Способ измерения уровня материала в резервуаре

Способ измерения уровня материала в резервуаре

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники и может применяться для измерения уровня жидких или сыпучих материалов.

Известен радиолокационный способ измерения уровня [1], включающий измерение времени распространение радиоволн, излученных в направлении на поверхность среды и отраженных от нее, и вычисление по измеренному времени распространения радиоволн дальности до поверхности среды. Указанный способ не позволяет измерять уровень с достаточной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных конструктивными особенностями резервуара с жидким или сыпучим материалом, а также отражением от неоднородностей антенно-волноводного тракта и обтекателя (крышки) антенны при осаждении на нее паров содержимого резервуара или частиц пыли.

Известен способ измерения расстояния, реализованный в устройстве [2], заключающийся в том, что излучают частотно-модулированный сигнал в направлении содержимого резервуара, принимают спустя время распространения отраженный сигнал и смешивают его с частью излучаемого сигнала для получения сигнала разностной частоты (СРЧ). Фазу этого сигнала используют для измерения расстояния до поверхности контролируемой среды, при условии поддержании постоянной самой разностной частоты, путем управления периодом модуляции. При этом фаза сигнала разностной частоты при измерении расстояния будет непрерывно меняться в пределах 2πN+ϕ пропорционально изменению расстояния. Здесь N - целое число периодов СРЧ, содержащееся в периоде модуляции, ϕ - число, соответствующее оставшейся части периода, то есть начальная фаза СРЧ. Таким образом, определение расстояния сводится к подсчету числа N, измерению фазы ϕ и вычислению расстояния.

Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с заданной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных элементами конструкции резервуара, и отражений, вызванных неоднородностью антенно-волноводного тракта и осаждением паров жидкости или частиц пыли на обтекатель (крышку) антенны.

Также известен способ измерения расстояния [3], заключающийся в том, что производится излучение частотно-модулированного радиосигнала в направлении поверхности контролируемой среды, прием спустя время распространения отраженного сигнала, смешивание его с частью излучаемого сигнала для получения СРЧ, определения моментов появления характерных точек СРЧ (например, экстремумов или нулей), накопления значений весовой функции, соответствующих моментам появления характерных точек сигнала, и вычисления расстояний по накопленной сумме значений.

Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с высокой точностью при наличии мешающих отражений.

Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков (прототипом) является способ измерения уровня [4] радаром, ориентированным по максимуму эхо-сигнала от измеряемой поверхности, включающий излучение последовательности микроволновых сигналов, дискретные угловые частоты в которых равномерно распределены по сканируемому диапазону частот. Сигнал, отраженный от измеряемой поверхности, смешивают с частью излучаемого сигнала для получения двух сигналов разностной частоты, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол π/2 (сигналов квадратур), которые после аналого-цифрового преобразования подаются на микропроцессор. Обработка последовательности отсчетов квадратур включает прямое и обратное преобразование Фурье, использование для локализации источников наиболее мощных излучений метода высокого разрешения MUZIC, селекцию эхо-сигналов во временной области и в конечном итоге получение расстояния до измеряемого уровня.

Недостатком способа является недостаточно высокая точность измерения уровня при наличии мешающих отражений, вызванных элементами конструкции резервуара и неоднородностями антенно-волноводного тракта из-за их взаимного влияния на полезный сигнал. Анализ описания и формулы патента позволяют сделать вывод, что метод высокого разрешения типа MUZIC либо другие методы, дающие улучшение разрешения по частоте, позволяют увеличить точность измерения расстояния. Однако основная причина недостаточной точности при наличии мешающих отражений остается - это взаимное влияние спектров полезного и мешающего сигналов, причем погрешность измерения будет зависеть от соотношения амплитуд полезного и мешающего сигналов.

Цель предлагаемого изобретения - уменьшение погрешности измерения уровня при наличии мешающих отражений от элементов конструкции резервуара и отражений от неоднородностей антенно-волноводного тракта.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения уровня, включающем излучение частотно-модулированного сигнала в направлении содержимого резервуара, прием спустя время распространения отраженного сигнала, смешивание его с частью излучаемого сигнала для получения сигнала разностной частоты (СРЧ) и вычисление спектра СРЧ с выхода аналого-цифрового преобразователя (АЦП) приемника, дополнительно производится вычисление опорного спектра, полученного при калибровке на рабочем месте, и меры отличия измеренного и опорного спектра. Затем производится изменение параметров опорного спектра до достижения минимума указанной меры отличия спектров. Параметры опорного спектра, при которых обнаружен минимум меры отличия, используют при расчете измеряемого расстояния.

Опорный спектр представляется в виде суммы двух составляющих, одна из которых является постоянной и соответствует отражению от мешающих отражателей, а вторая является переменной и соответствует отражению от измеряемого материала. Параметры опорного спектра определяются при калибровке. Калибровка производится на рабочем месте при таком уровне заполнения резервуара, когда сигнал отражают все мешающие отражатели и отсутствует взаимное влияние боковых лепестков спектров СРЧ, соответствующих мешающим отражателям, и спектра СРЧ, соответствующего отражению от материала.

Возможны два варианта вычисления опорного спектра.

В первом варианте опорный спектр вычисляется по опорному сигналу, содержащему две части, которые сформированы при калибровке на рабочем месте. Первая часть опорного сигнала соответствует постоянной части опорного спектра и является суммой сигналов, соответствующих мешающим отражениям, а вторая часть опорного сигнала соответствует отражению от материала. Амплитуды, фазы и частоты опорного сигнала подбираются таким образом, чтобы мера отличия спектра, вычисленного для опорного сигнала и для сигнала, измеренного при калибровке, была минимальной. Подбор осуществляется в два этапа. На первом этапе производится грубая оценка этих параметров по спектру принятого сигнала. На втором этапе производится уточнение значений этих параметров путем их малых вариаций с использованием в качестве критерия минимума меры отличия спектров измеренного сигнала и сформированного сигнала.

Второй вариант вычисления опорного спектра основан на суммировании двух спектров, полученных при калибровке, один из которых является спектром СРЧ, соответствующим отражениям от мешающих отражателей, а второй - спектром СРЧ, соответствующим отражению от материала. Эти спектры являются опорными при проведении измерений и хранятся в памяти.

Заявляемый способ измерения уровня материала в резервуаре обладает совокупностью признаков, неизвестных из уровня техники для способов подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна",

Для доказательства изобретательского уровня необходимо учесть, что известен и широко применяется способ измерения расстояния по спектру, например, основанный на нахождении максимальной спектральной составляющей и дальнейшем расчете расстояния [5]. Для увеличения точности добиваются с помощью перестройки генератора максимального значения амплитуды спектральной составляющей на измеряемой частоте (или минимального уровня боковых лепестков). При этом полагается, что уровень мешающих отражений минимален и не влияет на точность измерения. Однако появление мешающих отражений приводит к смещению максимальной спектральной составляющей и появлению дополнительной погрешности измерения.

Заявленный способ не имеет этого недостатка, т.к. разностная частота, соответствующая дальности до материала, определяется путем анализа формы спектров принятого сигнала и опорного по минимуму меры отличия формы спектров. Этот минимум будет достигаться тогда, когда станут близкими спектральные составляющие опорного спектра и спектра, полученного при проведении измерений. Т.к. взаимное влияние спектров полезного сигнала и мешающего отражения и соответственно переменной и постоянной частей опорного спектра будет одинаковыми, то оно не окажет влияния на точность измерения. Указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения - изобретательский уровень.

Эти отличия приводят к появлению качественно нового свойства заявленного способа - возможности измерения уровня материала при наличии мешающих отражений. Это новое свойство позволяет повысить точность измерений.

Указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения " Изобретательский уровень"

Способ измерения уровня материала в резервуаре осуществляют следующим образом. Формируют зондирующий радиочастотный сигнал с периодической частотной модуляцией и излучают сформированный сигнал в направлении зондируемого материала. Принимают спустя время распространения отраженный сигнал, смешивают его с частью облученного сигнала и выделяют сигнал разностной частоты. Вычисляют с помощью преобразования Фурье на дискретных частотах ω_i, спектр этого сигнала S_из(jω_i), спектр опорного сигнала S_оп(jω_i) и меру отличия Z спектра опорного сигнала от измеренного. В качестве меры отличия Z может использоваться любая математическая метрика, используемая для оценки различия двух функций. Например [6]:

где j - мнимая единица, i - номер дискретной частоты, N - число вычисленных спектральных составляющих (N=K+N₁, К - число отсчетов сигнала с выхода АЦП; n₁ - число нулевых отсчетов, добавляемых для лучшей интерполяции формы спектра и, следовательно, для увеличения точности измерения уровня).

При этом измеренный спектр может быть представлен в виде

где М - число мешающих отражений в резервуаре; S_m[j(ω_i-ω_m)] - спектр СРЧ с частотой ω_m, соответствующей дальности до m-го отражателя; S_д[j(ω_i-ω_д)]-спектр СРЧ с частотой ω_д, соответствующей дальности до измеряемого уровня.

Для вычисления опорного спектра возможны два варианта.

В первом варианте опорный спектр вычисляется по сформированному при калибровке опорному сигналу, содержащему две части: u_оп(t)=u_пост(t)+u_пер (t). Первая часть опорного сигнала u_пост(t) является постоянной и представляет собой сумму сигналов, соответствующих отражениям от мешающих отражателей:

где u_mo, ω_mo и ϕ_mo - соответственно амплитуда, частота и фаза СРЧ, соответствующего m-му мешающему отражателю, М - общее число мешающих отражателей в данном резервуаре. Вторая часть опорного сигнала u_пер (t) является переменной и соответствует отражению от материала:

где U_до и ϕ_до - соответственно амплитуда и фаза СРЧ, соответствующего отражению от материала;

ω(t) - известный закон модуляции несущей частоты СВЧ сигнала;

t_з - время распространения сигнала, соответствующее моделируемой дальности до материала.

При изменении величины t_з переменная часть спектра будет перемещаться по оси частот.

Параметры обеих частей опорного сигнала определяются при калибровке по вычисленному спектру СРЧ путем грубой предварительной оценки этих величин и затем уточнению их с помощью малых вариаций. Вариации параметров производятся до обнаружения минимума меры отличия измеренного спектра и спектра, вычисленного по опорному сигналу.

Во время проведения измерений, когда измеряемый материал начинает закрывать m-й мешающий отражатель, амплитуда соответствующего слагаемого опорного сигнала U_mo начинает уменьшаться. Характер изменения амплитуды зависит от электродинамических свойств материала.

Так как конструкции резервуаров известны и известны расстояния до конструктивных элементов, вызывающих мешающие отражения, то процедура измерения частоты может быть исключена, а частоты и фазы сигналов, соответствующих мешающим отражателям, могут определяться расчетным путем.

Второй вариант вычисления опорного спектра основан на суммировании двух спектров, полученных при калибровке:

S_оп(jω_i)=S_пост(jω_i)+S_пер(jω_i).

Постоянная часть опорного спектра является спектром сигналов, отраженных от мешающих отражений, и может быть представлена следующим образом:

где S_mo[j(ω_i-ω_mo)] - спектр СРЧ с частотой ω_mo, соответствующий дальности до m-го мешающего отражателя.

Переменная часть опорного спектра является спектром СРЧ с частотой ω_x, соответствующей дальности до уровня материала в резервуаре: S_пер(jω_i)=S_до[j(ω_i-ω_x)]. Дискретные отсчеты этих спектров запоминаются и используются при вычислении опорного спектра.

В том случае, если характеристики окружающей среды (температура, влажность) при формировании опорного спектра в ходе калибровки соответствуют характеристикам окружающей среды при проведении измерений, будет выполняться условие S_mo[j(ω_i-ω_mo)]=S_m[j(ω_i-ω_m)]. Форма спектра S_д[j(ω_i-ω_д)] будет идентична форме спектра S_дo[j(ω_i-ω_x)].

Частота ω_x в процессе измерения меняется в пределах от ω_н до ω_в, определяемых соответственно нижним и верхним уровнями материала в резервуаре, с шагом δω, задаваемым требуемой точностью измерения. Изменение частоты ω_x производится до достижения минимума меры отличия Z указанных спектров. С целью поиска глобального минимума функции Z этот процесс повторяется многократно путем варьирования фазового спектра переменной части с помощью изменения значения вспомогательной переменной ϕ. По полученному значению частоты опорного сигнала ω_х.мин=ω_н+kδω, соответствующему наилучшему совпадению спектров, производят вычисление расстояния R от антенны до измеряемого материала:

где с - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве; Т_мод - период модуляции частоты передатчика; Δω - диапазон перестройки частоты передатчика; ω_н - начальное значение частоты биений, соответствующее максимальному уровню материала в резервуаре; δω - шаг изменения частоты ω_x, то есть шаг сдвига спектра S_до[j(ω_i-ω_x)] по оси частот при проведения измерения уровня; k - число шагов при сдвиге спектра от частоты ω_н до того значения частоты, при котором величина Z принимает минимальное значение.

В предлагаемом способе измерения уровня используется периодическая частотная модуляция. Измерение уровня происходит при использовании СРЧ, полученном на интервале

Осуществление заявленного способа поясняется с помощью чертежей, показанных на фиг.1-4.

На фиг.1 изображено устройство для измерения уровня при наличии мешающих отражателей в резервуаре.

На фиг.2 изображена блок-схемы программы обработки сигнала в режиме измерения уровня.

На фиг.3 и 4 изображены блок-схемы программы обработки сигнала для двух вариантов выполнения калибровки.

Устройство для измерения уровня содержит формирователь (Ф) 1 сигнала, выход которого соединен со входом усилителя СВЧ (УСВЧ) 2, направленный ответвитель (НО) 3, причем выход усилителя СВЧ 2 подключен ко входу НО 3, циркулятор (Ц) 4, вход которого соединен с первым выходом направленного ответвителя 3, антенну (А) 5, подключенную к первому выходу циркулятора 4, смеситель (См) 6, входы которого соединены со вторыми выходами направленного ответвителя 3 и циркулятора 4, а выход соединен через последовательно соединенные усилитель (У) 7 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 с первым входом процессора (Пр) 9. Второй выход формирователя 1 соединен со вторым входом процессора 9, первый выход процессора 9 соединен со вторым входом АЦП 8, а второй выход процессора является выходом устройства.

Формирователь 1 формирует сигнал с заданным периодическим законом модуляции частоты (например, симметричным треугольным). Этот сигнал после усиления в усилителе СВЧ 2 поступает через направленный ответвитель 3 и циркулятор 4 в антенну 5 и излучается в направлении контролируемого материала. Спустя время распространения отраженный сигнал принимается антенной 5 и со второго выхода циркулятора 4 поступает на первый вход смесителя 6. На второй вход смесителя 6 поступает часть излучаемого сигнала со второго выхода направленного ответвителя 3. СРЧ с выхода смесителя через усилитель 7 поступает на вход АЦП 8. На второй вход АЦП 8 поступают импульсы управления с первого выхода процессора 9. Отсчеты СРЧ в цифровой форме поступают на первый вход процессора 9. На второй вход процессора 9 поступают импульсы, соответствующие половине периода модуляции со второго выхода формирователя 1. Результат измерения уровня материала в резервуаре поступает на второй выход процессора 9.

Блок-схема работы процессора в режиме измерения уровня материала приведена на фиг.2. В блоке 10 производится ввод цифровых отсчетов СРЧ в течение времени одного полупериода модуляции. Начало и продолжительность интервала ввода отсчетов СРЧ задается сигналом, поступающим на второй вход процессора 9 с формирователя 1. В блоке 11 производится вычисление отсчетов спектра полученного СРЧ с помощью преобразования Фурье. В блоке 12 производится установка начального значения средней частоты переменной части опорного спектра, соответствующей нижней границе ожидаемого диапазона. При первом измерении она соответствует наименьшему уровню материала. При последущих измерениях для ускорения процедуры начальное значение средней частоты переменной части опорного спектра выбирается исходя из результатов измерения на предыдущем шаге и ширины спектра сигнала. В блоке 13 вычисляется опорный спектр для установленного значения средней частоты переменной части. В блоке 14 вычисляется первое значение меры отличия спектров:

где k₁ и k₂ - номера вычисляемых спектральных составляющих, задающих интервал частот i=k₁, k₂, внутри которого находится разностная частота, соответствующая измеряемой дальности.

В блоке 15 производится сравнение текущего значения центральной частоты переменной части опорного спектра с ее конечным значением. При первом измерении конечное значение соответствует максимальному уровню материала, а при последующих измерениях оно выбирается исходя из результатов предыдущего измерения и ширины спектра сигнала. Если конечное значение не достигнуто, производится переход к блоку 16, в котором производится изменение на величину δω, задаваемую требуемой точностью измерения, и переход к блоку 13 для нового вычисления опорного спектра. После вычисления спектра опорного сигнала определяется второе значение Z(2). Число вычисляемых значений меры отличия спектров Z определяется величиной требуемой точности измерения частоты. После того как будет произведено вычисление всех значений меры отличия, в блоке 17 производится поиск минимального значения меры отличия и определение соответствующей центральной частоты переменной части опорного спектра.

Далее в блоке 18 происходит вычисление расстояния по значению частоты, соответствующей минимуму меры отличия. Затем производится вывод результата расчета в блоке 19 и возврат к блоку 10 для ввода нового массива отсчетов СРЧ и т.д., циклически повторяется процедура измерения уровня.

Процесс калибровки в соответствии с первым вариантом формирования опорного спектра производится по блок-схеме программы, приведенной на фиг.3. В блоке 20 производится ввод установленного уровня материала, обеспечивающего отсутствие взаимного влияния постоянной и переменной частей опорного спектра. В блоке 21 происходит ввод цифровых значений СРЧ, в блоке 22 вычисляется спектр полученного сигнала и в блоке 23 по полученному спектру определяется количество мешающих отражателей и выполняется грубая оценка значений амплитуды, частоты и фазы сигналов постоянной и переменной частей опорного сигнала. Затем в блоке 24 по полученным значениям амплитуд, частот и фаз производится формирование отсчетов опорного сигнала, в блоке 25 - вычисление его спектра и в блоке 26 вычисление меры отличия Z измеренного спектра и спектра опорного сигнала. Далее в блоке 27 производится сравнение с предыдущим значением и переход к блоку 28, если не обнаружен минимум меры отличия (а на первом шаге - всегда). В блоке 28 производится вариация параметров опорного сигнала в соответствии с выбранным алгоритмом поиска минимума и возврат к блоку 24 для формирования нового массива отсчетов опорного сигнала. Когда достигается минимум меры отличия спектров, происходит переход к блоку 29 для запоминания полученных параметров опорного сигнала и в блоке 30 выход из программы калибровки.

Процесс калибровки в соответствии со вторым вариантом формирования опорного спектра производится в соответствии с блок-схемой программы, приведенной на фиг.4. В блоке 31 вводится значение установленного уровня материала. В блоке 32 производится ввод цифровых отсчетов СРЧ. Затем в блоке 33 производится вычисление спектра, в блоке 34 - выделение постоянной и переменной частей опорного спектра, в блоке 35 - запоминание отсчетов спектра и в блоке 36 - выход из режима калибровки.

Моделирование процесса измерения уровня показало высокую эффективность предлагаемого способа измерения уровня материала в резервуаре. Так без использования предлагаемого способа измерения уровня материала в резервуаре величина погрешности измерения достигает удвоенного значения дискретной ошибки Использование предлагаемого способа измерения уровня материала в резервуаре обеспечивает величину погрешности измерения , где N - это число отсчетов сигнала с учетом добавленных нулевых отсчетов, использованных при расчете спектра.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. М., Сов. Радио, 1970.

2. Марфин В.П., Кузнецов Ф.В. СВЧ уровнемер. // Приборы и системы управления. 1979, №11. С.28-29.

3. Заявка Японии №30-1591, МКИ G 01 S 13/34.

4. Патент США 5 504 430. МКИ G 01 S 13/08.

5. Патент США №5546088, G 01 S 13/18,13.08.1996.

6. Горелик А.Л, Скрипкин В.А. Методы распознавания. Уч. пособие для ВУЗов.: М., Высш. Школа., 1977 г., 208 с.

1. Способ измерения уровня материала в резервуаре, включающий формирование зондирующего радиочастотного сигнала с периодической частотной модуляцией, излучение сформированного сигнала в направлении зондируемого материала, прием спустя время распространения отраженного сигнала, смешивание его с частью облученного сигнала, выделение сигналов разностной частоты, вычисление спектра этих сигналов, отличающийся тем, что дополнительно вычисляют опорный спектр и меру отличия опорного спектра от измеренного, производят изменение параметров опорного спектра до достижения минимума меры отличия указанных спектров и по параметрам опорного спектра, соответствующим наилучшему совпадению спектров, производят вычисление расстояния.

2. Способ измерения уровня материала в резервуаре по п.1, отличающийся тем, что опорный спектр вычисляют в виде суммы постоянной части и переменной части.

3. Способ измерения уровня материала в резервуаре по п.2, отличающийся тем, что центральную частоту переменной части опорного спектра при первом измерении изменяют в пределах, соответствующих минимальному и максимальному уровням материала в резервуаре, и для каждого последующего измерения - в пределах, определяемых сведениями об уровне материала в резервуаре, полученными на предыдущем измерении.

4. Способ измерения уровня материала в резервуаре по п.2, отличающийся тем, что проводят калибровку на рабочем месте при определенном уровне измеряемого материала, в ходе которой определяют параметры постоянной и переменной частей опорного спектра, необходимые для вычисления опорного спектра.

5. Способ измерения уровня материала в резервуаре по п.4, отличающийся тем, что уровень материала при калибровке выбирают так, чтобы сигнал отражали все мешающие отражатели и было исключено влияние боковых лепестков постоянной части опорного спектра на переменную часть опорного спектра.

6. Способ измерения уровня материала в резервуаре по п.2, отличающийся тем, что постоянную часть опорного спектра вычисляют по постоянной части опорного сигнала, включающей сумму сигналов разностной частоты, соответствующих расстояниям до мешающих отражений в резервуаре, а переменную часть опорного спектра вычисляют по переменной части опорного сигнала, представляющей собой сигнал разностной частоты, соответствующий расстоянию до материала.

7. Способ измерения уровня материала в резервуаре по п.4, отличающийся тем, что в ходе калибровки подбирают амплитуды, фазы и частоты постоянной и переменной частей опорных сигналов так, чтобы мера отличия спектра этой суммы и спектра, измеренного при калибровке, была минимальна и запоминают эти параметры.

8. Способ измерения уровня материала в резервуаре по п.4, отличающийся тем, что вычисляют спектр сигнала разностной частоты, выделяют из него спектры, соответствующие мешающим отражателям, т.е. постоянную часть опорного спектра, и материалу, т.е. переменную часть опорного спектра, и запоминают дискретные отсчеты этих спектров.