Область техники
Изобретение относится к системе радарного уровнемера и к способу определения уровня заполнения резервуара (танка) продуктом.
Уровень техники
Системы радарных измерителей уровня (уровнемеров) нашли широкое применение для определения уровня продукта, находящегося в резервуаре. Радарное измерение уровня обычно осуществляется посредством либо бесконтактного измерения, в процессе которого электромагнитные сигналы излучаются в резервуар в направлении продукта, либо контактного измерения с применением волноводного радара (GWR, guided wave radar), с помощью которого электромагнитные сигналы подводятся к продукту и вводятся в него посредством зонда, выполненного на основе передающей линии и действующего, как волновод. Как правило, зонд ориентируют так, чтобы он проходил вертикально сверху в сторону дна резервуара.
Передаваемый электромагнитный сигнал генерируется приемопередатчиком (трансивером) и распространяется в направлении поверхности продукта, содержащегося в резервуаре, а отраженный электромагнитный сигнал, созданный в результате отражения переданного сигнала от данной поверхности, распространяется обратно, т.е. в направлении трансивера.
Основываясь на соотношении между переданным и отраженным сигналами, можно определить расстояние до поверхности продукта.
В типичном случае переданный электромагнитный сигнал отражается не только от границы скачка импеданса, которая является границей раздела между находящимся в резервуаре воздухом и поверхностью продукта, но и от границ нескольких других скачков импеданса, находящихся на пути сигнала. Такие скачки импеданса могут возникать, например, если в резервуаре имеются фиксированные конструкции, такие как проходной электрический ввод, проведенный через верхнюю стенку резервуара.
Если уровень заполнения находится вблизи фиксированной конструкции, скачки импеданса, возникающие в резервуаре из-за наличия этих конструкций, могут затруднить точное определение уровня заполнения.
Чтобы ослабить данную проблему, было предложено, в частности, из результата рабочего измерения вычитать результат референтного измерения, полученного, например, для пустого резервуара.
Такой подход, описанный, в частности, в US 6078280, в общем случае позволяет улучшить результат измерения уровня заполнения; однако, он может оказаться чувствительным к изменениям в окружающей среде (таким как вариации температуры и другие подобные эффекты), произошедшим между выполнениями референтного и рабочего измерений.
Поэтому желательно иметь возможность усовершенствовать измерение уровня заполнения, конкретно, сделать данное измерение более надежным.
Раскрытие изобретения
С учетом вышеизложенного, общая задача, решаемая изобретением, состоит в создании условий для усовершенствованного, прежде всего, более надежного измерения уровня заполнения.
Соответственно, согласно первому аспекту изобретения предложен способ определения уровня заполнения резервуара продуктом, использующий систему радарного уровнемера, которая содержит трансивер, устройство распространения сигнала (далее - распространяющее устройство), подключенное к трансиверу, и процессорный контур, подключенный к трансиверу и способный определять уровень заполнения. Предлагаемый способ включает следующие операции:
- посредством трансивера генерируют и посылают передаваемый электромагнитный сигнал,
- обеспечивают распространение передаваемого сигнала в направлении поверхности продукта по траектории распространения сигнала, включающей распространяющее устройство, при этом траектория распространения сигнала имеет первый участок, для которого параметры распространения сигнала известны, и второй участок, причем первый участок расположен между трансивером и вторым участком,
- формируют расчетную модель траектории распространения сигнала,
- посредством трансивера принимают отраженный электромагнитный сигнал, образованный в результате отражений от границ скачков импеданса, находящихся на траектории распространения сигнала, в том числе от поверхности продукта,
- на основе временного сдвига между передаваемым сигналом и отраженным сигналом определяют первое измерительное соотношение между энергией, отраженной от границ скачков импеданса вдоль первого и второго участков траектории распространения сигнала, и временем прохождения отраженного сигнала по указанным первому и второму участкам,
- на основе первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по первому участку траектории распространения сигнала определяют, используя расчетную модель траектории распространения сигнала, второе измерительное соотношение между энергией, отраженной от первой подгруппы границ скачков импеданса вдоль второго участка траектории распространения сигнала, и временем прохождения отраженного сигнала по указанному второму участку, и
- на основе второго измерительного соотношения определяют уровень заполнения.
Следует отметить, что операции, соответствующие различным вариантам способа по изобретению, необязательно проводить в каком-либо определенном порядке.
Трансивером может служить функциональный блок, способный передавать и принимать электромагнитные сигналы, или система, в которой передатчик и приемник являются раздельными блоками.
Желательно, чтобы передаваемый электромагнитный сигнал был микроволновым (СВЧ) сигналом. В частности, может использоваться сигнал в виде частотно- или амплитудно-модулированной несущей в СВЧ-диапазоне.
Функцию распространяющего устройства могут выполнять любые излучающие антенны или любые зонды на основе передающей линии, пригодные в данном контексте. В число примеров таких антенн входят рупорная антенна, стержневая антенна, решетчатая антенна, параболическая антенна и другие подобные устройства. В число примеров зондов на основе передающей линии входят однопроводной зонд (зонд Губо), двухпроводной зонд, коаксиальный зонд и другие подобные устройства.
Траектория распространения сигнала начинается у трансивера и, в добавление к распространяющему устройству, может проходить через сопрягающее средство, подключающее выход трансивера для передаваемого сигнала к распространяющему устройству. В вариантах, использующих в качестве данного устройства излучающую антенну, сопрягающее средство может содержать волновод и/или технологическое уплотнение, задающее собой границу резервуара. В вариантах, в которых функцию распространяющего устройства выполняет зонд на основе передающей линии, сопрягающее средство может содержать по меньшей мере электрический ввод, проходящий через стенку (например верхнюю) резервуара. Кроме того, в конструкцию сопрягающего средства может входить, например, передающая линия в виде коаксиального кабеля, подключающая к данному вводу выход трансивера для передаваемого сигнала.
Изобретение основано на осознании того, что проблемы, которые соотносятся не с находящимся в резервуаре продуктом, а с нежелательными отраженными сигналами, образующимися вследствие наличия скачков импеданса на траектории распространения сигнала, можно устранить, если опустить по меньшей мере принимающую часть трансивера вдоль траектории распространения сигнала за границы этих скачков импеданса. Другими словами желательно поместить трансивер ближе к поверхности продукта. Однако для многих приложений выполнить это условие практически невозможно или по меньшей мере нежелательно.
Кроме того, автором изобретения было осознано, что можно изменять виртуальное положение трансивера на траектории распространения сигнала, основываясь на знании параметров распространения сигнала на первом участке данной траектории в интервале между виртуальным и реальным положениями трансивера.
Другими словами, для второго участка траектории распространения сигнала (по ходу процесса этот участок расположен ниже вышеупомянутого первого участка данной траектории) можно определить второе измерительное соотношение, исходя из первого измерительного соотношения, которое получено на основе временного сдвига между передаваемым и отраженным сигналами и с учетом известных параметров распространения сигнала по первому участку его траектории.
Поскольку системы радарного уровнемера обычно измеряют уровень заполнения, распространяя передаваемый сигнал в резервуаре по меньшей мере приблизительно вертикально в направлении поверхности продукта, в данном описании применяются термины "выше" и "ниже". Однако должно быть понятно, что в число вариантов изобретения могут входить также системы радарного уровнемера и способы его использования, в которых электромагнитные сигналы распространяются не только целиком вертикально, но и по меньшей мере частично в другом направлении. В частности, можно поместить трансивер снаружи боковой стенки резервуара, а распространяющее устройство подключить к трансиверу посредством передающей линии или волновода, ориентированной (ориентированного), например, горизонтально.
Для устранения эффектов, связанных с нежелательными скачками импеданса, во всех вариантах изобретения не используется предварительно определенное референтное измерительное соотношение. Вместо этого применяют расчетную модель траектории распространения сигнала в комбинации с известными параметрами распространения сигнала на первом участке данной траектории.
Зависимость этих известных параметров от температуры пренебрежимо мала по сравнению с такими параметрами, как частота и/или ширина импульса, и другие характеристики сигнала, передаваемого трансивером.
Это означает, что варианты изобретения менее чувствительны к различиям температур между временем выполнения измерения уровня заполнения и временем определения референтного измерительного соотношения. Соответственно, обеспечивается более надежное определение уровня заполнения.
Согласно различным вариантам изобретения расчетная модель позволяет получить второе измерительное соотношение в виде функции первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по первому участку его траектории.
Согласно вариантам изобретения расчетная модель позволяет определить импеданс второго участка траектории распространения сигнала опять-таки как функцию первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по первому участку его траектории.
Неожиданно для автора изобретения было установлено, что относительно простая расчетная модель, предназначенная для определения эквивалентного импеданса передающей линии, обеспечивает достаточно хорошие результаты также и для более сложных траекторий распространения сигнала, в том числе траекторий для радиолокационных систем радарного уровнемера, в которых распространяющее устройство представляет собой радиолокационную антенну, такую как рупорная антенна, стержневая антенна, параболическая антенна или другое подобное средство.
В число известных параметров распространения сигнала, упомянутых выше, могут входить импеданс и затухание сигнала на первом участке, а также расстояние, на котором распространяется сигнал.
Кроме того, согласно различным вариантам изобретения первый участок траектории распространения сигнала может содержать по меньшей мере первый сегмент и второй сегмент, причем первый сегмент расположен между трансивером и вторым сегментом. В таких вариантах операция определения второго измерительного соотношения может состоять из следующих шагов:
- на основе первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по указанному первому сегменту определяют, используя расчетную модель траектории распространения сигнала, третье измерительное соотношение между энергией, отраженной от второй подгруппы границ скачков импеданса вдоль третьего участка указанной траектории, включающего в себя указанные второй сегмент и второй участок, и временем прохождения отраженного сигнала по указанному третьему участку, и
- на основе третьего измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по указанному второму сегменту определяют, используя расчетную модель траектории распространения сигнала, второе измерительное соотношение.
Согласно второму аспекту изобретения предложена система радарного уровнемера, предназначенная для определения уровня заполнения резервуара продуктом и содержащая:
- трансивер, выполненный с возможностью генерировать, посылать и принимать электромагнитные сигналы,
- распространяющее устройство, подключенное к трансиверу и способное распространять передаваемый электромагнитный сигнал в направлении поверхности продукта и возвращать отраженный электромагнитный сигнал, образующийся в результате отражения передаваемого электромагнитного сигнала от указанной поверхности, обратно в направлении трансивера, при этом распространяющее устройство включено в траекторию распространения передаваемого сигнала и отраженного сигнала, содержащую первый участок, для которого параметры распространения сигнала известны, и второй участок, причем первый участок расположен между трансивером и вторым участком, и
- процессорный контур, подключенный к трансиверу и содержащий:
- контур, определяющий измерительные соотношения и предназначенный для выполнения следующих операций: определения, на основе временного сдвига между передаваемым сигналом и отраженным сигналом, первого измерительного соотношения между энергией, отраженной от границ скачков импеданса вдоль первого и второго участков траектории распространения сигнала, и временем прохождения отраженного сигнала по указанным первому и второму участкам, и
определения, на основе первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по первому участку траектории распространения сигнала, второго измерительного соотношения между энергией, отраженной от первой подгруппы границ скачков импеданса вдоль второго участка траектории распространения сигнала, и временем прохождения отраженного сигнала по указанному второму участку, причем для выполнения указанной операции используется расчетная модель траектории распространения сигнала, и
- контур для определения, на основе второго измерительного соотношения, уровня заполнения.
Согласно вариантам изобретения система радарного уровнемера может относиться к типу, использующему так называемое непрерывное излучение с частотной модуляцией (FMCW, Frequency Modulated Continuous Wave). В этих вариантах трансивер может содержать следующие блоки:
- источник СВЧ-сигнала, выполненный с возможностью регулируемым образом генерировать передаваемый сигнал,
- контроллер источника СВЧ-сигнала, подключенный к данному источнику и выполненный с возможностью такой его регулировки, при которой передаваемый сигнал генерируется в виде измерительного сканирования с несущей частотой, изменяющейся во времени, причем указанным сканированием задается ширина полосы, и
- смеситель, подключенный к источнику СВЧ-сигнала и к распространяющему устройству и выполненный с возможностью комбинировать передаваемый и отраженный сигналы с формированием, в результате, сигнала с промежуточной частотой, на основе которого соответствующий контур определяет первый измерительный сигнал.
В некоторых вариантах упомянутая ширина полосы может составлять по меньшей мере 0,5 ГГц.
Следует отметить, что предусмотрена возможность регулировать частоту передаваемого сигнала как непрерывно (или квазинепрерывно), так и дискретно.
Кроме того, согласно различным вариантам изобретения радарной системы измерения уровня, выполненной согласно изобретению, желательно предусмотреть возможность ее переключения в активное состояние, в котором источник СВЧ-сигнала отрегулирован для генерирования передаваемого сигнала, и в нерабочее (нейтральное) состояние, в котором передаваемый сигнал отсутствует.
Радарную систему измерения уровня можно дополнительно снабдить накопителем энергии, способным сохранять ее, когда система находится в нерабочем состоянии, и обеспечивать энергией источник СВЧ-сигнала, когда система находится в активном состоянии.
Собственный накопитель энергии может представлять собой, например, батарею, конденсатор и/или суперконденсатор.
Кроме того, система измерения уровня может дополнительно содержать беспроводной коммуникационный контур, такой как радиотрансивер, обеспечивающий беспроводную коммуникацию с удаленной системой.
Следует отметить, что распространяющим устройством может быть любая излучающая антенна или любой зонд на основе передающей линии, пригодная (пригодный) в данном контексте. В число примеров антенн входят рупорная антенна, стержневая антенна, решетчатая антенна, параболическая антенна и другие подобные средства. В число примеров зондов на основе передающей линии входят однопроводная линия (линия Губо), двухпроводная передающая линия, коаксиальный зонд и другие подобные средства.
Следует отметить также, что процессорный контур может быть выполнен в виде одного устройства или в виде нескольких устройств, функционирующих совместно.
Остальные эффекты и варианты второго аспекта изобретения в основном подобны эффектам и вариантам, описанным выше по отношению к первому аспекту изобретения.
Таким образом, в обобщенном виде изобретение относится к способу определения уровня заполнения резервуара продуктом, включающему следующие операции:
- генерируют и посылают передаваемый сигнал,
- обеспечивают распространение передаваемого сигнала по траектории его распространения в направлении поверхности продукта, причем данная траектория имеет прилегающий к трансиверу первый участок, для которого параметры распространения сигнала известны, и второй участок, прилегающий к первому участку,
- принимают отраженный сигнал, образованный в результате отражений от границ скачков импеданса, пересекаемых передаваемым сигналом, в том числе от поверхности продукта,
- на основе временного сдвига между передаваемым и отраженным сигналами определяют первое измерительное соотношение,
- на основе первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала определяют второе измерительное соотношение и
- на основе второго измерительного соотношения определяют уровень заполнения.
Краткое описание чертежей
Далее эти и другие аспекты изобретения будут описаны более подробно, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых проиллюстрирован по меньшей мере один вариант осуществления изобретения.
На фиг. 1а схематично проиллюстрирован пример резервуарной системы, содержащей систему радарного уровнемера согласно варианту изобретения.
На фиг. 1b схематично проиллюстрирован измерительный блок, содержащийся в системе радарного уровнемера по фиг. 1а.
На фиг. 2 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ согласно варианту осуществления изобретения.
На фиг. 3 схематично проиллюстрирован пример модели траектории распространения сигнала.
На фиг. 4а для примера по фиг. 3 отражение схематично проиллюстрировано в виде функции расстояния от трансивера и без исключения реперов.
На фиг. 4b для примера по фиг. 3 отражение схематично представлено в виде функции расстояния от трансивера и с исключением реперов согласно варианту изобретения.
Осуществление изобретения
В приведенном далее подробном описании вариант системы радарного уровнемера и резервуарной системы, выполненных согласно изобретению, рассмотрен на примере радарной системы измерения уровня, использующей уровнемер типа GWR, в котором электромагнитные сигналы распространяются вдоль зонда, выполненного на основе передающей линии. В данном примере такой системы частота электромагнитного передаваемого сигнала изменяется в границах измерительного сканирования, а электромагнитный отраженный сигнал смешивается с передаваемым сигналом, образуя измерительный сигнал с промежуточной частотой (Intermediate Frequency, IF). Описан также один из примеров расчетной модели траектории распространения электромагнитных сигналов.
Следует отметить, что приведенные данные никоим образом не ограничивают объем изобретения, которое в равной степени применимо и к другим системам радарного уровнемера, таким как система радиолокационного типа, в которой передаваемый электромагнитный сигнал излучается в резервуар (в направлении продукта) антенной, такой как рупорная антенна, стержневая антенна, параболическая антенна или другое подобное средство. Кроме того, система радарного уровнемера с таким же успехом может быть импульсной. В таком варианте передаваемый сигнал в виде последовательности импульсов распространяется в резервуаре в направлении продукта, а принятую последовательность отраженных импульсов коррелируют с референтным сигналом, тоже имеющим форму последовательности референтных импульсов.
На фиг. 1 схематично проиллюстрирована система 1, измеряющая уровень заполнения и содержащая центр 10 управления (проиллюстрированный, как пост управления) и резервуарную систему 17, выполненную согласно примеру изобретения.
Резервуарная система 17 состоит из системы 2 радарного уровнемера типа GWR и резервуара (танка) 4, снабженного трубчатой монтажной конструкцией 13 ("стаканом"), которая (который) выступает от верхней стенки резервуара 4 вертикально вверх.
Система 2 радарного уровнемера устанавливается с целью измерений уровня заполнения резервуара 4 продуктом 3 и содержит измерительный блок 6, а также распространяющее устройство в виде однопроводного зонда 7, который проходит от измерительного блока 6 через трубчатую монтажную конструкцию 13 в направлении продукта 3 и, далее, в его внутренний объем. В варианте, приведенном на фиг. 1а, однопроводной зонд 7 представляет собой устройство на основе провода, у которого первый конец присоединен к измерительному блоку 6, а второй конец 19 - к компоненту, выравнивающему зонд и выполненному в виде груза 8, удерживающего провод в вертикальном и натянутом состоянии.
Анализируя переданные сигналы ST, направленные зондом 7 в направлении поверхности 11 продукта 3, и отраженные сигналы SR, вернувшиеся от поверхности 11, измерительный блок 6 может определить расстояние между референтным положением (например соответствующим проходному вводу, проведенному между наружной и внутренней сторонами резервуара) и поверхностью 11 продукта 3, что позволяет рассчитать уровень L заполнения. В рассматриваемом варианте в резервуаре 4 содержится монопродукт 3, однако, следует отметить, что подобным образом можно измерять расстояние по оси зонда до границы любого другого материала, наличие которой приводит к скачку импеданса.
Как схематично проиллюстрировано на фиг. 1b, измерительный блок 6 содержит трансивер (Tx/Rx) 20, процессорный контур (μP) 21, коммуникационный интерфейс (I/F) 22 и коммуникационную антенну 23, обеспечивающую беспроводную коммуникацию с постом 10 управления.
Трансивер 20 выполнен с возможностью генерирования, передачи и приема электромагнитных сигналов. Подключенный к трансиверу 20 процессорный контур 21 предназначен для определения уровня L заполнения резервуара продуктом 3, исходя из временного сдвига между переданным сигналом ST и принятым электромагнитным сигналом SR, полученным в результате отражения сигнала ST от поверхности 11 продукта 3. Подключенный к процессорному контуру 21 коммуникационный интерфейс 22 обеспечивает возможность коммуникации с центром 10 управления. В варианте, представленном на фиг. 1а, коммуникация между системой 2 радарного уровнемера и центром 10 управления является беспроводной. В альтернативном варианте она может быть выполнена, например, в виде аналогового и/или цифрового коммуникационного канала на основе проводной связи. В частности, коммуникационный канал может представлять собой двухпроводной 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, могут быть использованы и чисто цифровые коммуникационные протоколы, такие как Modbus или Foundation Fieldbus.
В добавление к отражению переданного сигнала ST в резервуаре 4 от поверхности 11 продукта 3, данный сигнал ST отразится от границ других скачков импеданса, находящихся на траектории 30 распространения сигнала, которая включает в себя зонд 7 и средство, сопрягающее трансивер 20 и зонд 7 между собой. К таким дополнительным скачкам импеданса относятся скачки, образующиеся на траектории 30 распространения сигнала вдоль первого участка 31 и вдоль второго участка 32 (к ним не относятся скачок импеданса у поверхности 11 продукта 3). Первый участок 31 находится между трансивером 20 и вторым участком 32.
В зависимости от схемы измерительного блока 6 и электрического сопряжения между трансивером 20 и устройством распространения сигнала внутри резервуара 4 (в данном случае оно выполнено в виде зонда 7 на основе передающей линии) вдоль первого участка 31 траектории 30 может находиться несколько скачков импеданса. На фиг. 1b два таких возможных скачка схематично обозначены первым и вторым квадратиками, которые могут быть соотнесены, соответственно, с проходным электрическим вводом 14 измерительного блока и с проходным электрическим вводом 15 в резервуар. Оба ввода 14, 15 способны участвовать в формировании отраженных сигналов, которые по меньшей мере частично могут оказаться нежелательными. В частности, хотя отражение у проходного ввода в резервуар может быть использовано в качестве репера, выполняющего в процессе определения уровня заполнения функцию референтной точки, сильные сигналы, отраженные от границ скачков импеданса, расположенных в резервуаре 4 выше уровня поверхности 11 продукта 3, могут затруднить определение уровня заполнения, в особенности если данный уровень расположен поблизости от проходного ввода 15 в резервуар.
Дополнительный существенный скачок импеданса может образоваться и у нижнего конца трубчатой монтажной конструкции ("стакана") 13 (в зависимости от ее конфигурации).
Как упоминалось в разделе "Уровень техники", чтобы по меньшей мере частично устранить воздействие скачков импеданса, которые образуются у фиксированных конструкций, расположенных выше поверхности продукта, на процесс определения уровня заполнения, в разное время использовались различные технические решения.
Далее со ссылками на блок-схему, приведенную на фиг. 2, и иллюстрации, представленные на фиг. 3, 4а, 4b, будет описан вариант нового усовершенствованного способа решения этой проблемы.
Как видно из блок-схемы по фиг. 2, в процессе первой операции 100 трансивером 20 генерируются и посылаются электромагнитные сигналы. В процессе следующей операции 101 переданный электромагнитный сигнал ST распространяется в резервуаре 4 в направлении продукта 3 по своей траектории 30, отражаясь от границ имеющихся на ней скачков импеданса (см. выше), в результате чего, как уже упоминалось, формируется отраженный электромагнитный сигнал SR. В процессе следующей операции 102 сигнал SR принимается трансивером 20.
Специалисту в этой области хорошо известно, что расстояния между трансивером 20 и границами различных скачков импеданса, расположенных на траектории 30 распространения сигнала, могут быть определены на основе измерительного сигнала SM, который можно сформировать, комбинируя отраженный сигнал SR и передаваемый сигнал ST (или сигнал, связанный с ним по времени известным соотношением). Обычно в измерительном сигнале SM отраженная энергия представлена в виде функции времени его прохождения вдоль траектории 30 распространения сигнала, т.е. от трансивера 20 до границ находящихся на ней различных скачков импеданса. В варианте, использующем систему радарного уровнемера FMCW-типа, измерительный сигнал SM может характеризовать амплитуду принятого отраженного сигнала SR как функцию частоты IF-сигнала (т.е. разности несущих частот передаваемого сигнала ST и отраженного сигнала SR). Если амплитуда передаваемого сигнала ST постоянна, амплитуда отраженного сигнала SR эквивалентна коэффициенту ρ отражения.
В процессе операции 103 описанным образом определяют первое измерительное соотношение SM1, пример которого проиллюстрирован на графике в верхней части фиг. 3. В данном случае коэффициент ρ0 отражения в сторону трансивера 20 представлен в виде функции частоты IF-сигнала.
Преобразование графика, приведенного в верхней части фиг. 3, во временную область (эквивалентную области расстояний, если известна скорость распространения электромагнитных сигналов), выполняемое, например, посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ), приводит к графику по фиг. 4а, который представляет отраженную энергию в виде функции расстояния d, измеряемого от трансивера 20.
Анализируя график по фиг. 4а, можно отметить, что кривая содержит четыре четко различимых пика, которые соответствуют расстояниям (d) между трансивером 20 и границами скачков импеданса, пересекаемых передаваемым сигналом ST. Если рассматривать фиг. 4а слева направо, первый пик 40 соответствует отражению у проходного ввода 14 измерительного блока, второй пик 41 соответствует отражению у проходного ввода 15 в резервуар, третий пик 42 соответствует отражению от поверхности 11, а четвертый пик 43 соответствует двойному отражению, когда передаваемый сигнал сначала отражается от поверхности 11, у ввода 15 и, наконец, снова от поверхности 11 перед приемом трансивером 20. Как наглядно следует из графика по фиг. 4а, отражение у проходного ввода 15 в резервуар по своему уровню подобно отражению от поверхности 11, а это может затруднить идентификацию отражения от поверхности 11, если она расположена поблизости от ввода 15.
Согласно блок-схеме по фиг. 2 реализацию способа продолжают, выполняя операцию 104, в ходе которой на основе первого измерительного соотношения SM1 и известных параметров, характеризующих распространение сигнала по первому участку 31 траектории 30, и с учетом расчетной модели траектории определяют второе измерительное соотношение SM2.
Одна из расчетных моделей траектории 30 распространения сигнала, пригодная в данном контексте, не требующая сложных вычислений и, тем не менее, обеспечивающая получение достаточно хорошего результата, основана на хорошо известных общих уравнениях передающей линии (иногда данные уравнения именуют также телеграфными).
Согласно данной расчетной модели импеданс, воспринимаемый трансивером 20, можно определить, разделив траекторию 30 распространения сигнала на участки с различным импедансом и определяя эквивалентный импеданс поэтапно от конца траектории 30 в направлении трансивера 20.
Например, при рассмотрении только одного такого участка данной траектории эквивалентный импеданс Zeq будет задан уравнением
где Z0 - импеданс траектории распространения сигнала на участке между трансивером 20 и границей скачка импеданса, ZL - импеданс нагрузки, tanh - гиперболический тангенс, γ - затухание на данном участке траектории, а 
- длина данного участка.
Очевидно, что приведенное Ур. 1 может быть переписано так, что появится возможность определять импеданс нагрузки в виде функции других параметров Ур. 1.
Выполняя эту операцию поэтапно, начиная от трансивера 20, можно определить эквивалентный импеданс непосредственно под проходным вводом 15 в резервуар (танк). Конечно, при желании можно определить и эквивалентный импеданс непосредственно под трубчатой монтажной конструкцией ("стаканом") 13.
Далее эта процедура будет описана со ссылками на фиг. 3, где траектория 30 распространения сигнала схематично проиллюстрирована в виде серии импедансов, рассматриваемых как входные для различных позиций вдоль данной траектории. В этом проиллюстрированном примере упоминавшийся выше первый участок 31 траектории 30 содержит первый сегмент 34, включающий проходной ввод 14 измерительного блока, и второй сегмент 35, включающий проходной ввод 15 в резервуар. Второй участок 32 траектории 30 в данном случае представляет собой ее остальную часть, расположенную ниже ввода 15.
Определяют, начиная от трансивера 20 (см. верхнюю часть фиг. 3), первое измерительное соотношение SM1, которое в данном случае характеризуется коэффициентом ρ0 (коэффициентом отражения), представленным в виде функции частоты IF-сигнала. Данная процедура была описана выше в связи с операцией 103. Специалисту в этой области хорошо известно, что нагрузка, воспринимаемая трансивером, может быть выражена в терминах коэффициента ρ отражения или импеданса Z.
В примере, проиллюстрированном на фиг. 3, воспринимаемый трансивером 20 импеданс Z123 нагрузки может быть выражен в терминах соответствующего коэффициента отражения и параметров (properties, prop) prop3 (конкретно, характеристического импеданса) траектории распространения сигнала на участке, расположенном между трансивером 20 и нагрузкой, и представлен в виде следующего соотношения:
где Z0 - характеристический импеданс траектории распространения сигнала на участке от трансивера 20 до проходного ввода 14 измерительного блока, а коэффициент ρ0 отражения задается первым измерительным соотношением SM1. Если для соединения выхода трансивера 20 с вводом 14 используют коаксиальный кабель, в типичной ситуации характеристический импеданс Z0 будет равен примерно 50 Ом.
Таким образом, соотношение между импедансом Z123 нагрузки и входящим в Ур. 2 коэффициентом р0 отражения может быть выражено следующим образом:
Как было разъяснено выше, импеданс Z123 нагрузки, воспринимаемый трансивером 20, может быть выражен также (например, на основе Ур. 1) в терминах импеданса ZL3 проходного ввода 14 измерительного блока, параметров ргор3 распространения сигнала на участке его траектории между трансивером 20 и вводом 14, и импеданса Z12 нагрузки в зоне, расположенной непосредственно под вводом 14:
Импеданс нагрузки Z12 (т.е. импеданс в зоне, расположенной непосредственно под вводом 14), может быть выражен, соответственно, в терминах импеданса Z123 нагрузки у трансивера 20, импеданса у проходного ввода 14 измерительного блока и параметров ргор3 распространения сигнала:
Кроме того, Z12 может быть выражен в терминах импеданса Z1 нагрузки в зоне, расположенной непосредственно под проходным вводом 15 в резервуар, импеданса ZL2 у проходного ввода 14 измерительного блока и параметров ргор2 распространения сигнала на участке его траектории между вводами 14, 15:
По аналогии с приведенным выше Ур. 5, Ур. 6 может быть использовано для определения Z1:
Импеданс Z, нагрузки, соответствующей зоне непосредственно под проходным вводом 15 в резервуар, можно преобразовать в коэффициент ρ1 отражения, причем тогда параметр prop1 соотносится с импедансом зонда, находящегося внутри резервуара 4:
Если скомбинировать Ур. 3, 5, 7 и 8, оказывается, что значение отражения на участке, расположенном непосредственно под проходным вводом 15 в резервуар, можно определить на основе первого измерительного соотношения SM1 и параметров распространения сигнала по первому участку 31 его траектории 30, используя следующее уравнение:
На нижнем графике, приведенном на фиг. 3, коэффициент ρ1 отражения, представляющий собой пример второго измерительного соотношения SM2, представлен в виде функции частоты IF-сигнала.
Преобразование нижнего графика по фиг. 3 во временную область (эквивалентную области расстояний, если известна скорость распространения электромагнитных сигналов), выполняемое, в частности, с использованием БПФ, приводит к графику по фиг. 4b, представляющему отраженную энергию в виде функции расстояния d от трансивера 20.
Сопоставление графиков, приведенных на фиг. 4а и 4b, однозначно показывает, что имеющиеся на фиг. 4а первый пик 40 и второй пик 41 на фиг. 4b фактически исчезают, чем обеспечивается упрощенная и более надежная идентификация пика 42, соответствующего отражению от поверхности 11 (т.е. от поверхности продукта 3, содержащегося в резервуаре 4).
В заключение, согласно блок-схеме, приведенной на фиг. 2, посредством операции 105 определяют, исходя из второго измерительного соотношения SM2 (см. фиг. 4b), уровень заполнения.
Специалисту будет понятно, что изобретение никоим образом не ограничивается приведенными предпочтительными вариантами его осуществления. Напротив, прилагаемая формула изобретения охватывает также многие другие варианты и модификации.
Группа изобретений относится к системе радарного уровнемера и к способу определения уровня заполнения резервуара (танка) продуктом. Способ определения уровня заполнения резервуара продуктом содержит этапы, на которых генерируют и посылают передаваемый сигнал, обеспечивают распространение передаваемого сигнала по траектории его распространения в направлении поверхности продукта, причем данная траектория имеет прилегающий к трансиверу первый участок, для которого параметры распространения сигнала известны, и второй участок, прилегающий к первому участку, принимают отраженный сигнал, образованный в результате отражений от границ скачков импеданса, пересекаемых передаваемым сигналом, в том числе от поверхности продукта, на основе временного сдвига между передаваемым и отраженным сигналами определяют первое измерительное соотношение, на основе первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала определяют второе измерительное соотношение и на основе второго измерительного соотношения определяют уровень заполнения. Технический результат – повышение надежности измерения уровня заполнения резервуара. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.
1. Способ определения уровня заполнения резервуара продуктом, использующий систему радарного уровнемера, которая содержит трансивер, устройство распространения сигнала, подключенное к трансиверу, и процессорный контур, подключенный к трансиверу и способный определять уровень заполнения, при этом указанный способ включает следующие операции:
- посредством трансивера генерируют и посылают передаваемый электромагнитный сигнал,
- обеспечивают распространение передаваемого сигнала в направлении поверхности продукта по траектории распространения сигнала, включающей устройство распространения сигнала, при этом траектория распространения сигнала имеет первый участок, для которого параметры распространения сигнала известны, и второй участок, причем первый участок расположен между трансивером и вторым участком,
- формируют расчетную модель траектории распространения сигнала,
- посредством трансивера принимают отраженный электромагнитный сигнал, образованный в результате отражений от границ скачков импеданса, находящихся на траектории распространения сигнала, в том числе от поверхности продукта,
- на основе временного сдвига между передаваемым сигналом и отраженным сигналом определяют первое измерительное соотношение между энергией, отраженной от границ скачков импеданса вдоль первого и второго участков траектории распространения сигнала, и временем прохождения отраженного сигнала по указанным первому и второму участкам,
- на основе первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по первому участку траектории распространения сигнала определяют, используя расчетную модель траектории распространения сигнала, второе измерительное соотношение между энергией, отраженной от первой подгруппы границ скачков импеданса вдоль второго участка траектории распространения сигнала, и временем прохождения отраженного сигнала по указанному второму участку, и
- на основе второго измерительного соотношения определяют уровень заполнения.
2. Способ по п. 1, в котором второе измерительное соотношение получают, посредством указанной расчетной модели, в виде функции первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по первому участку траектории распространения сигнала.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором:
- первый участок траектории распространения сигнала содержит по меньшей мере первый сегмент и второй сегмент, причем первый сегмент расположен между трансивером и вторым сегментом, а операция определения второго измерительного соотношения включает следующие шаги:
- на основе первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по указанному первому сегменту определяют, используя расчетную модель траектории распространения сигнала, третье измерительное соотношение между энергией, отраженной от второй подгруппы границ скачков импеданса вдоль третьего участка указанной траектории, включающего в себя указанные второй сегмент и второй участок, и временем прохождения отраженного сигнала по указанному третьему участку, и
- на основе третьего измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по указанному второму сегменту определяют, используя расчетную модель траектории распространения сигнала, второе измерительное соотношение.
4. Способ по любому из пп. 1-3, в котором расчетная модель представляет собой модель передающей линии.
5. Способ по любому из пп. 1-4, в котором в число известных параметров распространения сигнала по указанному первому участку входят расстояние, на которое распространяется сигнал, импеданс и затухание сигнала на первом участке.
6. Система радарного уровнемера для определения уровня заполнения резервуара продуктом, содержащая:
- трансивер, выполненный с возможностью генерировать, посылать и принимать электромагнитные сигналы,
- устройство распространения сигнала, подключенное к трансиверу и способное распространять передаваемый электромагнитный сигнал в направлении поверхности продукта и возвращать отраженный электромагнитный сигнал, образующийся в результате отражения передаваемого электромагнитного сигнала от указанной поверхности, обратно в направлении трансивера, при этом устройство распространения сигнала включено в траекторию распространения передаваемого сигнала и отраженного сигнала, содержащую первый участок, для которого параметры распространения сигнала известны, и второй участок, причем первый участок расположен между трансивером и вторым участком, и
- процессорный контур, подключенный к трансиверу и содержащий:
- контур, определяющий измерительные соотношения и предназначенный для выполнения следующих операций:
- определения, на основе временного сдвига между передаваемым сигналом и отраженным сигналом, первого измерительного соотношения между энергией, отраженной от границ скачков импеданса вдоль первого и второго участков траектории распространения сигнала, и временем прохождения отраженного сигнала по указанным первому и второму участкам, и
- определения, на основе первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала по первому участку траектории распространения сигнала, второго измерительного соотношения между энергией, отраженной от первой подгруппы границ скачков импеданса вдоль второго участка траектории распространения сигнала, и временем прохождения отраженного сигнала по указанному второму участку, причем для выполнения указанной операции используется расчетная модель траектории распространения сигнала, и
- контур для определения, на основе второго измерительного соотношения, уровня заполнения.
7. Система по п. 6, дополнительно содержащая сопрягающее средство, присоединяющее к трансиверу устройство распространения сигнала и установленное на траектории распространения сигнала.
8. Система по п. 7, в которой сопрягающее средство установлено на первом участке траектории распространения сигнала.
9. Система по п. 7 или 8, в которой сопрягающее средство снабжено проходным вводом, расположенным между наружной стороной резервуара и внутренним объемом резервуара.
10. Система по любому из пп. 6-9, в которой трансивер содержит:
- источник СВЧ-сигнала, выполненный с возможностью регулируемым образом генерировать передаваемый сигнал,
- контроллер источника СВЧ-сигнала, подключенный к источнику СВЧ-сигнала и выполненный с возможностью такой регулировки источника СВЧ-сигнала, при которой передаваемый сигнал генерируется в виде измерительного сканирования с частотой, изменяющейся во времени, причем указанным сканированием задается ширина полосы, и
- смеситель, подключенный к источнику СВЧ-сигнала и к устройству распространения сигнала и выполненный с возможностью комбинировать передаваемый сигнал и отраженный сигнал с формированием, в результате, сигнала с промежуточной частотой,
при этом контур, определяющий измерительные соотношения, выполнен с возможностью определять первый измерительный сигнал, основываясь на указанном сигнале с промежуточной частотой.
11. Система по п. 10, в которой указанная ширина полосы составляет по меньшей мере 0,5 ГГц.
12. Система по любому из пп. 6-11, в которой устройство распространения сигнала представляет собой зонд на основе передающей линии, проложенный в направлении продукта в резервуаре с входом в объем продукта.
13. Система по любому из пп. 6-11, в которой устройство распространения сигнала представляет собой излучающую антенну, способную испускать передаваемый сигнал в направлении продукта в резервуаре.
| US 5661251 A, 26.08.1997 | |||
| Жёсткое зубчатое соединение двухветвевых колонн с фундаментами | 2018 |
|
RU2687830C1 |
| US 2014085131 A1, 27.03.2014 | |||
| МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РАДАРНЫЙ УРОВНЕМЕР | 2011 |
|
RU2584917C2 |
