СИСТЕМА РАДАРНОГО УРОВНЕМЕРА И БЛОК ОТРАЖАТЕЛЯ Российский патент 2018 года по МПК G01F23/284 

Область техники

Изобретение относится к радиолокационному (радарному) уровнемеру, блоку отражателя, а также к способу установки референтного отражателя на его рабочее место и к способу тестирования радарного уровнемера.

Уровень техники

Радарные уровнемеры нашли широкое применение для определения уровня продукта, находящегося в резервуаре (танке). Радарное измерение уровня обычно осуществляют, используя распространение передаваемого электромагнитного сигнала в направлении продукта, содержащегося в резервуаре, и прием электромагнитного отраженного сигнала, образующегося в результате отражения передаваемого сигнала от поверхности продукта.

В возможных вариантах переданные электромагнитные сигналы просто испускаются в направлении продукта, содержащегося в резервуаре, или направляются в сторону этого продукта и в его внутренний объем посредством зонда, выполненного на основе передающей линии и обычно именуемого волноводным радаром (GWR, guided wave radar).

Основываясь на передаваемом сигнале и сигнале, отраженном от поверхности продукта, можно определить расстояние до этой поверхности, что позволяет по этому расстоянию вычислить уровень заполнения.

Радарные уровнемеры при их классификации часто подразделяют на импульсные системы и так называемые системы непрерывного излучения с частотной модуляцией (системы FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave). В первом случае в направлении поверхности продукта посылают импульсные сигналы, а расстояние до данной поверхности определяют, исходя из времени прохождения импульсного сигнала до поверхности и обратно, т.е. к радарному уровнемеру. В системах FMCW в направлении поверхности продукта посылают сигнал, имеющий переменную частоту, а расстояние определяют, исходя из разности частот (и/или фаз) между посланным сигналом и принимаемым одновременно с ним отраженным сигналом. Кроме того, известны и так называемые импульсные системы FMCW.

В некоторых случаях радарные уровнемеры приходится использовать в приложениях, в которых неисправность такого устройства может привести к опасным ситуациям. В частности, по этой причине особенно надежным должен быть радарный уровнемер, выполняющий функцию предотвращения переполнения.

Чтобы гарантировать надежность радарных уровнемеров, в особенности радарных уровнемеров, предотвращающих переполнение, и, тем самым, понизить вероятность опасных ситуаций такого рода, принимают различные меры. Например, радарные уровнемеры и другие устройства, важные в данном контексте, могут быть сконструированы с возможностью обеспечить наличие конкретного так называемого Уровня полноты безопасности (УПБ, Safety Integrity Level, или SIL), определяемого международным стандартом IEC/EN 61508. Согласно этому стандарту системы обеспечения безопасности могут отвечать требованиям, соответствующим различным степеням УПБ (УПБ 1 - УПБ 4), из которых УПБ 4 и УПБ 1 отвечают соответственно максимальному и минимальному уровням полноты безопасности.

Оценка системы по параметру УПБ связана с вероятностью невыполнения команды, которая, в свою очередь, является функцией вероятной частоты отказов и временного интервала между контрольными тестированиями. Таким образом, для поддержания требуемой оценки по УПБ необходимо проводить контрольные тестирования через регулярные интервалы времени, выбранные в соответствии с присвоенным УПБ-рейтингом. Например, может потребоваться проводить контрольные тестирования ежегодно.

Как правило, технические требования к контрольным тестированиям определяет изготовитель системы, имеющей УПБ-рейтинг, тогда как ответственность за то, чтобы эти тестирования проводились надлежащим образом, лежит на пользователе системы.

Раскрытие изобретения

С учетом перечисленных, а также других недостатков, присущих уровню техники, общая задача, решаемая изобретением, состоит в разработке усовершенствованного контрольного тестирования системы радарного уровнемера.

Соответственно, согласно первому аспекту изобретения предлагается система радарного уровнемера, предназначенная для определения уровня заполнения резервуара продуктом и содержащая:

- трансивер, генерирующий, передающий и принимающий электромагнитные сигналы,

- устройство, распространяющее сигнал (далее - распространяющее устройство), подсоединенное к трансиверу и способное распространять передаваемый электромагнитный сигнал от трансивера в направлении продукта, находящегося в резервуаре, и возвращать к трансиверу отраженный электромагнитный сигнал, образующийся в результате отражения передаваемого сигнала от поверхности продукта,

- блок отражателя, содержащий:

- гибкий удлиненный компонент, зафиксированный у места прикрепления внутри резервуара,

- отражающий компонент, расположенный в позиции, выбранной вдоль гибкого удлиненного компонента, пространственно удаленный от места прикрепления и имеющий первую максимальную протяженность в плоскости отражателя, и

- груз, присоединенный к отражающему компоненту так, что ориентация груза задает ориентацию отражающего компонента.

При этом отражающий компонент установлен с возможностью отражать в виде отраженного электромагнитного сигнала передаваемый электромагнитный сигнал обратно в направлении трансивера. В системе предусмотрен также процессорный контур, подключенный к трансиверу и предназначенный для определения, на основе передаваемого и отраженного сигналов, уровня, соответствующего контрольному тестированию.

Резервуаром может быть любой контейнер или любая емкость, способный (способная) содержать продукт. Резервуар может быть металлическим или частично/полностью неметаллическим, открытым, полуоткрытым или закрытым.

"Трансивером" может служить функциональный блок, способный передавать и принимать электромагнитные сигналы, или система, состоящая из отдельных передающего и принимающего блоков.

Процессорный контур может быть выполнен в виде единого устройства или из раздельных устройств, причем предусмотрена возможность реализовать его посредством аппаратных средств, программного обеспечения или их комбинации.

Распространяющим устройством может быть любое средство, способное распространять передаваемый электромагнитный сигнал. Например, оно может содержать антенну или зонд, выполненный на основе передающей линии.

В любом случае можно считать, что данное устройство распространяет передаваемый электромагнитный сигнал согласно "паттерну распространения", который следует понимать как распределение энергии, распространяющейся из устройства. Примером такого паттерна является лепесток диаграммы направленности излучающей антенны. Кроме того, если распространяющее устройство содержит зонд на основе передающей линии, направляемое зондом микроволновое излучение может распространяться вне зонда, причем плотность энергии такого излучения понижается в зависимости от увеличения расстояния от зонда.

Поскольку удлиненный компонент блока отражателя выполнен гибким (легко сгибаемым), его ориентация внутри резервуара в типичном варианте будет задаваться силой тяжести, воздействующей на груз. Соответственно, данный компонент внутри резервуара, как правило, может иметь вертикальную ориентацию.

Отражающий компонент может иметь первую максимальную протяженность в плоскости отражателя, а груз может иметь вторую максимальную протяженность в плоскости, параллельной плоскости отражателя, причем вторая максимальная протяженность меньше первой.

В общем случае отражающий компонент может располагаться, по существу, горизонтально, т.е. горизонтальная составляющая его протяженности может быть существенно больше вертикальной.

Обеспечена возможность по меньшей мере частично поместить отражающий компонент блока отражателя в границах паттерна распространения, создаваемого распространяющим устройством.

Гибким удлиненным компонентом может быть проволока, которую можно выполнить из металла или из неметаллического материала. Кроме того, такая проволока может состоять из единичного волокна или из множества волокон. В альтернативных вариантах гибкий удлиненный компонент может быть выполнен в любой другой форме, например в виде ленты из ткани.

В дальнейшем описании термин "проволока", как правило, используется чаще, чем термин "гибкий удлиненный компонент", но это не следует считать фактором, ограничивающим объем изобретения.

Должно быть понятно, что нет необходимости формировать отражающий компонент в виде одной пластины, изготовленной машинной обработкой. Его можно сформировать, например, альтернативным образом в виде нескольких стержней и/или нескольких пластин.

Изобретение основано на осознании того, что воспроизводимость и надежность тестирования системы радарного уровнемера можно улучшить, используя блок отражателя, содержащий проволоку (или другой гибкий удлиненный компонент) с подвешенным грузом и отражающий компонент, подсоединенный к проволоке. Груз будет удерживать проволоку или по меньшей мере ее участки в вертикальном положении. Поскольку отражающий компонент подсоединен к проволоке, это, в свою очередь, позволяет получить для него воспроизводимую и прочную конструкцию.

В частности, предусмотрена возможность установить отражающий компонент горизонтально. В таком варианте его можно подсоединить к грузу таким образом, чтобы он был ориентирован перпендикулярно к продольной оси груза.

Таким образом, надежное контрольное тестирование системы радарного уровнемера может быть обеспечено различными вариантами изобретения, поскольку ориентация отражающего компонента всегда будет настраиваться под действием на груз силы тяжести.

Кроме того, в различных вариантах изобретения обеспечиваются относительно простая установка устройства на рабочее место и/или пониженная вероятность ошибок при такой установке.

Желательно дополнительно предусмотреть возможность придать блоку отражателя такую конфигурацию, при которой он оказывается расположенным у заданного уровня, находящегося выше уровня, соответствующего тревожному сигналу о переполнении резервуара.

Кроме того, желательно пропустить проволоку через центр массы отражающего компонента и центр массы груза.

Желательно предусмотреть возможность придать отражающему компоненту поперечный размер (например диаметр в случае дисковидной отражающей пластины), существенно превышающий поперечный размер (диаметр) груза. Например, максимальный поперечный размер отражающего компонента может быть больше максимального поперечного размера груза по меньшей мере в два раза, а предпочтительно - по меньшей мере в три раза.

Кроме того, вертикальный размер (длина) груза может быть существенно больше (например по меньшей мере в четыре раза) толщины отражающего компонента.

Согласно различным вариантам изобретения груз и отражающий компонент можно соединить друг с другом, используя по меньшей мере одно отсоединяемое крепежное средство, такое как болт и/или гайка.

В альтернативных вариантах груз и отражающий компонент могут быть разными участками собранного блока отражателя. Такой собранный блок может быть сформирован из цельного куска материала или из двух или более деталей, соединенных в единое целое, например посредством сварки.

Кроме того, согласно различным вариантам изобретения желательно предусмотреть возможность поместить отражающий компонент между грузом и местом прикрепления, другими словами, установить груз ниже отражающего компонента. В тех вариантах изобретения, в которых конфигурация внутреннего объема резервуара такова, что место прикрепления находится не непосредственно над требуемой позицией отражающего компонента, в какой-то точке над этим компонентом может потребоваться изогнуть проволоку. Например, отражающий компонент может упираться в находящуюся внутри резервуара конструкцию, и при размещении груза ниже отражающего компонента можно изогнуть проволоку таким образом, чтобы данный компонент оказался в требуемой позиции.

Такие параметры груза, как плотность и размеры, должны выбираться так, чтобы он обеспечивал изгибающий момент, достаточный для сгибания проволоки и, тем самым, для изменения ориентации отражающего компонента, если это необходимо. Требуемый уровень изгибающего момента будет зависеть от различных факторов, таких как конкретное закрепление, свойства проволоки (насколько легко она поддается изгибу) и размеры отражающего компонента. Специалисту в этой области будет нетрудно определить надлежащие размеры груза посредством простых вычислений и/или ограниченного тестирования методом проб и ошибок.

Во многих случаях полезно, чтобы груз, ориентированный вдоль проволоки, перекрывал отрезок, превышающий половину максимальной протяженности отражающего компонента в направлении, перпендикулярном проволоке.

Согласно различным вариантам изобретения груз может иметь внутреннюю поверхность, которой охватывается проволока, а блок отражателя можно дополнительно снабдить по меньшей мере еще одним отсоединяемым крепежным средством, прижимающим проволоку к внутренней поверхности груза.

Этот вариант прикрепления груза к проволоке является стандартным, причем он, кроме того, позволяет в какой-то степени регулировать вертикальное положение отражающего компонента, если перед смещением груза разблокировать данное крепежное средство, а затем снова его закрепить.

В различных вариантах радарного уровнемера, выполненного согласно изобретению, желательно предусмотреть возможность прикрепить блок отражателя к распространяющему устройству.

Чтобы обеспечить возможность выполнить такое прикрепление несложным образом, желательно, чтобы блок отражателя мог дополнительно содержать зажимной компонент, зафиксированный на распространяющем устройстве. Компонент такого типа используется для несложного прикрепления известных систем радарного уровнемера.

В тех вариантах изобретения, в которых распространяющее устройство снабжено компонентом, направляющим излучение и имеющим периферийную зону, желательно предусмотреть возможность охвата этой зоны зажимным компонентом блока отражателя.

Если, например, компонентом, направляющим излучение, является отражатель параболической антенны, зажимной компонент может соответственно охватывать обод данного отражателя.

Согласно различным вариантам изобретения предусмотрена возможность выполнить отражающую пластину перфорированной, чтобы облегчить стекание капель продукта, который может оказаться в контакте с данной пластиной, например, в результате разбрызгивания. Размеры и/или позиционирование отверстий, проходящих сквозь перфорированную пластину, можно выбрать в соответствии с частотой используемых электромагнитных сигналов. В тех вариантах изобретения, в которых передаваемый электромагнитный сигнал представляет собой модулированный несущий сигнал с определенной несущей частотой, данные отверстия могут быть такими большими, насколько это возможно при условии сохранения возможности отражения микроволнового излучения на несущей частоте.

В тех вариантах изобретения, в которых распространяющее устройство сконфигурировано так, что для излучения электромагнитных сигналов в направлении продукта, находящегося в резервуаре, применена направленная антенна, паттерн распространения (лепесток диаграммы направленности антенны) в общем случае может задаваться угловым параметром.

Если отражающий компонент расположен в границах паттерна распространения, может оказаться полезным предусмотреть для различных вертикальных позиций отражающие компоненты, различающиеся по размеру. Укороченное расстояние по вертикали, измеряемое от места прикрепления до отражающего компонента, потребует, чтобы он имел увеличенную протяженность по горизонтали по сравнению с отражающим компонентом, установленным на большем вертикальном расстоянии от места прикрепления.

В других вариантах распространяющее устройство может содержать трубку, проходящую в резервуаре вертикально, и антенну, расположенную у верхнего отверстия трубки, причем предусмотрена возможность прикрепить проволоку к трубке. Вертикально ориентированную трубку такого типа часто именуют успокоительной.

В этих вариантах изобретения желательно предусмотреть возможность выбрать место прикрепления рядом со стенкой трубки, чтобы свести к минимуму любое отражение, вызванное тем, что место прикрепления находится вблизи верхнего торца трубки.

Однако для получения надлежащего эхо-сигнала желательно, чтобы отражающий компонент мог иметь по меньшей мере участок отражающей поверхности, расположенный у центра трубки. Это особенно важно в случае применения волновой моды ТЕ01, распространяющейся с малыми потерями, поскольку у нее микроволновая энергия максимальна у центра трубки.

Соответственно, в различных вариантах изобретения предусмотрена возможность провести проволоку от места прикрепления к отражающему компоненту не вертикально, но вместо этого сделать расстояние от внутренней стенки трубки до проволоки постепенно увеличивающимся в направлении, ведущем к отражающему компоненту от места прикрепления. Данный компонент будет опираться на внутреннюю стенку трубки у точки контакта, а проволока окажется изогнутой вокруг этой точки под действием на нее изгибающего момента, который создается грузом, расположенным ниже отражающего компонента.

Таким образом, размещение груза ниже отражающего компонента позволяет в то же время выбрать место прикрепления поблизости от внутренней стенки трубки, выполнить промежуток между внутренней стенкой и проволокой с постепенным увеличением и установить горизонтальный отражающий компонент у продольной оси трубки.

Чтобы обеспечить удобное прикрепление проволоки блока отражателя у места, расположенного поблизости от внутренней стенки трубки, желательно предусмотреть возможность снабдить данный блок зажимным компонентом, введенным в трубку через ее верхнее отверстие.

Наружный диаметр успокоительной трубки может быть заданным и стандартизированным согласно техническому заданию. Однако в различных установках толщина стенки может варьироваться. Это означает, что внутренний диаметр трубки может изменяться от установки к установке. Чтобы удобным образом решить эту проблему, желательно предусмотреть возможность сделать диаметр зажимного компонента регулируемым.

Согласно вариантам изобретения зажимной компонент для трубки можно выполнить в виде регулируемой внутренней втулки, которая на своей верхней торцевой поверхности может иметь участок, радиально выступающий из остальной части.

Кроме того, в блоке отражателя можно предусмотреть соединительный компонент, прикрепленный к проволоке и по сравнению с ней имеющий увеличенный диаметр. Для прикрепления блока отражателя к зажимному компоненту последний можно снабдить принимающим компонентом, взаимодействующим с соединительным компонентом.

Принимающий компонент может быть выполнен, например, в виде радиально выступающей опоры с отверстием. Чтобы упростить введение проволоки, желательно предусмотреть возможность выполнить данное отверстие с боковым проходом, который может быть достаточно большим, т.е. позволяющим несложным образом вставить проволоку сбоку, но в то же время достаточно маленьким, чтобы предотвратить проваливание принимающего компонента в боковой проход. Такой вариант может сочетать простоту и надежность введения, уменьшая тем самым вероятность падения блока отражателя в трубку при его установке на рабочее место или при удалении оттуда.

Чтобы дополнительно понизить вероятность ошибки при установке устройства, предусмотрена возможность, кроме того, снабдить блок отражателя дополнительной проволокой, фиксируемой на соединительном компоненте. Перед введением блока отражателя в трубку эту дополнительную проволоку можно временно прикрепить к фиксированной конструкции, расположенной внутри или снаружи резервуара. В результате в случае падения блока отражателя в трубку его можно легко извлечь оттуда.

Согласно различным вариантам изобретения предусмотрена возможность придать отражающему компоненту конфигурацию, облегчающую ручное измерение уровня заполнения резервуара, проводимое через трубку, например, посредством так называемого погружения измерительного средства вручную. Для этого отражающий компонент можно выполнить с несколькими отверстиями, которые занимают по меньшей мере половину общей площади поверхности круга, очерченного данным компонентом. Желательно предусмотреть возможность иметь в отражающем компоненте не более пяти таких отверстий.

Отражающий компонент может состоять, например, из центрального и периферийного участков, соединенных по меньшей мере двумя перемычками.

Чтобы уменьшить вероятность искрения во время введения блока отражателя в резервуар и удаления его оттуда, предусмотрена возможность по меньшей мере частично выполнить данный блок из искробезопасного материала, такого как бронза, латунь или другие подобные материалы.

В тех вариантах изобретения, в которых система радарного уровнемера может переключаться как в режим измерения уровня заполнения, так и в режим контрольного тестирования, для блока отражателя желательно предусмотреть возможность, по существу, сохранять при таких переключениях идентичность расположения и конфигурации.

Кроме того, согласно различным вариантам изобретения желательно предусмотреть возможность включить радарный уровнемер в систему, измеряющую уровень заполнения, в которую, кроме того, входит центр управления, принимающий измеренные сигналы от радарного уровнемера.

На аналоговый выходной интерфейс системы радарного уровнемера значение уровня заполнения может поступать в виде тока 4-20 мА. Тревожный сигнал о недопустимо высоком (предельном) уровне продукта можно задать в этом интервале. В альтернативном варианте может быть задан допустимый предельный уровень заполнения для радарного уровнемера, а уровнемер сконфигурирован с возможностью сообщать о ситуации переполнения аварийным сигналом, соответствующим, например, току 21,75 мА (т.е. току вне интервала 4-20 мА).

Во многих областях применения предусмотрена цифровая линия связи. Она обеспечит возможности, позволяющие для конкретной рабочей ситуации передавать несколько показаний. Например, независимо друг от друга могут передаваться аварийный сигнал и полученное значение уровня заполнения.

Согласно различным вариантам осуществления при измерении уровня заполнения резервуара продуктом может быть использовано дополнительное измерительное устройство такого же назначения.

Согласно второму аспекту изобретения предлагается блок отражателя, предназначенный для контрольного тестирования радарного уровнемера и содержащий проволоку, прикрепляющую данный блок к фиксированной конструкции в резервуаре, груз, выполненный с возможностью прикрепления к проволоке, и отражающий компонент, который отражает падающий на него электромагнитный сигнал.

В различных вариантах изобретения блок отражателя может содержать несколько дисков с различными диаметрами.

Варианты осуществления второго аспекта изобретения и достигаемые при их использовании преимущества, в основном, аналогичны описанным выше применительно к первому аспекту изобретения.

Согласно третьему аспекту изобретения предлагается способ установки референтного отражателя на место, которое выбрано для тестирования радарного уровнемера, связанного с резервуаром. Предлагаемый способ включает следующие операции:

- обеспечивают наличие блока отражателя, в конструкцию которого входят гибкий удлиненный компонент, отражающий компонент и груз, присоединенный к отражающему компоненту так, что ориентация груза задает ориентацию отражающего компонента,

- закрепляют гибкий удлиненный компонент у места прикрепления внутри резервуара,

- опускают отражающий компонент и груз в резервуар через отверстие, выполненное в крышке резервуара.

Согласно четвертому аспекту изобретения предлагается способ тестирования радарного уровнемера, связанного с резервуаром, содержащим продукт. Предлагаемый способ включает следующие операции:

- обеспечивают наличие блока отражателя, в конструкцию которого входят гибкий удлиненный компонент, отражающий компонент и груз, присоединенный к отражающему компоненту так, что ориентация груза задает ориентацию отражающего компонента,

- закрепляют гибкий удлиненный компонент у места крепления внутри резервуара,

- устанавливают отражающий компонент у заданного уровня контрольного тестирования,

- посылают в направлении поверхности продукта передаваемый электромагнитный сигнал,

- принимают отраженный электромагнитный сигнал, образующийся в результате отражения передаваемого электромагнитного сигнала от отражающего компонента, и

- определяют, на основе передаваемого и отраженного сигналов, уровень, измеренный в результате контрольного тестирования.

Краткое описание чертежей

Далее эти и другие аспекты изобретения будут описаны более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие вариант изобретения, рассматриваемый как предпочтительный.

На фиг. 1 схематично представлена система, измеряющая уровень заполнения, выполненная согласно первому варианту изобретения и содержащая центр управления и систему радарного уровнемера.

На фиг. 2 система радарного уровнемера по фиг. 1 показана в увеличенном масштабе.

На фиг. 3 схематично проиллюстрировано применение различных отражающих пластин, соответствующих разным вертикальным позициям в резервуаре.

На фиг. 4 схематично представлена система, измеряющая уровень заполнения, выполненная согласно второму варианту изобретения и содержащая центр управления и систему радарного уровнемера.

На фиг. 5 система радарного уровнемера по фиг. 4 показана в увеличенном масштабе.

На фиг. 6 представлен, в перспективном изображении, зажимной компонент, содержащийся в блоке отражателя, использованном в системе по фиг. 5.

На фиг. 7 представлена, в перспективном изображении, проволока, содержащаяся в блоке отражателя, использованном в системе по фиг. 5.

На фиг. 8а-8b приведен, в перспективном изображении, пример отражающих пластин, содержащихся в блоке отражателя, использованном в системе по фиг. 5.

На фиг. 9 схематично представлена система, измеряющая уровень заполнения, выполненная согласно третьему варианту изобретения и содержащая центр управления и систему радарного уровнемера.

На фиг. 10 часть системы радарного уровнемера по фиг. 9 показана в увеличенном масштабе.

Осуществление изобретения

В приведенном далее подробном описании различные варианты системы радарного уровнемера и различные варианты блока отражателя, выполненные согласно соответствующим аспектам изобретения, обсуждаются, в основном, применительно к блоку отражателя, содержащему отражающую пластину, которая прикреплена к грузу посредством отсоединяемого крепежного средства.

Следует отметить, что таким выполнением границы объема изобретения не ограничены, т.е. изобретение в равной степени охватывает, в частности, отражающие компоненты других типов, а также варианты, в которых отражающий компонент к грузу не прикреплен или прикреплен с использованием крепежного средства другого типа. Например, отражающий компонент может быть выполнен в виде одного или нескольких стержней, прикрепленных к грузу.

На фиг. 1 схематично проиллюстрирована система 1, измеряющая уровень заполнения, выполненная согласно первому варианту изобретения и содержащая центр 10 управления (проиллюстрированный, как пост управления) и систему 2 радарного уровнемера.

Система 2 радарного уровнемера, установленная с целью измерений уровня заполнения резервуара 4 продуктом 3, содержит измерительный блок 6, а также распространяющее устройство в виде параболической антенны 7 и блок 8 отражателя. В измерительном блоке 6 находятся трансивер, процессорный контур и коммуникационный интерфейс, которые на фиг. 1 не видны.

Блок 8 отражателя, который более подробно будет описан далее со ссылками на фиг. 2 и 3, содержит отражающую пластину, расположенную у уровня L_R, выбранного для положения отражателя, причем в желательном варианте данный уровень выбирают с возможностью соответствия уровню аварийного переполнения резервуара 4.

Трансивер выполнен с возможностью генерирования, передачи и приема электромагнитных сигналов. Подключенный к трансиверу процессорный контур предназначен для определения уровня L_S заполнения резервуара продуктом 3 по принятому электромагнитному сигналу, образующемуся в результате отражения излученного сигнала от поверхности 11 продукта 3. Подключенный к процессорному контуру коммуникационный интерфейс обеспечивает возможность коммуникации с центром 10 управления. В варианте, приведенном на фиг. 1, коммуникация между радарным уровнемером 2 и центром 10 управления является беспроводной. В альтернативном варианте она может быть выполнена, например, в виде коммуникационного канала на основе аналоговой и/или цифровой техники. В частности, коммуникационный канал может представлять собой двухпроводной токовый контур 4-20 мА, а значение уровня заполнения можно передавать, подавая на данный контур ток, соответствующий конкретному уровню заполнения. Через этот же контур, т.е. токовый контур 4-20 мА, можно посылать и цифровые данные, используя для этого протокол цифровой передачи данных HART. Кроме того, предусмотрена возможность использования полностью цифровых коммуникационных протоколов, таких как Modbus или Foundation Fieldbus.

Как показано на фиг. 1, резервуар 4 оснащен дополнительной системой 15 радарного уровнемера, которая может участвовать в определении уровня L_S заполнения. Предусмотрена также возможность применения варианта под условным названием "два в одном", согласно которому система 2 радарного уровнемера содержит два раздельных измерительных канала с эффективным образованием двух радарных уровнемеров с общей антенной 7.

В добавление к этому, в резервуаре 4 предусмотрен инспекционный люк 16, позволяющий иметь доступ к внутреннему объему резервуара 4, например, для выполнения погружения измерительного средства вручную при ручном определении уровня L_S заполнения.

Представленная на фиг. 1 система 2 радарного уровнемера выполнена так, что оператор системы 1, измеряющей уровень заполнения, получает возможность проводить надежные контрольные тестирования как самого уровнемера 2, так и системы 1 в целом.

Далее, со ссылками на фиг. 2, будет описана система 2 радарного уровнемера (см. фиг. 1) и, конкретно, установленный в ней блок 8 отражателя.

Как показано на фиг. 2, блок 8 отражателя содержит зажимной компонент 20, гибкую металлическую проволоку 21, отражающую пластину 22 и груз 23.

Зажимной компонент 20, плотно охватывающий обод параболической антенны 7, снабжен фиксатором 24, обеспечивающим место прикрепления гибкой проволоки 21 к антенне 7.

Проволока 21 прикреплена к зажимному компоненту 20 посредством крепежного компонента, в данном случае выполненного в виде зафиксированного на ней латунного стержня 25.

Груз 23 прикреплен к концу проволоки 21 собственными крепежными средствами 26а-26b, прижимающими проволоку 21 к его внутренней поверхности. В свою очередь, отражающая пластина 22 присоединена к верхней поверхности груза 23 посредством отсоединяемого крепежного средства, в данном случае выполненного в виде гайки 27.

Груз 23, представляющий собой, по существу, цилиндр, ориентированный вдоль проволоки, перекрывает отрезок L_W, превышающий половину поперечного размера отражающей пластины 22 (в данном случае половину диаметра D_p). Он будет ориентировать проволоку 21 таким образом, чтобы она располагалась вертикально, начиная от места прикрепления, а также автоматически отрегулирует отражающую пластину 22 так, чтобы ее обращенная к антенне 7 отражающая поверхность была горизонтальной. За счет надлежащим образом выбранных размеров груза 23 по отношению к проволоке 21 и отражающей пластине 22 он может удерживать пластину 22 горизонтально, даже если ее параметры изменятся, например, вследствие неравномерного загрязнения продуктом или по другим причинам.

Поскольку груз 23 соединен с отражающей пластиной 22 так, что пластина 22 прижата к его верхней поверхности, ориентация пластины 22 будет задаваться ориентацией груза. К наиболее важным конструктивным параметрам, гарантирующим, что грузом 23 будет контролироваться ориентация конструкции отражателя, образованной грузом 23 и отражающей пластиной 22, относятся масса груза 23 и расстояние от отражающей пластины 22 до его центра массы.

Как показано на фиг. 2, поперечный размер D_p груза 23 (т.е. его диаметр) существенно меньше поперечного размера D_w отражающей пластины 22. Например, D_w может быть меньше половины D_p.

В системе радарного уровнемера, которая через свободное пространство излучает передаваемый электромагнитный сигнал в направлении поверхности 11 продукта 3, находящегося в резервуаре, в типичном случае паттерн распространения будет сформирован лепестком диаграммы направленности антенны, расходящимся по мере удаления от антенны 7. Характерное расхождение относительно вертикали может составлять примерно 5°. Поскольку груз 23 заставляет проволоку 21 блока 8 отражателя располагаться вертикально, это означает, что для различных вертикальных расстояний, измеряемых от антенны 7 вдоль проволоки 21, отражающая пластина 22, имеющая заданный поперечный размер D_p, будет по-разному взаимодействовать с исходящим из антенны 7 паттерном распространения.

Этот эффект схематично проиллюстрирован на фиг. 3а-3с, на которых представлены три различные конфигурации блока отражателя, соотнесенные с различными вертикальными расстояниями между местом прикрепления у обода антенны 7 и отражающей пластиной 22. Паттерн распространения на фиг. 3а-3с схематично показан наклонными пунктирными линиями.

Чтобы для различных вертикальных расстояний обеспечить получение надлежащего отраженного сигнала, в данном варианте изобретения блок 8 отражателя выполнен в виде комплекта частей с тремя различными отражающими пластинами 22а-22с, имеющими различающиеся между собой диаметры. Каждая отражающая пластина предназначена для использования в границах соответствующего интервала вертикальных расстояний. В порядке альтернативы предусмотрена возможность выполнить отражающую пластину 22 с поперечным размером, регулируемым, например, посредством подвижных или складывающихся деталей.

Как иллюстрирующий пример, инструкции по установке устройства могут быть составлены в соответствии со следующей таблицей:

Далее, со ссылками на фиг. 4, будет описана система 1, измеряющая уровень заполнения, выполненная согласно второму варианту изобретения и содержащая систему 30 радарного уровнемера. Система 1 по фиг. 4 отличается от описанной выше со ссылками на фиг. 1 тем, что в данном случае радарный уровнемер 30 установлен у верхнего торца успокоительной трубки 33, введенной в резервуар 4.

Как показано на фиг. 4, система 30 радарного уровнемера содержит блок 31 отражателя, который более подробно будет описан далее со ссылками на фиг. 5, где система 30 по фиг. 4 схематично показана в перспективном изображении.

Система 30 радарного уровнемера содержит измерительный блок 6, распространяющее устройство с антенной 7, которая в данном случае выполнена в виде решетчатой антенны, защищенной коническим колпаком, успокоительную трубку 33, а также блок 31 отражателя.

Аналогично блоку 8 отражателя, описанному выше со ссылками на фиг. 2, блок 31 отражателя по фиг. 5 содержит зажимной компонент 36, взаимодействующий с блоком антенны, гибкую проволоку 21, груз 23, прикрепленный к проволоке 21, и отражающую пластину 34, присоединенную к грузу 23.

Как более подробно будет описано далее, блок 31 отражателя снабжен прикрепленным к проволоке 21 соединительным компонентом 38, в данном случае выполненным в виде бронзового стержня, а в зажимном компоненте 36 имеется принимающий компонент 39, предназначенный для взаимодействия с соединительным компонентом с целью прикрепления остальной части блока 31 отражателя к зажимному компоненту 36.

Как показано на фиг. 5, чтобы без необходимости не искажать передаваемый сигнал, излученный антенной 7, место прикрепления, заданное принимающим компонентом 39, расположено рядом с внутренней стенкой успокоительной трубки 33.

Однако на фиг. 5 показано также, что центр отражающей пластины 34 находится на оси успокоительной трубки 33 или близко к ней. Это означает, что в данном варианте проволока 21 проходит от места прикрепления к отражающей пластине 34 не вертикально.

Чтобы удержать отражающую пластину 34 в горизонтальном положении, проволока 21 посредством изгибающего момента, приложенного грузом 23, немного изогнута на отрезке между пластиной 34 и внутренней поверхностью успокоительной трубки 33 вокруг точки 40 контакта.

На фиг. 5 показано также, что успокоительная трубка 33 выполнена с множеством отверстий 41, позволяющих обеспечить сообщение между ее внутренней и наружной сторонами. Как более подробно будет описано далее, в различных вариантах отражающей пластины 34 ее периферийный участок больше поперечного размера отверстий 41, так что на пластину 34 отверстия 41 воздействовать не будут (т.е. она не будет застревать в отверстиях 41).

Далее, со ссылками на фиг. 6, 7 и 8а-8b, будут описаны различные детали блока 31 отражателя по фиг. 5.

На фиг. 6 схематично проиллюстрирован зажимной компонент 36, имеющийся в блоке 31 отражателя. Как уже упоминалось, данный компонент снабжен принимающим компонентом в виде незамкнутого кольца, отверстие 43 которого больше диаметра проволоки 21, но меньше диаметра бронзового стержня 38, расположенного у верхнего конца проволоки 21.

Как схематично показано на фиг. 6, зажимной компонент 36 дополнительно содержит регулирующее средство 44 и имеет радиально выступающий участок, в данном случае выполненный в виде фланца 45. Посредством данного регулирующего средства можно регулировать диаметр зажимного компонента 36 так, чтобы он мог соответствовать успокоительным трубкам, имеющим различные внутренние диаметры. Фланцу 45 придана конфигурация, позволяющая привести его в упорный контакт с верхним торцом успокоительной трубки 33, тем самым задавая вертикальное расстояние между этим торцом и местом, выбранным для прикрепления проволоки 21.

На фиг. 7 схематично проиллюстрирован верхний конец проволоки 21, используемой в блоке 31 отражателя, и соединительный компонент 38 для этой проволоки.

Соединительный компонент 38 выполнен с кольцевым пояском 47, диаметр которого больше размера отверстия в принимающем компоненте 39 зажимного компонента 36 (см. фиг. 6), так что поясок 47 опирается на компонент 39, когда проволока 21 свисает с компонента 36.

Кроме того, для временного прикрепления к резервуару 4 во время установки блока 31 отражателя предусмотрено наличие страховочной проволоки 48, прикрепленной к верхнему концу соединительного компонента 38, а у другого своего конца снабженной карабином 49.

Далее, со ссылками на фиг. 8а-8b, будут описаны в качестве примера две отражающие пластины 34а, 34b, которые в предпочтительном варианте могут быть использованы в успокоительной трубке 33.

Отражающая пластина 34а по фиг. 8а состоит из кольцевого центрального участка 50 и трех периферийных участков 51а-51с, соединенных с участком 50 тремя перемычками 52а-52с.

В процессе установки отражающей пластины 34а в успокоительную трубку 33 по фиг. 5 будут сформированы промежутки, образованные центральным участком 50, перемычками 52а-52с, периферийными участками 51а-51с и внутренней стенкой успокоительной трубки 33. Через эти промежутки посредством погружения измерительного средства вручную можно будет проводить измерение уровня заполнения.

Представленный на фиг. 8b второй пример отражающей пластины 34b отличается от предыдущего примера, описанного со ссылкой на фиг. 8а, наличием периферийного участка 53 в форме кольца.

Далее, со ссылками на фиг. 9, будет описана система 1, измеряющая уровень заполнения, выполненная согласно третьему варианту изобретения и содержащая систему 60 радарного уровнемера. Данная система 1 отличается от систем, описанных выше со ссылками на фиг. 1 и 4, тем, что показанный на фиг. 9 радарный уровнемер 60 относится к типу GWR и установлен у верхней части "технологического резервуара".

Как показано на фиг. 9, система 60 радарного уровнемера содержит распространяющее устройство в виде зонда 61, выполненного на основе передающей линии, который проходит от измерительного блока 6 в направлении продукта 3 и, далее, в его внутренний объем. В варианте, приведенном на фиг. 9, зонд 61 на основе передающей линии представляет собой однопроводной зонд, который для удерживания его в вертикальном и выпрямленном состоянии снабжен прикрепленным к его концу грузом 62. Аналогично варианту, описанному выше со ссылками на фиг. 1 и 4, система 60 радарного уровнемера типа GWR, представленная на фиг. 9, содержит, кроме того, блок 63 отражателя, установленный рядом с зондом 61, причем так, что отражающая пластина 22 по меньшей мере частично оказывается в границах паттерна распространения, обеспечиваемого данным зондом.

Находясь в своем рабочем режиме, радарный уровнемер 60 передает излученный электромагнитный сигнал S_T в направлении поверхности 11 продукта 3 (сигнал S_T направляется в нужном направлении зондом 61, выполненным на основе передающей линии). Часть энергии сигнала S_T после взаимодействия его с границей скачка импеданса отражается обратно, т.е. в направлении измерительного блока 6 радарного уровнемера 60, в виде эхо-сигнала, у которого время прохождения (туда и обратно) определяется расстоянием от блока 6 до данной границы скачка импеданса.

Эхо-сигналы от различных границ скачков импеданса, расположенных на пути передаваемого сигнала S_T, могут быть использованы (совместно с данным сигналом) для построения графического изображения (графика) 65 эхо-сигналов. Приведенный на фиг. 9 график 65 содержит, если смотреть сверху вниз,

- реперный эхо-сигнал 67, соответствующий границе скачка импеданса у соединения между трансивером и зондом на основе передающей линии,

- эхо-сигнал 68, образующийся в результате отражения от отражающей пластины 22,

- эхо-сигнал 69, образующийся в результате отражения от поверхности 11 продукта 3, и

- эхо-сигнал 70, образующийся в результате отражения от конца зонда 61.

Идентифицируя и анализируя различные эхо-сигналы на графике 65, можно определить, в частности, положение L_R референтного отражателя по высоте и уровень L_S заполнения.

Как показано на фиг. 10, радарный уровнемер 60 для установки его на резервуар 4 снабжен фланцем 71. В данном примере место прикрепления блока 63 отражателя выполнено в виде металлической петли 73, прикрепленной к фланцу 71. Чтобы прикрепить проволоку 21 к петле 73, на конце проволоки 21 предусмотрен карабин 72, как это схематично показано на фиг. 10.

Использование в формуле изобретения термина "содержащий", а также упоминание элементов или операций в единственном числе не исключают присутствия других элементов или операций. Сам по себе факт, что конкретные технические параметры встречаются в отличающихся друг от друга зависимых пунктах формулы, не исключает возможности эффективного использования и комбинаций этих параметров.

Изобретение относится к измерению уровня жидкости в резервуаре, а именно к системе радарного уровнемера. Сущность: блок отражателя уровнемера содержит гибкий удлиненный компонент, прикрепляемый в резервуаре к фиксированной конструкции, груз, выполненный с возможностью прикрепления к данному компоненту, и отражающий компонент, который отражает электромагнитный сигнал, падающий на пластину отражателя. Грузу придана конфигурация, позволяющая присоединить его к отражающему компоненту так, что ориентация данного компонента задается ориентацией груза. Технический результат: воспроизводимость и надежность тестирования. 4 н. и 37 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система радарного уровнемера, предназначенная для определения уровня заполнения резервуара продуктом и содержащая:

трансивер для генерирования, передачи и приема электромагнитных сигналов,

распространяющее устройство, подсоединенное к трансиверу и способное распространять передаваемый электромагнитный сигнал от трансивера в направлении продукта, находящегося в резервуаре, и возвращать к трансиверу отраженный электромагнитный сигнал, образующийся в результате отражения передаваемого электромагнитного сигнала от поверхности продукта,

блок отражателя, содержащий:

гибкий удлиненный компонент, зафиксированный у места прикрепления внутри резервуара,

отражающий компонент, расположенный в позиции, выбранной вдоль гибкого удлиненного компонента, пространственно удаленный от места прикрепления и имеющий первую максимальную протяженность в плоскости отражателя, и

груз, присоединенный к отражающему компоненту так, что ориентация груза задает ориентацию отражающего компонента, и имеющий в плоскости, параллельной плоскости отражателя, вторую максимальную протяженность, которая меньше первой максимальной протяженности, при этом отражающий компонент установлен с возможностью отражать в виде отраженного электромагнитного сигнала передаваемый электромагнитный сигнал обратно в направлении трансивера, и

процессорный контур, подключенный к трансиверу и предназначенный для определения на основе передаваемого и отраженного сигналов уровня, соответствующего контрольному тестированию.

2. Система по п. 1, в которой груз и отражающий компонент присоединены друг к другу с использованием по меньшей мере одного отсоединяемого крепежного средства.

3. Система по п. 1, в которой отражающий компонент установлен между грузом и указанным местом прикрепления.

4. Система по п. 3, в которой груз имеет верхнюю поверхность, а отражающий компонент имеет нижнюю поверхность, опирающуюся на верхнюю поверхность груза.

5. Система по п. 1, в которой

отражающий компонент имеет максимальную протяженность в плоскости, перпендикулярной направлению продольной оси гибкого удлиненного компонента, а

груз ориентирован вдоль гибкого удлиненного компонента, перекрывая отрезок, который больше половины максимальной протяженности отражающего компонента.

6. Система по п. 1, в которой груз имеет внутреннюю поверхность, охватывающую гибкий удлиненный компонент.

7. Система по п. 6, в которой блок отражателя содержит по меньшей мере одно дополнительное крепежное средство для груза, предназначенное для прижатия гибкого удлиненного компонента к внутренней поверхности груза.

8. Система по п. 1, в которой гибкий удлиненный компонент прикреплен к распространяющему устройству.

9. Система по п. 8, в которой место прикрепления находится у периферии распространяющего устройства.

10. Система по п. 8 или 9, в которой блок отражателя дополнительно снабжен зажимным компонентом, прижатым к распространяющему устройству.

11. Система по п. 10, в которой распространяющее устройство снабжено компонентом, направляющим излучение и имеющим периферийную зону, которую огибает зажимной компонент блока отражателя.

12. Система по п. 11, в которой компонент, направляющий излучение, представляет собой антенный отражатель, при этом зажимной компонент охватывает обод антенного отражателя.

13. Система по п. 11, в которой компонент, направляющий излучение, представляет собой рупорную антенну, при этом зажимной компонент охватывает обод рупорной антенны.

14. Система по п. 1, в которой отражающий компонент представляет собой перфорированную отражающую пластину.

15. Система по п. 1, в которой отражающему компоненту придана, по существу, форма диска.

16. Система по п. 1, в которой

распространяющее устройство содержит трубку, проходящую вертикально в резервуаре, и антенну, установленную у верхнего отверстия трубки, а

гибкий удлиненный компонент прикреплен к указанной трубке.

17. Система по п. 16, в которой блок отражателя установлен внутри указанной трубки.

18. Система по п. 17, в которой блок отражателя снабжен зажимным компонентом, введенным в трубку через ее верхнее отверстие.

19. Система по п. 18, в которой зажимной компонент имеет регулируемый диаметр.

20. Система по п. 18 или 19, в которой зажимной компонент имеет радиально выступающий участок для упора в верхнюю торцевую поверхность указанной трубки.

21. Система по п. 18, в которой

блок отражателя дополнительно снабжен соединительным компонентом, прикрепленным к гибкому удлиненному компоненту, при этом диаметр соединительного компонента больше диаметра гибкого удлиненного компонента, а

для прикрепления остальной части блока отражателя к зажимному компоненту зажимной компонент снабжен принимающим компонентом, обеспечивающим взаимодействие с соединительным компонентом.

22. Система по п. 1, в которой отражающий компонент имеет центральный участок, периферийный участок и по меньшей мере две перемычки, соединяющие центральный участок и периферийный участок.

23. Система по п. 1, в которой гибкий удлиненный компонент представляет собой проволоку.

24. Система по п. 23, в которой указанная проволока является металлической проволокой, состоящей из множества волокон.

25. Система по п. 1, в которой груз выполнен из искробезопасного материала, такого как бронза.

26. Система по п. 1, в которой процессорный контур выполнен с дополнительной возможностью определять уровень заполнения резервуара исходя из передаваемого сигнала и сигнала, отраженного от поверхности.

27. Система по п. 1, в которой процессорный контур выполнен с дополнительной возможностью обеспечить выдачу сигнала, соответствующего результату контрольного тестирования.

28. Система по п. 1, в которой радарный уровнемер выполнен с возможностью обратимого управляемого перевода из режима измерения уровня заполнения в режим контрольного тестирования, в котором процессорный контур способен

на основе отраженного сигнала определять уровень, полученный в результате контрольного тестирования, и

используя значение указанного уровня, проводить определение результата контрольного тестирования, основанное на значении указанного уровня.

29. Система по п. 1, в которой отражающий компонент имеет первую максимальную протяженность в плоскости отражателя, а груз имеет вторую максимальную протяженность в плоскости, параллельной плоскости отражателя, причем вторая максимальная протяженность меньше первой максимальной протяженности.

30. Блок отражателя для контрольного тестирования радарного уровнемера, содержащий:

гибкий удлиненный компонент, предназначенный для прикрепления к фиксированной конструкции в резервуаре,

груз, выполненный с возможностью прикрепления к гибкому удлиненному компоненту, и

отражающий компонент, способный отражать падающий на него электромагнитный сигнал,

причем грузу придана конфигурация, обеспечивающая такое присоединение к отражающему компоненту, при котором ориентация груза задает ориентацию отражающего компонента.

31. Блок по п. 30, дополнительно содержащий отсоединяемое крепежное средство для присоединения отражающего компонента к грузу.

32. Блок по п. 30, в котором отражающий компонент имеет максимальную протяженность, а грузу придана конфигурация, при которой он ориентирован вдоль гибкого удлиненного компонента, перекрывая отрезок, превышающий половину максимальной протяженности отражающего компонента.

33. Блок по п. 30, дополнительно содержащий зажимной компонент, снабженный соединительным компонентом для прикрепления указанного удлиненного компонента к зажимному компоненту.

34. Блок по п. 33, в котором зажимному компоненту придана конфигурация, обеспечивающая его прижатие к наружной периферии антенны, входящей в состав системы указанного радарного уровнемера.

35. Блок по п. 30, в котором отражающий компонент представляет собой перфорированный диск.

36. Блок по любому из пп. 30-35, содержащий несколько отражающих компонентов с различными максимальными протяженностями.

37. Блок по п. 33, в котором зажимному компоненту придана конфигурация, обеспечивающая его прижатие к внутренней поверхности трубки, входящей в состав системы радарного уровнемера.

38. Блок по п. 37, который дополнительно содержит соединительный компонент, прикрепленный к гибкому удлиненному компоненту и по сравнению с ним имеющий увеличенный диаметр, а зажимной компонент снабжен принимающим компонентом для взаимодействия с соединительным компонентом для прикрепления блока отражателя к зажимному компоненту.

39. Блок по п. 30, в котором отражающий компонент имеет центральный участок, периферийный участок и по меньшей мере две перемычки, соединяющие центральный участок и периферийный участок.

40. Способ установки на рабочее место референтного отражателя, предназначенного для тестирования радарного уровнемера, связанного с резервуаром, включающий следующие операции:

обеспечивают наличие блока отражателя, содержащего гибкий удлиненный компонент, отражающий компонент и груз, присоединенный к отражающему компоненту так, что ориентация груза задает ориентацию отражающего компонента,

закрепляют гибкий удлиненный компонент у места прикрепления внутри резервуара и

опускают отражающий компонент и груз в резервуар через отверстие, выполненное в крышке резервуара.

41. Способ тестирования радарного уровнемера, связанного с резервуаром, при этом способ включает следующие операции:

обеспечивают наличие блока отражателя, содержащего гибкий удлиненный компонент, отражающий компонент и груз, присоединенный к отражающему компоненту так, что ориентация груза задает ориентацию отражающего компонента,

закрепляют гибкий удлиненный компонент у места прикрепления внутри резервуара,

устанавливают отражающий компонент у уровня, заданного для контрольного тестирования,

посылают в направлении поверхности продукта передаваемый электромагнитный сигнал,

принимают отраженный электромагнитный сигнал, образующийся в результате отражения передаваемого электромагнитного сигнала от отражающего компонента, и

определяют на основе передаваемого и отраженного сигналов уровень, полученный в результате контрольного тестирования.