент времени, когда треугольное напряжение становится больше U2.

Описанный процесс периодически повторяется. Период получившегося треугольного напряжения Т_м (фиг.2 а) не постоянен. При плавном уменьшении измеряемого расстояния он плавно увеличивается в пределах от 2Т_мин до (2Т_мин +Т_б), а затем скачком уменьшается опять до 2Т_мин и процесс повторяется через отрезки расстояния ΔR = C/8ΔF Здесь: Т_мин - некоторый интервал времени, задающий минимальную длительность прямого и обратного хода модулирующего напряжения (фиг.2 а), Т_б - период сигнала разностной частоты (фиг.2 г), C - скорость света, ΔF - двойная девиация частоты СВЧ генератора.

При плавном увеличении расстояния период модулирующего треугольного напряжения наоборот плавно уменьшается в пределах от (2Т_мин+Т_б) до 2Т_мин, а затем скачком увеличивается до исходного значения.

В итоге период треугольного модулирующего напряжения все время автоматически устанавливается таким, чтобы в нем укладывалось целое число полупериодов сигнала разностной частоты, а переход от прямого хода треугольного напряжения к обратному и наоборот производится в моменты достижения сигналом биения своих экстремумов. При этом изменяется и амплитуда треугольного напряжения, а крутизна его нарастания и снижения остается неизменной.

Описанный порядок работы схемы и изображенный на фиг.2 г сигнал соответствуют идеальному случаю, т.е. отсутствию шумов и помех. Наличие шумов и помех приведет к тому, что момент экстремума сигнала разностной частоты будет определен с ошибкой. Эта ошибка не позволит полностью исключить скачки фазы. Поэтому в схему необходимо включать узкополосный следящий фильтр, позволяющий качественно отфильтровать полезный сигнал разностной частоты на фоне шумов и помех. Предварительный усилитель с АРУ и дифференцирующий усилитель улучшают условия фильтрации полезного сигнала, обеспечивая независимость амплитуды сигнала на входе следящего фильтра от измеряемой дальности. В результате работы схемы исключается скачок фазы в сигнале разностной частоты. Он принимает вид непрерывного синусоидального колебания с частотой, пропорциональной дальности. Фильтрация такого сигнала не изменяет его амплитуду. Поэтому исключаются провалы сигнала в зоне обращения и, следовательно, увеличивается точность измерения его частоты.

Литература
1. Кагаленко Б.В., Марфин В.П. Мещеряков В.П. Частотный дальномер повышенной точности. - Измерительная техника, 1981, N 11, c.68.

2. Винницкий А.С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМ. - Сов. Радио, М., 1969 г.

Изобретение относится к технике контроля и измерения уровня различных веществ. Уровнемер содержит последовательно соединенные формирователь симметричного треугольного модулирующего напряжения, модулятор, приемопередающий СВЧ модуль с антенной, усилитель сигнала разностной частоты и измеритель частоты. Кроме того, в него введены схема фиксации экстремума, электронный ключ и два компаратора уровня. При этом вход схемы фиксации экстремума соединен с выходом усилителя разностной частоты, а выход - с первым входом электронного ключа, входы первого и второго компараторов уровня соединены с выходом формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения, выходы компараторов уровня соединены со вторым входом электронного ключа, а выход электронного ключа соединен со входом формирователя симметричного треугольного напряжения. При работе устройства исключаются скачки фазы сигнала разностной частоты. Это предопределяет повышенную точность измерения уровня. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Радиолокационный уровнемер, содержащий последовательно соединенные формирователь симметричного треугольного модулирующего напряжения, модулятор, приемопередающий СВЧ модуль с антенной, усилитель сигнала разностной частоты и измеритель частоты, отличающийся тем, что в него введены схема фиксации экстремума, электронный ключ и два компаратора уровня, причем вход схемы фиксации экстремума соединен с выходом усилителя разностной частоты, а выход - с первым входом электронного ключа, входы первого и второго компараторов уровня соединены с выходом формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения, выходы компараторов уровня соединены со вторым входом электронного ключа, а выход электронного ключа соединен со входом формирователя симметричного треугольного напряжения. 2. Радиолокационный уровнемер по п.1, отличающийся тем, что усилитель сигнала разностной частоты содержит последовательно соединенные предварительный усилитель с автоматической регулировкой усиления, дифференцирующий усилитель и следящий фильтр.