СТЕНД РЕГУЛИРОВКИ И ПОВЕРКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ УРОВНЕМЕРОВ Российский патент 2007 года по МПК G01F25/00 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для аттестации, поверки и калибровки радиолокационных измерителей дальности.

Известна установка для первичной и периодической поверки промышленных уровнемеров "MICROPILOT", содержащая измерительную рулетку, опору для уровнемера, выполненную с возможностью дискретного перемещения и ориентации уровнемера по нормали к отражающей стене [1].

Указанная установка не обеспечивает необходимую в промышленных условиях производительность и не может обеспечить измерение разрешающей способности уровнемера по дальности.

Известен ряд измерительных установок для измерения характеристик рассеяния радиолокационных целей [2, 3], содержащих отражатели заданной формы, размещенные на слабо отражающих опорах, закрытых радиопоглощающим материалом (РПМ), радиолокационные измерители и устройства изменения координат отражателей.

Перечисленные измерительные установки не могут обеспечить низкую погрешность измерения характеристик точности уровнемеров в широком диапазоне дальностей. Для уровнемеров промышленного применения допустимая погрешность измерения составляет единицы и доли миллиметров, а необходимый диапазон измеряемых дальностей составляет от десятков сантиметров до десятков метров, что значительно превышает размеры рабочих зон известных измерительных установок.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является разработанный НИИИС стенд ИГНД.407619.001 для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров, содержащий подвижную стойку, установленную на плите устройства горизонтального перемещения и выполненную с возможностью крепления уровнемера, опору (или другую стойку), выполненную с возможностью неподвижной установки, плоский отражатель, закрепленный на опоре перпендикулярно прямой, проходящей через центры плоского отражателя и раскрыва антенны уровнемера при его поверке, средство измерения расстояния от стойки до плоского отражателя в виде измерительной ленты [4].

Известный стенд для многих уровнемеров имеет недостаточную точность измерения в широком диапазоне дальностей. Указанный недостаток является общим для измерительных установок и обусловлен рассеянием волн на опоре с плоским отражателем и отражением волн от поверхностей стендового зала или безэховой камеры. Известно, что для того, чтобы обеспечить погрешность измерения равную единицам и долям миллиметра, уровень паразитного отраженного поля не должен превышать -40...-60 децибел. Известно также [3, стр.138-143], что выполнить не отражающую опору с устройством горизонтального перемещения, прочность которого может обеспечить погрешность измерения не превышающую долей миллиметра, практически невозможно. Известно [2], что для уменьшения отражений от стен безэховой камеры необходимо, в первую очередь, увеличивать ее размеры пропорционально размеру рабочей зоны, что приводит к увеличению стоимости и, кроме того, к необходимости увеличения высоты опоры с плоским отражателем. Однако увеличение высоты опоры должно сопровождаться увеличением ее прочности, увеличением уровня отраженного мешающего поля и, соответственно, увеличением погрешности.

Технический результат изобретения состоит в уменьшении размеров стенда, безэховой камеры и их стоимости при одновременном уменьшении погрешности измерений.

Технический результат достигается тем, что в стенд поверки уровнемеров, содержащий стойку, выполненную с возможностью крепления уровнемера, опору, плоский отражатель, плоский отражатель, закрепленный на опоре перпендикулярно прямой, проходящей через центры плоского отражателя и раскрыва антенны уровнемера при его регулировке и поверке, устройство горизонтального перемещения, средство измерения расстояния от начала отсчета до плоского отражателя, введены дополнительный отражатель и экран, выполненный из радиопоглощающего материала, опора размещена на устройстве горизонтального перемещения для дискретного изменения расстояния от начала отсчета до плоского отражателя, экран выполнен с возможностью горизонтального перемещения одновременно с перемещением опоры для экранирования ее поверхности ниже плоского отражателя, причем расстояние от плоского отражателя до экрана составляет не менее двух расстояний разрешения уровнемера, дополнительный отражатель смонтирован на стойке и выполнен в виде поверхности второго порядка с радиусом кривизны в 2-4 раза превышающим максимальное расстояние между центрами плоского и дополнительного отражателей, причем стойка и дополнительный отражатель выполнены с соответствующими сквозными отверстиями для установки антенны уровнемера.

Предпочтительно дополнительный отражатель выполнить в виде сферического зеркала с размером апертуры, вдвое превышающим размеры плоского отражателя.

Возможно дополнительный отражатель выполнить в виде цилиндрического зеркала с вертикальным размером апертуры, вдвое превышающем вертикальный размер плоского отражателя, и горизонтальным размером, равным горизонтальному размеру плоского отражателя.

Предпочтительно экран установить с возможностью изменения расстояния до плоского отражателя на величину, не менее чем половина максимальной длины волны уровнемера при произвольном фиксированном расстоянии между плоским отражателем и стойкой.

Целесообразно ввести два вспомогательных экрана, суммарные размеры которых превышают размеры дополнительного отражателя, причем указанные экраны установлены перед дополнительным отражателем с возможностью перемещения параллельно его апертуре.

Целесообразно ввести по меньшей мере один промежуточный экран, установленный между экраном и дополнительным отражателем.

Предпочтительно стойку выполнить в виде вертикальной плиты.

Целесообразно за начало отсчета выбрать нижнюю плоскость фланца антенны поверяемого уровнемера.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству. Сведений об известности отличительных признаков в совокупностях признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого устройства, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Последний вывод можно пояснить следующими сведениями. Широко известно применение экранов из радиопоглощающих материалов [например 2, 3], однако, как указано в известных источниках, выполнить экран с необходимой степенью уменьшения отраженного поля не удается. Кроме того, существенный вклад в погрешность вносят рассеянные опорой и устройством перемещения волны, дифрагирующие на кромках экранов. Причем увеличение расстояния между отражателем и экраном снижает составляющую погрешности, которая обусловлена волнами, отраженными от экрана за счет снижения взаимного влияния спектров сигналов, отраженных отражателем и экраном. И в то же время увеличивается составляющая погрешности, вызванная дифрагирующими волнами. Совокупность геометрических размеров и установка ближнего к отражателю экрана с возможностью изменения расстояния до отражателя вдоль направления на уровнемер не менее чем на половину максимальной длины волны уровнемера при произвольном фиксированном расстоянии от отражателя до уровнемера позволяет существенно снизить погрешность за счет проведения нескольких измерений с последующим усреднением результатов. К значительному снижению погрешности при одновременном снижении размеров и стоимости приводит размещение на стойке, выполненной в виде вертикальной плиты, дополнительного отражателя. В известных технических решениях отсутствуют сведения об известности признаков, характеризующих дополнительный отражатель с достижением указанного технического результата.

На фиг.1 схематично изображен предлагаемый стенд регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров. Фиг.2 изображает дополнительный отражатель и шторы в положении проведения регулировки и поверки уровнемеров, работающих на расстояниях, превышающих размеры стенда. На фиг.3 показано положение штор при проведении регулировки и поверки уровнемеров, работающих на расстояниях, не превышающих размеры стенда.

Стенд (фиг.1) регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров содержит стойку 1, выполненную с возможностью крепления уровнемера 2, опору 3, плоский отражатель 4, закрепленный на опоре 3 перпендикулярно прямой 5, проходящей через центр (В) плоского отражателя 4 и центр (D) раскрыва антенны 6 уровнемера 2 при его регулировке и поверке, устройство 7 горизонтального перемещения, выполненное с платформой, средство 8 измерения расстояния (S) от выбранного начала отсчета (О) до плоского отражателя 4, дополнительный отражатель 9 и экран 10 из радиопоглощающего материала. Опора 3 размещена на платформе устройства 7 горизонтального перемещения для изменения расстояния (S) от начала отсчета (О) до плоского отражателя 4. Экран 10 установлен на средстве 11 горизонтального его перемещения, выполненного в виде тележки, жестко связанной соединителем 12 с устройством 7 горизонтального перемещения. Это обеспечивает возможность горизонтального перемещения экрана 10 одновременно с перемещением опоры 3 для экранирования ее поверхности 13 ниже плоского отражателя 4.

Расстояние (L) от плоского отражателя 4 до экрана 10 составляет не менее двух расстояний разрешения радиолокационного уровнемера 2, что позволяет существенно снизить погрешность за счет проведения нескольких измерений с последующим усреднением результатов. При меньшем расстояния (L) увеличивается составляющая погрешности, которая обусловлена волнами, отраженными от экрана 10 (за счет снижения взаимного влияния спектров сигналов, отраженных плоским отражателем 4 и экраном 10).

Дополнительный отражатель 9 смонтирован на стойке 1 и выполнен в виде поверхности второго порядка с радиусом (R) кривизны, в 2-4 раза превышающим максимальное расстояние (S) между центрами (В, С) соответственно плоского и дополнительного отражателей 4, 9. При значениях отношения R/S более четырех (R/S>4) начинает возрастать погрешность, вызванная отражениями от стен безэховой камеры. Эта составляющая погрешности уменьшается с уменьшением отношения R/S до значения 2. При дальнейшем уменьшении отношения R/S начинает возрастать систематическая погрешность определения дальности до плоского отражателя 4, обусловленная отклонением формы дополнительного отражателя 9 от плоскости. При отношении R/S<2 начинает проявляться нелинейность связи электродинамической и геометрической дальности, что приводит к сложности обработки результатов измерений из-за необходимости введения корректирующих поправок, нелинейно зависящих от измеряемого расстояния.

Дополнительный отражатель 9 может быть выполнен, например, в виде сферического зеркала (фиг.1) с размером апертуры (А), вдвое превышающем размеры (Н) плоского отражателя 4, или в виде цилиндрического зеркала (на фиг. не показано) с вертикальным размером апертуры, вдвое превышающем вертикальный размер плоского отражателя 4, и горизонтальным размером, равным горизонтальному размеру плоского отражателя 4.

Экран 10 установлен с возможностью изменения расстояния (L) до плоского отражателя 4 на величину не менее чем половина максимальной длины волны уровнемера 2 при произвольном фиксированном расстоянии (S) между плоским отражателем 4 и стойкой 1.

Для уменьшения отражений от дополнительного отражателя 9 введены два вспомогательные экрана в виде штор 14 из радиопоглощающего материала, суммарные размеры которых превышают размеры дополнительного отражателя 9, причем указанные экраны 14 установлены перед дополнительным отражателем 9 с возможностью перемещения параллельно его апертуре (А).

Для уменьшения отражений от пола 15 безэховой камеры между экраном 10 и дополнительным отражателем 9 установлен по меньшей мере один промежуточный экран 16. На фиг.1 показан стенд с двумя промежуточными экранами 16.

Практическая реализация предлагаемого стенда не представляет сложности, что подтверждено успешными испытаниями опытного образца стенда на предприятии. Стойка 1 представляет собой вертикальную плиту. При этом стойка 1 и дополнительный отражатель 9 имеют соответствующие отверстия и расположены таким образом, что при их соединении образовано сквозное отверстия 18 (фиг.2) для установки антенны 6 уровнемера 2.

Опора 3 может быть выполнена, например, в виде пенопластовой колонны. Устройство 7 горизонтального перемещения опоры 3 может быть выполнено, например, в виде тележки, установленной на направляющие рельсы.

Экран 10 и промежуточные экраны 16 выполнены из радиопоглощающего материала. Промежуточные экраны 16 закреплены на дополнительных тележках 17. Устройство 7 горизонтального перемещения плоского отражателя 4, средство 11 горизонтального перемещения экрана 10 и дополнительные тележки 17 для перемещения промежуточных экранов 16 установлены на общих направляющих рельсах (не показаны), обеспечивающих их перемещение в направлении на антенну 6 уровнемера 2.

Соединитель 12 обеспечивает возможность изменения расстояния (L) между плоским отражателем 4 и ближним к нему экраном 10 и может быть выполнен, например, в виде винтовой пары, соединяющей устройство 7 горизонтального перемещения и средство 11 горизонтального перемещения.

Началом отсчета (О) при измерении расстояний до плоского отражателя 4 после дискретных его перемещений является, например, нижняя плоскость фланца антенны 6 уровнемера 2. Средство 8 измерения расстояния между началом отсчета (О) и плоским отражателем 4 может быть выполнено, например, в виде измерительной рулетки.

Предлагаемый стенд используют следующим образом. При проведении регулировки и поверки уровнемеров, работающих на расстояниях, не превышающих размеры стенда, закрывают дополнительный отражатель 9 шторами 14 (фиг.3). В соответствии с методикой поверки поверяемого уровнемера 2 с помощью устройства 7 горизонтального перемещения и связанного с ним средства 11 горизонтального перемещения последовательно устанавливают плоский отражатель 4 и экран 10 в заданном ряде фиксированных точек. В каждой из заданных точек фиксируют устройство 7 горизонтального перемещения и выполняют ряд измерений расстояния уровнемером 2 при нескольких дискретных расстояниях (S₁, S₂...S_n) между плоским отражателем 4 и экраном 10. Результаты измерений усредняют, а также вычисляют разницу. Разница результатов измерений характеризует чувствительность уровнемера к разрешаемым мешающим помехам низкого уровня, создаваемых мешающим отражением от экрана.

Для регулировки и поверки уровнемера, который работает на расстояниях, превышающих размеры стенда, открывают дополнительный отражатель 14 (фиг.2), расстояние до плоского отражателя 4 устанавливают в пределах 0,5-1 от максимального и используют двойное отражение волн между плоским отражателем 4 и дополнительным отражателем 9. При этом за счет вышеуказанной формы дополнительного отражателя 9, использования двойного отражения волн и фокусирующих свойств дополнительного отражателя 9 с увеличением расстояния до плоского отражателя 4 увеличивается мощность полезного сигнала и уменьшается мощность сигнала, отраженного опорой 3 и конструктивными элементами безэховой камеры. В результате при увеличении расстояния погрешность уменьшается.

Испытания и эксплуатация заявляемого стенда поверки уровнемеров показали, что погрешность измерения, обусловленная конструктивными элементами стенда, при измерении характеристик уровнемеров с непрерывным излучением и периодической треугольной частотной модуляцией зондирующих волн не превышает 0.002δ_R, где δ_R=c/4Δf - величина дискретной ошибки, с - скорость света, Δf - диапазон частотной модуляции. Продольный размер безэховой камеры составляет 17 м. При большей дистанции поверки уровнемера стоимость предлагаемого стенда по меньшей мере в 4 раза меньше стоимости известного стенда [4].

Источники информации

1. Уровнемеры микроволновые "MICROPILOT". Методика поверки. Г.р. №17672-02. Государственная система обеспечения единства измерений. Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС), Москва, 2002.

2. Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. - М.: Радио и связь, 1982. - 128 с.

3. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. Под ред. М.А.Колосова. - М.: Советское радио, 1972, с.232, с.138-143.

4. Описание стенда поверки уровнемеров ИГНД.407619.001 (разработан НИИИС), Государственный реестр №18237-99 - прототип.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для аттестации, поверки и калибровки радиолокационных измерителей дальности. Сущность: стенд регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров содержит стойку 1, выполненную с возможностью крепления уровнемера 2, опору 3, плоский отражатель 4, закрепленный на опоре 3, устройство 7 горизонтального перемещения, выполненное с платформой, средство 8 измерения расстояния (S) от выбранного начала отсчета (О) до плоского отражателя 4, дополнительный отражатель 9 и экран 10 из радиопоглощающего материала. Опора 3 размещена на платформе устройства 7 горизонтального перемещения для изменения расстояния (S) от начала отсчета (О) до плоского отражателя 4. Экран 10 установлен на средстве 11 горизонтального его перемещения, выполненного в виде тележки, жестко связанной соединителем 12 с устройством 7 горизонтального перемещения. Дополнительный отражатель 9 смонтирован на стойке 1 и выполнен в виде поверхности второго порядка. Для уменьшения отражений от дополнительного отражателя 9 введены два вспомогательные экрана в виде штор 14 из радиопоглощающего материала. Технический результат: уменьшение размеров стенда, безэховой камеры и их стоимости при одновременном уменьшении погрешности измерений. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стенд регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров, содержащий стойку, выполненную с возможностью крепления уровнемера, опору, плоский отражатель, закрепленный на опоре перпендикулярно прямой, проходящей через центры плоского отражателя и раскрыва антенны уровнемера при его регулировке и поверке, устройство горизонтального перемещения, средство измерения расстояния от начала отсчета до плоского отражателя, отличающийся тем, что введены дополнительный отражатель и экран, выполненный из радиопоглощающего материала, опора размещена на платформе устройства горизонтального перемещения для изменения расстояния от начала отсчета до плоского отражателя, экран выполнен с возможностью горизонтального перемещения одновременно с перемещением опоры для экранирования ее поверхности ниже плоского отражателя, причем расстояние от плоского отражателя до экрана составляет не менее двух расстояний разрешения уровнемера, дополнительный отражатель смонтирован на стойке и выполнен в виде поверхности второго порядка с радиусом кривизны, в 2-4 раза превышающим максимальное расстояние между центрами плоского и дополнительного отражателей, причем стойка и дополнительный отражатель выполнены с соответствующими сквозными отверстиями для установки антенны уровнемера.2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что дополнительный отражатель выполнен в виде сферического зеркала с размером апертуры, вдвое превышающим размеры плоского отражателя.3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что дополнительный отражатель выполнен в виде цилиндрического зеркала с вертикальным размером апертуры, вдвое превышающим вертикальный размер плоского отражателя, и горизонтальным размером, равным горизонтальному размеру плоского отражателя.4. Стенд по п.1, отличающийся тем, что экран установлен с возможностью изменения расстояния до плоского отражателя на величину не менее чем половина максимальной длины волны уровнемера при произвольном фиксированном расстоянии между плоским отражателем и стойкой.5. Стенд по п.1, отличающийся тем, что введены два вспомогательных экрана, суммарные размеры которых превышают размеры дополнительного отражателя, причем указанные экраны установлены перед дополнительным отражателем с возможностью перемещения параллельно его апертуре.6. Стенд по п.1, отличающийся тем, что введен по меньшей мере один промежуточный экран, установленный между экраном и дополнительным отражателем.7. Стенд по п.1, отличающийся тем, что стойка представляет собой вертикальную плиту.8. Стенд по п.1, отличающийся тем, что началом отсчета является нижняя плоскость фланца антенны поверяемого уровнемера.