РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ УРОВНЕМЕР С ВОЛНОВОДНОЙ ЛИНИЕЙ Российский патент 2015 года по МПК G01F23/284 

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к радиоволновым уровнемерам с зондами типа level gauge GWR - Guided Wave Radar (в английской терминологии). Практически все известные радарные уровнемеры GWR работают с импульсным излучением, поэтому они известны так же, как TDR - Time Domain Radar.

В заявляемом устройстве используется преимущественно метод излучения/приема сверхширокополосных сигналов с линейной частотной модуляцией (ЧМ или ЛЧМ / FM CW).

Уровень техники.

Широко распространены радарные уровнемеры волноводного типа, в которых сигнал распространяется по однопроводной линии (transmission line или Goubau line), погружаемой в измеряемую среду. Для сопоставимости с терминами transmission line» и «guided wave», однопроводная линия (ОЛ), используемая для распространения СВЧ сигналов, обозначается далее в тексте как волноводная линия (ВЛ) или однопроводная волноводная (ОВЛ). По аналогии с GWR далее в тексте применяется сокращенное название РВУ - радиолокационный (радарный) волноводный уровнемер.

Радарные уровнемеры с ОВЛ (далее РВУ) - серийные изделия, их разнообразные типы можно найти в поисковых системах Яндекс, Google, Yahoo и других, вводя ключевые слова типа: «радарный зондовый уровнемер», "Guided Wave Radar", "level gauge GWR", "TDR" и т.д. К РВУ относятся также радарные уровнемеры с двухпроводной (связанной) линией и др.

К проблемным вопросам, которые в разной степени решаются во многих патентах и промышленных образцах, относятся такие, как (1) устройство герметичного СВЧ перехода в виде единой конструкции с волноводной линией, которая входит в рабочую зону с измеряемой средой, (2) способы повышения помехоустойчивости от собственных аппаратных помех и от окружающих препятствий, (3) способы снижения затухания сигналов с увеличением длины ВЛ, (4) сохранение точности измерения и достоверности контроля уровня с учетом налипания на ВЛ материалов сред.

В патенте US 7467548 и особенно в патенте US 7636059 приведено подробное описание проблем (1) и (2) согласования устройств герметичных СВЧ переходов в единой конструкции с ВЛ, и предложены устройства, используемые в радарных уровнемерах фирмы Rosemount.

В патенте US 7827862 проблема (3) затухания импульсных сигналов решается применением в качестве ВЛ связанной линии. Аналогично связанные линии использованы в заявке US 2012/0319891 А1. Проблема (4) налипания на ВЛ материала сред в патенте US 7775106 решается кардинально - ВЛ вынесена из среды «за стенку» резервуара.

Предлагаемое изобретение не имеет явного прототипа, поскольку конструктивно существенно отличается от аналогов.

Общим недостатком известных устройств является трудность осуществления противоречивого требования согласования волнового сопротивления герметичного СВЧ перехода с входным/выходным сопротивлением приемопередатчика, с одной стороны, и волнового сопротивления ВЛ, близкого к волновому сопротивлению вакуума, с другой стороны. При этом герметичный СВЧ переход, составляющий единую конструкцию с ВЛ, должен быть конструктивно прочным, рассчитанным на большие давление и температуру, причем нагрузка материала среды на ВЛ может достигать нескольких тонн.

Другим недостатком, характерным для радиоволновых устройств, является скудность сведений о физических свойствах полей, распространяющихся в приповерхностных слоях на границах диэлектриков и металлов, что ограничивает возможности конструирования РВУ для конкретных применений.

Раскрытие изобретения.

Задача, решаемая изобретением, заключается в достижении высокой прочности герметичного перехода СВЧ, волноводной линии и требуемого волнового согласования конструкции. Она осуществляется путем разделения общей конструкции волноводной линии с герметичным СВЧ переходом на отдельные конструктивы, при этом ВЛ имеет необходимую прочность и стойкость к воздействиям среды, а герметичный СВЧ переход (далее - СВЧ гермоввод) - требуемое уплотнение и согласование.

Очевидно, разнонаправленная нагрузка, возникающая на ВЛ, не передается на СВЧ гермоввод, что защищает его от разрушения. Через СВЧ гермовводы проходят короткие связанные линии, согласующие приемопередатчик, находящийся снаружи вне среды, с волноводной линией, расположенной в рабочей зоне со средой.

Другой задачей является дополнение изобретения сведениями, расширяющими возможности конструирования конкретных исполнений уровнемеров.

Сущность изобретения заключается в способе крепления и возбуждения однопроводной волноводной линии с применением метода ЧМ. Начальная точка («пятка») ВЛ может крепиться к любому проводящему основанию сваркой и иным способом, на нижнем конце ВЛ может крепиться груз, который может выполнять также функцию отражателя или поглотителя. Возбуждается линия в диапазоне СВЧ на расстоянии нескольких сантиметров от проводящего основания («пятки») с помощью элементов (проводников), условно называемых вибраторами.

Вибраторы в точке питания (возбуждения) ВЛ могут соприкасаться с ВЛ или накладываться на нее с небольшим перекрытием. Тонкий слой изоляции между вибраторами и ВЛ позволяет отсечь низкочастотные и высокочастотные помехи, наводимые в линии, от СВЧ сигналов. Сигналы, подводимые от передатчика (генератора СВЧ) к ВЛ и отраженные от границ среды, поступающие на приемник (детектор СВЧ), передаются по коротким связанным линиям, встроенным в СВЧ гермовводы. Связанные линии обладают тем замечательным свойством, что а) позволяют регулировать их волновое сопротивление в широких пределах от десятков до сотен Ом, б) поле сосредоточено в основном между связанными противофазными проводами, за пределами которых оно резко убывает. Последнее обстоятельство позволяет сделать высокопрочные компактные СВЧ гермовводы с требуемым волновым сопротивлением, что недостижимо в известных радарных устройствах.

Для согласования симметричных связанных линий с несимметричной ВЛ и несимметричными входами передатчиков и приемников подходят широко известные приемы: трансформаторы СВЧ (balun - балуны), согласованные нагрузки на неактивных концах линий и т.д.

Краткое описание чертежей.

На фигуре 1 показан общий вид радиолокационного уровнемера с волноводной линией. На фигуре 2 показано положение волноводной линии вблизи металлической или диэлектрической поверхности, на фигуре 3 - положение волноводной линии в поглощающей диэлектрической трубе.

Осуществление изобретения.

Однопроводная волноводная линия 12 располагается внутри резервуара или силоса, ее верхний конец - «пятка» линии - примыкает непосредственно к металлическому фланцу или несущей проводящей поверхности 14. К нижнему концу волноводной линии крепится груз 13, который может быть отражателем или поглотителем. Приемопередающий блок 1, находящийся снаружи, содержит блок обработки 3, модулятор 2, передатчик 4, связанные линии 5 и 6, приемник 7. Связанные линии 5 и 6 через СВЧ гермовводы 8 и 9 подключены к вибраторам 10 и 11, которые непосредственно примыкают к волноводной линии 12.

Устройство работает как известные радиолокационные высотомеры и уровнемеры с ЧМ и аналогичные им изделия, использующие метод излучения/приема непрерывных частотно-модулированных колебаний (ЧМ). Описание методов и устройств с ЧМ общеизвестно, поэтому принцип действия устройства с ЧМ здесь не рассматривается. Отличием является формирование опорного сигнала, который в известных устройствах получают из передающего сигнала с помощью аттенюатора и направленного ответвителя. В настоящем устройстве опорный сигнал - это часть передающего сигнала, которая прямо просачивается от вибратора 10 на вибратор 11, минуя волноводную линию 12.

В точке расположения вибратора 11 образуется смесь опорного и отраженного от границы слоя 15 сигналов, которая по связанной линии 6 через СВЧ гермоввод 9 и поступает в приемник 7.

Точка положения вибратора 11 является нулевой точкой дальности (расстояния), от которой отсчитывается уровень, измеряемый до границы слоя среды 15.

Поле однопроводной волноводной линии 12 сконцентрировано вокруг линии, при малых потерях в проводнике самой ВЛ оно слабо рассеивается, поэтому возникает большая избыточность энергетического потенциала радиолокационного уровнемера по сравнению с антенными вариантами. Это обстоятельство может быть использовано для простого и эффективного резистивного согласования линий связи с ВЛ, приемником и передатчиком, без ущерба для обработки сигналов (качество обработки даже повышается).

Активные вибраторы 10 и 11 и их противофазные пассивные эквиваленты 10а и 11а - нагрузки - должны быть согласованы в широкой полосе частот, и могут иметь, например, форму треугольных пластин. Место расположения активных вибраторов 10 и 11 находится в точке возбуждения (питания) линии 12 и подбирается по максимуму согласования ВЛ и приемника. Опыты показали, что в полосе частот от 1 ГГц до 10 ГГц оптимальная точка возбуждения находится в пределах единиц сантиметров от начала (пятки) линии 12.

В качестве связанных линий 5 и 6 используется хорошо известные двухпроводные линии, обладающие практически неограниченной полосой пропускания сигналов вплоть до терагерц и свободно задаваемым волновым сопротивлением. Поле связанной линии сосредоточено в основном между проводниками линии, и за пределами линии резко убывает, что позволяет сделать на базе связанной линии компактные (малоразмерные) СВЧ гермовводы 8, 9, рассчитанные на высокие давления и температуру.

Выбор ЧМ метода радиолокационного устройства позволяет практически исключить влияние указанных выше проблем (3) и (4), свойственных импульсному методу, за счет гетеродинного выделения сигналов дальности.

При выборе конструкции ВЛ необходимо определить зону излучения, в пределах которой сосредоточена основная энергия поля. Если касаться ВЛ пальцем руки, то в точке касания происходит сильное отражение, и возникает ошибочное представление, что почти все поле концентрируется у поверхности проводника линии. Такой же результат можно увидеть, если надеть на ось ВЛ металлическую пластинку диаметром 1-2 см. В то же время в ряде руководств по применению радарных уровнемеров указывается допустимое расстояние между волноводной линией и стенкой резервуара не ближе 10-20 сантиметров.

Предлагаются способы оценки существенной для выбора конструкции зоны излучения. Как показано на фиг.2, к ВЛ 12 приближается металлический лист 16 (или сама ВЛ к металлической поверхности 16); также - диэлектрический лист 17 или поверхность 17. В первом случае, приблизив ВЛ к металлу 16, обнаружим влияние металла на расстоянии h ~ 2-3 см от поверхности ВЛ, во втором случае обнаружим влияние протяженной диэлектрической поверхности на расстоянии 10 см и более (h>10 см). Еще более заметное влияние диэлектриков можно обнаружить, поместив ВЛ, как показано на фиг.3, внутрь, например, асбестовой трубы 18 длиной 1 метр и внутренним диаметром 10-15 см - отраженный сигнал в блоке 1 пропадает. В случае с металлической трубой, наоборот, уменьшение диаметра трубы до 3-5 см приводит не к потере сигналов, а к рассогласованию линии, как у обычных коаксиальных кабелей, и может быть вполне допустимым.

Таким образом, например, при измерении глубины погружения судна, ВЛ можно располагать на расстоянии единицы сантиметров от корпуса судна, а при измерении уровня заполнения зерна в бетонном силосе расстояние от ВЛ до стенки силоса должно быть не менее 20 см. Аналогичные приемы относятся к верхней площадке крепления ВЛ.

Библиография

1. Патент США US 7467548 В2.

2. Патент США US 7636059 В1.

3. Патент США US 7775106.

4. Заявка США US 2012/0319891 А1.

Радиолокационный волноводный уровнемер предназначен для измерения уровня материалов, например, в резервуарах, котлах с избыточным давлением, силосах. Он содержит приемопередающий блок, включающий блок обработки, модулятор, передатчик и приемник, волноводную линию, расположенную внутри резервуара и прикрепленную к его металлической поверхности, передающую и приемные связанные линии, соединенные с передатчиком и приемником соответственно, проходящие через СВЧ гермовводы и заканчивающиеся вибраторами, возбуждающими волноводную линию, которая монтируется как отдельная подвеска с грузом, который может быть отражателем или поглотителем. Задача, решаемая изобретением, заключается в достижении высокой прочности герметичного СВЧ перехода, волноводной линии и требуемого волноводного согласования конструкции, а также стойкость к воздействиям среды. 3 ил.

Радиолокационный волноводный уровнемер, содержащий приемопередающий блок, включающий блок обработки, модулятор, передатчик и приемник, отличающийся тем, что содержит волноводную линию, расположенную внутри резервуара и прикрепленную к его металлической поверхности, передающую и приемные связанные линии, соединенные с передатчиком и приемником соответственно, проходящие через СВЧ гермовводы и заканчивающиеся вибраторами, возбуждающими волноводную линию, которая монтируется как отдельная подвеска с грузом, который может быть отражателем или поглотителем.