СПОСОБ РЕГУЛИРОВКИ И ПОВЕРКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ УРОВНЕМЕРОВ И СТЕНД ДЛЯ РЕГУЛИРОВКИ И ПОВЕРКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ УРОВНЕМЕРОВ Российский патент 2018 года по МПК G01F25/00 G01S13/08 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для аттестации, поверки и калибровки радиолокационных измерителей уровня (уровнемеров) жидкостей и сыпучих материалов.

Известен способ поверки уровнемеров промышленного назначения [1, 2], основанный на сопоставлении воспроизведенного и измеренного уровня. В этом способе производится последовательное воспроизведение нескольких расстояний (не менее пяти) между радиолокационным уровнемером и плоским отражателем путем перемещения плоского отражателя, измерение последовательности времен задержек отраженного сигнала от плоского отражателя и вычисление последовательности измеренных расстояний по известным скорости распространения радиоволн и измеренным временам задержек отраженного сигнала от плоского отражателя. Затем производится вычисление погрешности измерения расстояния в виде разности между измеренными и воспроизведенными последовательностями расстояний. Полученные разности используются для коррекции параметров уровнемеров и для определения погрешности уровнемеров.

Указанный способ может быть реализован с помощью следующих известных устройств.

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 [3].

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

Известен 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].

Известен ряд измерительных установок для измерения характеристик рассеяния радиолокационных целей [5, 6], содержащих отражатели заданной формы, размещенные на слабо отражающих опорах, закрытых радиопоглощающим материалом (РПМ), радиолокационные измерители и устройства изменения координат отражателей.

Указанный способ и перечисленные измерительные установки и стенды не могут обеспечить низкую погрешность измерения характеристик точности уровнемеров в широком диапазоне расстояний. Для уровнемеров промышленного применения допустимая погрешность измерения составляет единицы и доли миллиметров, а необходимый диапазон измеряемых расстояний составляет от десятков сантиметров до десятков метров. Это приводит к необходимости использовать для реализации указанного способа поверки уровнемеров измерительные установки, размеры рабочих зон которых значительно превышают размеры рабочих зон известных измерительных установок, что существенно повышает стоимость таких установок.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому способу и устройству (прототипом) является стенд регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров [7], содержащий стойку, выполненную с возможностью крепления уровнемера, опору, плоский отражатель, закрепленный на опоре перпендикулярно продольной оси, совпадающей с осью антенны уровнемера при его регулировке и поверке, устройство горизонтального перемещения, средство измерения расстояния от начала отсчета до плоского отражателя, 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. Дополнительный отражатель выполняется сферической формы или цилиндрической формы.

Недостатком данного стенда для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров является сложность формы дополнительного отражателя, что существенно удорожает стенд и вызывает необходимость производить дополнительную коррекцию результатов для антенн уровнемера различного размера и типа.

Технический результат изобретения состоит в уменьшении стоимости стенда и исключении процедуры коррекции результатов измерений.

Технический результат достигается тем, что в способе регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров, включающем первое последовательное воспроизведение нескольких заданных расстояний между уровнемером, который содержит соединенные между собой устройство формирования и обработки сигналов, линию передачи электромагнитной энергии (ЛПЭЭ) и антенну, и плоским отражателем путем перемещения плоского отражателя, измерение первой последовательности времен задержек отраженного сигнала от плоского отражателя, вычисление первой последовательности измеренных расстояний, которую выполняют по известным скорости распространения радиоволн и измеренным временам задержек отраженного сигнала от плоского отражателя, воспроизведение второй последовательности дополнительных заданных расстояний путем последовательного перемещения плоского отражателя на вторую последовательность расстояний, измерение второй последовательности задержек сигналов, вычисление второй последовательности измеренных расстояний, вычисление погрешности в виде разности между обеими последовательностями одноименных воспроизведенных и измеренных расстояний и использование вычисленной погрешности для коррекции параметров уровнемера и для определения погрешности уровнемера с соблюдением следующих условий дополнительно выполняют следующую совокупность действий. Для измерений в диапазоне расстояний превышающих длине стенда, увеличивают электродинамическую длину ЛПЭЭ уровнемера включая дополнительную ЛПЭЭ из дискретного набора ЛПЭЭ, с электродинамической длиной, меньшей максимально воспроизведенного расстояния из предыдущей последовательности заданных расстояний на величину минимально воспроизводимого расстояния, перемещают плоский отражатель в направлении антенны до совпадения результата измерения с текущей дополнительной ЛПЭЭ с максимальным результатом измерения предыдущей последовательности измеренных расстояний, принимают найденное положение плоского отражателя за исходное для новой последовательности дополнительных заданных расстояний и воспроизводят очередную последовательность дополнительных заданных расстояний, выделяют сигнал, соответствующий текущему воспроизводимому расстоянию до плоского отражателя с учетом электродинамической длины текущей дополнительной ЛПЭЭ, измеряют новую дополнительную последовательность задержек сигнала до плоского отражателя с учетом текущей электродинамической длины дополнительной ЛПЭЭ, вычисляют соответствующую дополнительную последовательность измеренных расстояний, причем измерение последовательностей времен задержек отраженного сигнала от плоского отражателя выполняют при уровне не разрешаемых по расстоянию помех, не превышающих допустимого, и отклонении от равномерной зависимости скорости распространения электромагнитной энергии в дополнительных ЛПЭЭ от частоты колебаний не превышающей допустимой.

При этих измерениях допустимый уровень не разрешаемых по расстоянию помех задается допустимым отношением помеха-сигнал, q_nc, определяемым выражением

q_nc≤(1,2÷2,5)K_mΔR_норм/N,

где ΔR_норм - нормированная величина допустимой погрешности, равная отношению абсолютной допустимой погрешности к разрешающей способности радиолокационного уровнемера;

К_m - коэффициент, учитывающий метод обработки сигнала (при оценке расстояния по спектру сигнала К_m=1 и при использовании метода максимального правдоподобия для уточнения результата К_m=5÷7);

N - используемая кратность переотражений.

Изменение скорости распространения электромагнитной энергии в дополнительной ЛПЭЭ при изменении частоты колебаний в полосе частот зондирующего сигнала не должно превышать одного процента.

Технический результат достигается также тем, что в стенд регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров, содержащий стойку, выполненную с возможностью крепления уровнемера, который включает в себя соединенные между собой устройство формирования и обработки сигналов, ЛПЭЭ и антенну, опору, плоский отражатель, закрепленный на опоре перпендикулярно прямой, проходящей через центры плоского отражателя и раскрыва антенны, устройство горизонтального перемещения, средство измерения расстояния от начала отсчета, связанного со стойкой, до плоского отражателя, введена съемная дополнительная ЛПЭЭ из набора ЛПЭЭ с дискретным изменением электродинамической длины. Причем дискрет изменения электродинамической длины съемной дополнительной ЛПЭЭ в наборе ЛПЭЭ меньше разности максимального и минимального расстояний до плоского отражателя.

Возможно дополнительную ЛПЭЭ выполнять в виде волновода с устройствами согласования.

Целесообразно дополнительную ЛПЭЭ выполнять в виде двух последовательно соединенных через частичные ЛПЭЭ первого и второго трехплечих циркуляторов, при этом первое плечо первого циркулятора соединено с устройством формирования и обработки сигналов, второе и третье плечи первого циркулятора соединены через частичные ЛПЭЭ, соответственно, с первым и третьим плечами второго циркулятора, а второе плечо второго циркулятора соединено с антенной.

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".

На фиг. 1 изображен стенд для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров без дополнительного волновода.

На фиг. 2 изображен стенд для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров с дополнительным волноводом.

На фиг. 3 изображена дополнительная ЛПЭЭ.

Стенд (фиг. 1) регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров содержит стойку 1, выполненную с возможностью крепления уровнемера, содержащего устройство формирования и обработки сигналов (УФОС) 2, ЛПЭЭ 3 и антенну 4, опору 5, плоский отражатель 6, закрепленный на опоре перпендикулярно прямой 7, проходящей через центры плоского отражателя 6 и раскрыва антенны 4, устройство 8 горизонтального перемещения, средство 9 измерения расстояния от начала отсчета, связанного со стойкой 1, до плоского отражателя 6 и дополнительную ЛПЭЭ 10 (фиг. 2) с электродинамической длиной меньшей максимально воспроизводимого расстояния.

Возможно дополнительную ЛПЭЭ 10 выполнять в виде волновода с устройствами согласования.

Предпочтительно дополнительную ЛПЭЭ 10 (фиг. 3) выполнять в виде двух последовательно соединенных через две частичные ЛПЭЭ 11 и 12 первого 13 и второго 14 трехплечих циркуляторов, при этом первое плечо 15 первого циркулятора 13 соединено с УФОС 2, второе 16 и третье 17 плечи первого циркулятора 13 соединены через частичные ЛПЭЭ, соответственно, с первым 18 и третьим 19 плечами второго циркулятора 14, а второе плечо 20 второго циркулятора 14 соединено с антенной 6.

Предлагаемый способ регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров реализуют с помощью стенда регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров следующим образом. В соответствии с фиг. 1 с помощью устройства горизонтального перемещения 8 и средства 9 измерения расстояния от начала отсчета, связанного со стойкой 1, до плоского отражателя 6 производят первое последовательное воспроизведение нескольких заданных расстояний между антенной 4 и плоским отражателем 6. При каждом воспроизведенном расстоянии формируют и излучают радиоволны в направлении плоского отражателя 6, принимают, спустя время распространения, эхо волны и формируют из них отраженный сигнал, выделяют сигнал, соответствующий воспроизведенному расстоянию до плоского отражателя 6, измеряют первую последовательность времен задержек отраженного сигнала от плоского отражателя 6, вычисляют первую последовательность измеренных расстояний по известным скорости распространения радиоволн и измеренным временам задержек отраженного сигнала от плоского отражателя 6.

Затем устанавливают дополнительную ЛПЭЭ 10 между антенной 4 и ЛПЭЭ 3 в соответствии с фиг. 2, перемещают плоский отражатель 6 в направлении антенны 4 до совпадения результата измерения расстояния с включенной дополнительной ЛПЭЭ 10 с результатом измерения при максимальном воспроизведенном расстоянии без дополнительной ЛПЭЭ 10, принимают найденное положение плоского отражателя 6 за исходное и воспроизводят вторую последовательность дополнительных заданных расстояний, выделяют сигнал, соответствующий расстоянию до плоского отражателя 6 с учетом электродинамической длины дополнительной ЛПЭЭ 10, измеряют дополнительную последовательности задержек сигналов, вычисляют дополнительную последовательность измеренных расстояний и вычисляют погрешность измерения в виде разности между обеими последовательностями одноименных воспроизведенных и измеренных расстояний и используют вычисленную погрешность для коррекции параметров радиолокационного уровнемера и для определения погрешности радиолокационного уровнемера.

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/4Δƒ - величина дискретной ошибки, с - скорость света, Δƒ - диапазон частотной модуляции. Продольный размер безэховой камеры составляет 17 м. При большей дистанции поверки уровнемера стоимость предлагаемого стенда по меньшей мере в 1,5 раза меньше стоимости известного стенда [4].

При использовании дополнительной ЛПЭЭ отсутствует необходимость в дополнительной коррекции результатов для антенн уровнемера различного размера и типа, что упрощает и ускоряет процедуру регулировки и поверки уровнемеров.

Источники информации

1. ГОСТ 8.321-2013. Государственная система обеспечения единства измерений. Уровнемеры промышленного применения. Методика поверки: М. Стандартинформ. 2015.

2. Уровнемеры радиоволновые «БАРС». Методика поверки ЮЯИГ.407629.009 МП.

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

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

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

6. Майзельс Е. Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. Под ред. М.А. Колосова, М. Изд-во «Советское радио», 1972, с. 232, с. 138-143.

7. Патент РФ №2298770. Стенд регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров. Атаянц Б.А., Давыдочкин В.М., Езерский В.В., Болонин В.А., Мазалов Ю.В., Маркин С.А., Нагорный Д.Я. (прототип).

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров. Способ регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров основан на имитации измерения уровня в горизонтальной плоскости путем последовательного воспроизведения нескольких заданных расстояний между плоским отражателем и радиолокационным уровнемером. При этом для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров в диапазоне расстояний, превышающем физические размеры стенда, увеличивают электродинамическую длину линии передачи электромагнитной энергии (ЛПЭЭ) уровнемера в его антенно-волноводном тракте, последовательно подключая дополнительные ЛПЭЭ из набора ЛПЭЭ с дискретным изменением длины. Стенд для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров содержит стойку 1 для крепления уровнемера, который состоит из устройства формирования и обработки сигналов 2, ЛПЭЭ 3 и антенны 4, опору 5, плоский отражатель 6, расположенный перпендикулярно прямой 7, проходящей через центры, плоского отражателя 6 и раскрыва антенны 4, устройство горизонтального перемещения 8, средство измерения расстояния 9 и съемную дополнительную ЛПЭЭ 10 из набора ЛПЭЭ с дискретным изменением электродинамической длины. Технический результат изобретения состоит в уменьшении стоимости стенда и исключении процедуры коррекции результатов измерений. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров, включающий первое последовательное воспроизведение нескольких заданных расстояний между плоским отражателем и радиолокационным уровнемером, который содержит соединенные между собой устройство формирования и обработки сигналов, линию передачи электромагнитной энергии (ЛПЭЭ) и антенну, в пределах от минимально до максимально воспроизводимых расстояний путем перемещения плоского отражателя, измерение первой последовательности времен задержек отраженного сигнала от плоского отражателя, вычисление первой последовательности измеренных расстояний, которую выполняют по известным скорости распространения радиоволн и измеренным временам задержек отраженного сигнала от плоского отражателя, воспроизведение второй последовательности заданных расстояний путем последовательного перемещения плоского отражателя на вторую последовательность расстояний, измерение второй последовательности задержек сигналов, вычисление второй последовательности измеренных расстояний, вычисление погрешности в виде разности между последовательностями одноименных воспроизведенных и измеренных расстояний и использование вычисленной погрешности для коррекции параметров радиолокационного уровнемера и для определения погрешности радиолокационного уровнемера, отличающийся тем, что для воспроизведения второй и следующих последовательностей дополнительных заданных расстояний между ЛПЭЭ и антенной включают дополнительную ЛПЭЭ из дискретного набора ЛПЭЭ, с электродинамической длиной, меньшей максимально воспроизведенного расстояния из предыдущей последовательности заданных расстояний на величину минимально воспроизводимого расстояния, перемещают плоский отражатель в направлении антенны до совпадения результата измерения с текущей дополнительной ЛПЭЭ с максимальным результатом измерения предыдущей последовательности измеренных расстояний, принимают найденное положение плоского отражателя за исходное для новой последовательности дополнительных заданных расстояний и воспроизводят очередную последовательность дополнительных заданных расстояний, выделяют сигнал, соответствующий текущему воспроизводимому расстоянию до плоского отражателя с учетом электродинамической длины текущей дополнительной ЛПЭЭ, измеряют новую дополнительную последовательность задержек сигнала до плоского отражателя с учетом текущей электродинамической длины дополнительной ЛПЭЭ, вычисляют соответствующую дополнительную последовательность измеренных расстояний, причем измерение последовательностей времен задержек отраженного сигнала от плоского отражателя выполняют при уровне не разрешаемых по расстоянию помех, не превышающих допустимого, и отклонении от равномерной зависимости скорости распространения электромагнитной энергии в дополнительных ЛПЭЭ от частоты колебаний, не превышающей допустимой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что допустимый уровень помех, заданный допустимым отношением помеха-сигнал, определен помехоустойчивостью радиолокационных уровнемеров.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что допустимое отношение помеха-сигнал определяется выражением

,

где ΔR_норм - нормированная величина допустимой погрешности, равная отношению абсолютной допустимой погрешности к разрешающей способности радиолокационного уровнемера;

- коэффициент, учитывающий метод обработки сигнала (при оценке расстояния по спектру сигнала и при использовании метода максимального правдоподобия для уточнения результата );

N - используемая кратность переотражений.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменение скорости распространения электромагнитной энергии в дополнительной ЛПЭЭ при изменении частоты колебаний в полосе частот зондирующего сигнала не превышает одного процента.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что общая воспроизведенная последовательность расстояний равна сумме первой последовательности воспроизведенных расстояний и разности расстояний между максимальным и минимальным воспроизведенным расстоянием на каждой последовательности воспроизводимых расстояний.

6. Стенд для регулировки и поверки радиолокационных уровнемеров, содержащий стойку, выполненную с возможностью крепления радиолокационного уровнемера, который содержит соединенные между собой устройство формирования и обработки сигналов, ЛПЭЭ и антенну, опору, плоский отражатель, закрепленный на опоре перпендикулярно прямой, проходящей через центры плоского отражателя и раскрыва антенны, устройство горизонтального перемещения, средство измерения расстояния от начала отсчета, связанного со стойкой, до плоского отражателя, отличающийся тем, что между ЛПЭЭ и антенной включена съемная дополнительная ЛПЭЭ из набора ЛПЭЭ с дискретным изменением электродинамической длины.

7. Стенд по п. 6, отличающийся тем, что дискрет изменения электродинамической длины съемной дополнительной ЛПЭЭ в наборе ЛПЭЭ меньше разности максимального и минимального расстояний до плоского отражателя.

8. Стенд по п. 6, отличающийся тем, что дополнительная ЛПЭЭ выполнена в виде волновода с устройствами согласования.

9. Стенд по п. 6, отличающийся тем, что дополнительная ЛПЭЭ выполнена в виде двух последовательно соединенных через частичные ЛПЭЭ первого и второго трехплечих циркуляторов, при этом первое плечо первого циркулятора соединено с устройством формирования и обработки сигналов, второе и третье плечи первого циркулятора соединены через частичные ЛПЭЭ, соответственно, с первым и третьим плечами второго циркулятора, а второе плечо второго циркулятора соединено с антенной.