RU2244268C2 - Method of measuring level of material in reservoir - Google Patents
Method of measuring level of material in reservoir Download PDFInfo
- Publication number
- RU2244268C2 RU2244268C2 RU2003105994/28A RU2003105994A RU2244268C2 RU 2244268 C2 RU2244268 C2 RU 2244268C2 RU 2003105994/28 A RU2003105994/28 A RU 2003105994/28A RU 2003105994 A RU2003105994 A RU 2003105994A RU 2244268 C2 RU2244268 C2 RU 2244268C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spectrum
- reference spectrum
- level
- signal
- measuring
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники и может применяться для измерения уровня жидких или сыпучих материалов.The proposed solution relates to the field of measurement technology and can be used to measure the level of liquid or bulk materials.
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.A known radar method of measuring the level [1], including measuring the propagation time of radio waves emitted in the direction to the surface of the medium and reflected from it, and calculating the measured propagation time of the radio waves of the distance to the surface of the medium. The specified method does not allow to measure the level with sufficient accuracy in the presence of interfering reflections caused by the design features of the tank with liquid or bulk material, as well as reflection from inhomogeneities of the antenna-waveguide path and the fairing (cover) of the antenna when vapor of the contents of the tank or dust particles are deposited on it.
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.There is a known method of measuring distance, implemented in the device [2], which consists in emitting a frequency-modulated signal in the direction of the contents of the tank, receiving the propagated signal after the propagation time, and mixing it with a part of the emitted signal to obtain a difference frequency signal (RFM). The phase of this signal is used to measure the distance to the surface of the controlled medium, provided that the difference frequency itself is kept constant by controlling the modulation period. In this case, the phase of the difference frequency signal during distance measurement will continuously vary within 2πN + φ in proportion to the distance change. Here N is an integer number of periods of the RHF contained in the modulation period, φ is the number corresponding to the remaining part of the period, that is, the initial phase of the RHF. Thus, the determination of the distance is reduced to counting the number N, measuring the phase φ and calculating the distance.
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.The disadvantage of this method is the inability to measure the level with a given accuracy in the presence of interfering reflections caused by the structural elements of the tank, and reflections caused by the inhomogeneity of the antenna-waveguide tract and the deposition of vapor of liquid or dust particles on the fairing (cover) of the antenna.
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.There is also a known method of measuring distance [3], which consists in the fact that a frequency-modulated radio signal is emitted in the direction of the surface of the medium being monitored, received after the propagation time of the reflected signal, mixes it with part of the emitted signal to obtain the RMS, determine the moments of the appearance of characteristic points of the RMS ( for example, extrema or zeros), accumulation of the values of the weight function corresponding to the moments of the appearance of characteristic points of the signal, and calculating the distances from the accumulated sum of values Nij.
Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с высокой точностью при наличии мешающих отражений.The disadvantage of this method is the inability to measure the level with high accuracy in the presence of interfering reflections.
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.The closest technical solution for the set of essential features (prototype) is a level measurement method [4] with a radar oriented to the maximum of the echo signal from the measured surface, including radiation of a sequence of microwave signals in which discrete angular frequencies are uniformly distributed over the scanned frequency range. The signal reflected from the measured surface is mixed with a part of the emitted signal to obtain two differential frequency signals phase-shifted relative to each other by an angle π / 2 (quadrature signals), which, after analog-to-digital conversion, are fed to the microprocessor. Processing the sequence of quadrature samples includes the direct and inverse Fourier transform, the use of the MUZIC high-resolution method for localizing the sources of the most powerful radiation, the selection of echo signals in the time domain, and ultimately obtaining the distance to the measured level.
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.The disadvantage of this method is the insufficiently high accuracy of level measurement in the presence of interfering reflections caused by reservoir structural elements and inhomogeneities of the antenna-waveguide path due to their mutual influence on the useful signal. An analysis of the description and patent claims allows us to conclude that the high-resolution method of the MUZIC type or other methods that improve the resolution in frequency can increase the accuracy of distance measurement. However, the main reason for insufficient accuracy in the presence of interfering reflections remains - this is the mutual influence of the spectra of the useful and interfering signals, and the measurement error will depend on the ratio of the amplitudes of the useful and interfering signals.
Цель предлагаемого изобретения - уменьшение погрешности измерения уровня при наличии мешающих отражений от элементов конструкции резервуара и отражений от неоднородностей антенно-волноводного тракта.The purpose of the invention is to reduce the level measurement error in the presence of interfering reflections from reservoir structural elements and reflections from inhomogeneities of the antenna-waveguide path.
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.This goal is achieved by the fact that in the level measurement method, which includes emitting a frequency-modulated signal in the direction of the tank contents, receiving after the propagation time of the reflected signal, mixing it with part of the emitted signal to obtain a differential frequency signal (RMS) and calculating the RMS spectrum from the analog output -digital converter (ADC) of the receiver, additionally, the reference spectrum obtained during calibration at the workplace and the measure of difference between the measured and reference spectrum are calculated. Then, the parameters of the reference spectrum are changed until a minimum of the indicated measure of spectral difference is reached. The parameters of the reference spectrum at which a minimum of the measure of difference is found are used in calculating the measured distance.
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.The reference spectrum is represented as the sum of two components, one of which is constant and corresponds to reflection from interfering reflectors, and the second is variable and corresponds to reflection from the measured material. The reference spectrum parameters are determined during calibration. Calibration is performed at the workplace at such a level of filling the tank, when the signal is reflected by all interfering reflectors and there is no mutual influence of the side lobes of the RF spectra corresponding to the interfering reflectors and the RF spectrum corresponding to the reflection from the material.
Возможны два варианта вычисления опорного спектра.There are two options for calculating the reference spectrum.
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.In the first embodiment, the reference spectrum is calculated by the reference signal containing two parts, which are formed during calibration at the workplace. The first part of the reference signal corresponds to the constant part of the reference spectrum and is the sum of signals corresponding to interfering reflections, and the second part of the reference signal corresponds to reflection from the material. The amplitudes, phases and frequencies of the reference signal are selected so that the difference in spectrum calculated for the reference signal and for the signal measured during calibration is minimal. Selection is carried out in two stages. At the first stage, a rough assessment of these parameters is made according to the spectrum of the received signal. At the second stage, the values of these parameters are refined by their small variations using, as a minimum criterion, a measure of the difference between the spectra of the measured signal and the generated signal.
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.The second option for calculating the reference spectrum is based on the summation of two spectra obtained during calibration, one of which is the RMS spectrum corresponding to reflections from interfering reflectors, and the second is the RMS spectrum corresponding to reflection from the material. These spectra are reference for measurements and are stored in memory.
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",The inventive method of measuring the level of material in the tank has a combination of features unknown from the prior art for methods of this purpose, which allows us to conclude that the criterion of "novelty",
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.To prove the inventive step, it is necessary to take into account that a method for measuring the distance along the spectrum is known and widely used, for example, based on finding the maximum spectral component and further calculation of the distance [5]. To increase the accuracy, using the tuning of the generator, the maximum amplitude of the spectral component at the measured frequency (or the minimum level of the side lobes) is achieved. It is believed that the level of interfering reflections is minimal and does not affect the measurement accuracy. However, the appearance of interfering reflections leads to a shift in the maximum spectral component and the appearance of an additional measurement error.
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.The claimed method does not have this drawback, because the difference frequency corresponding to the distance to the material is determined by analyzing the shape of the spectra of the received signal and the minimum reference measure of the difference in the shape of the spectra. This minimum will be achieved when the spectral components of the reference spectrum and the spectrum obtained during the measurements become close. Because the mutual influence of the spectra of the useful signal and the interfering reflection and, accordingly, the variable and constant parts of the reference spectrum will be the same, then it will not affect the measurement accuracy. These differences do not follow explicitly from available scientific and technical sources, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of the invention - inventive step.
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.These differences lead to the appearance of a qualitatively new property of the claimed method - the ability to measure the level of the material in the presence of interfering reflections. This new property improves the accuracy of measurements.
Указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения " Изобретательский уровень"These differences do not follow explicitly from available scientific and technical sources, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of the invention "Inventive step"
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 ωi, спектр этого сигнала Sиз(jωi), спектр опорного сигнала Sоп(jωi) 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]:The method of measuring the level of material in the tank is as follows. A probing radio frequency signal with periodic frequency modulation is generated and the generated signal is emitted in the direction of the probed material. The reflected signal is received after the propagation time, mixed with a part of the irradiated signal and a difference frequency signal is isolated. Calculate using the Fourier transform at discrete frequencies ω i , the spectrum of this signal S from (jω i ), the spectrum of the reference signal S op (jω i ) and the measure of the difference Z of the spectrum of the reference signal from the measured one. As a measure of difference Z, any mathematical metric used to assess the difference between the two functions can be used. For example [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).where j is the imaginary unit, i is the number of the discrete frequency, N is the number of calculated spectral components (N = K + N 1 , K is the number of samples of the signal from the ADC output; n 1 is the number of zero samples added for better interpolation of the spectrum shape and, therefore, to increase the accuracy of level measurement).
При этом измеренный спектр может быть представлен в видеIn this case, the measured spectrum can be represented as
где М - число мешающих отражений в резервуаре; Sm[j(ωi-ωm)] - спектр СРЧ с частотой ωm, соответствующей дальности до m-го отражателя; Sд[j(ωi-ωд)]-спектр СРЧ с частотой ωд, соответствующей дальности до измеряемого уровня.where M is the number of interfering reflections in the tank; S m [j (ω i -ω m )] is the RMS spectrum with a frequency ω m corresponding to the range to the mth reflector; S d [j (ω i -ω d )] is the RMS spectrum with a frequency ω d corresponding to the range to the measured level.
Для вычисления опорного спектра возможны два варианта.To calculate the reference spectrum, two options are possible.
В первом варианте опорный спектр вычисляется по сформированному при калибровке опорному сигналу, содержащему две части: uоп(t)=uпост(t)+uпер (t). Первая часть опорного сигнала uпост(t) является постоянной и представляет собой сумму сигналов, соответствующих отражениям от мешающих отражателей:In the first embodiment, the reference spectrum is calculated by the reference signal generated during calibration, which contains two parts: u op (t) = u post (t) + u per (t). The first part of the reference signal u post (t) is constant and represents the sum of the signals corresponding to reflections from interfering reflectors:
где umo, ωmo и φmo - соответственно амплитуда, частота и фаза СРЧ, соответствующего m-му мешающему отражателю, М - общее число мешающих отражателей в данном резервуаре. Вторая часть опорного сигнала uпер (t) является переменной и соответствует отражению от материала:where u mo , ω mo, and φ mo are, respectively, the amplitude, frequency, and phase of the RF system corresponding to the mth interfering reflector, M is the total number of interfering reflectors in this tank. The second part of the reference signal u per (t) is variable and corresponds to the reflection from the material:
где Uдо и φдо - соответственно амплитуда и фаза СРЧ, соответствующего отражению от материала;where U to and φ to - respectively, the amplitude and phase of the RMS, corresponding to the reflection from the material;
ω(t) - известный закон модуляции несущей частоты СВЧ сигнала;ω (t) is the known law of modulation of the carrier frequency of the microwave signal;
tз - время распространения сигнала, соответствующее моделируемой дальности до материала.t s - signal propagation time corresponding to the simulated range to the material.
При изменении величины tз переменная часть спектра будет перемещаться по оси частот.When changing the value of the variable t of the spectrum will move along the frequency axis.
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.The parameters of both parts of the reference signal are determined during calibration according to the calculated spectrum of the RMS by means of a rough preliminary estimate of these values and then refinement using small variations. Variations of the parameters are made until a minimum measure is found of the difference between the measured spectrum and the spectrum calculated from the reference signal.
Во время проведения измерений, когда измеряемый материал начинает закрывать m-й мешающий отражатель, амплитуда соответствующего слагаемого опорного сигнала Umo начинает уменьшаться. Характер изменения амплитуды зависит от электродинамических свойств материала.During measurements, when the measured material begins to close the mth interfering reflector, the amplitude of the corresponding term of the reference signal U mo begins to decrease. The nature of the change in amplitude depends on the electrodynamic properties of the material.
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.Since reservoir designs are known and distances to structural elements causing interfering reflections are known, the frequency measurement procedure can be excluded, and the frequencies and phases of signals corresponding to interfering reflectors can be determined by calculation.
Второй вариант вычисления опорного спектра основан на суммировании двух спектров, полученных при калибровке:The second option for calculating the reference spectrum is based on the summation of two spectra obtained during calibration:
Sоп(jωi)=Sпост(jωi)+Sпер(jωi).S op (jω i ) = S post (jω i ) + S per (jω i ).
Постоянная часть опорного спектра является спектром сигналов, отраженных от мешающих отражений, и может быть представлена следующим образом:The constant part of the reference spectrum is the spectrum of signals reflected from interfering reflections, and can be represented as follows:
где Smo[j(ωi-ωmo)] - спектр СРЧ с частотой ωmo, соответствующий дальности до m-го мешающего отражателя.where S mo [j (ω i -ω mo )] is the RMS spectrum with a frequency ω mo corresponding to the range to the mth interfering reflector.
Переменная часть опорного спектра является спектром СРЧ с частотой ωx, соответствующей дальности до уровня материала в резервуаре: Sпер(jωi)=Sдо[j(ωi-ωx)]. Дискретные отсчеты этих спектров запоминаются и используются при вычислении опорного спектра.The variable part of the reference spectrum is the RMS spectrum with a frequency ω x corresponding to the range to the material level in the tank: S per (jω i ) = S to [j (ω i -ω x )]. Discrete samples of these spectra are stored and used in calculating the reference spectrum.
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 Smo[j(ωi-ωmo)]=Sm[j(ωi-ωm)]. Форма спектра Sд[j(ωi-ωд)] будет идентична форме спектра Sдo[j(ωi-ωx)].In the event that the environmental characteristics (temperature, humidity) during the formation of the reference spectrum during calibration correspond to the environmental characteristics during measurements, the condition S mo [j (ω i -ω mo )] = S m [j (ω i- ω m )]. The shape of the spectrum d S [j (ω i -ω e)] to be identical to the shape of the spectrum do S [j (ω i -ω x) ].
Частота ωx в процессе измерения меняется в пределах от ωн до ωв, определяемых соответственно нижним и верхним уровнями материала в резервуаре, с шагом δω, задаваемым требуемой точностью измерения. Изменение частоты ωx 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 
где с - скорость распространения радиоволн в свободном пространстве; Тмод - период модуляции частоты передатчика; Δω - диапазон перестройки частоты передатчика; ωн - начальное значение частоты биений, соответствующее максимальному уровню материала в резервуаре; δω - шаг изменения частоты ωx, то есть шаг сдвига спектра Sдо[j(ωi-ωx)] по оси частот при проведения измерения уровня; k - число шагов при сдвиге спектра от частоты ωн до того значения частоты, при котором величина Z принимает минимальное значение.where c is the speed of propagation of radio waves in free space; T mod - period of modulation of the frequency of the transmitter; Δω is the frequency tuning range of the transmitter; ω n - the initial value of the beat frequency corresponding to the maximum level of material in the tank; δω is the frequency change step ω x , that is, the spectrum shift step S to [j (ω i -ω x )] along the frequency axis during level measurement; k is the number of steps when shifting the spectrum from the frequency ω n to that frequency value at which the value Z takes a minimum value.
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.The implementation of the claimed method is illustrated using the drawings shown in figures 1-4.
На фиг.1 изображено устройство для измерения уровня при наличии мешающих отражателей в резервуаре.Figure 1 shows a device for measuring the level in the presence of interfering reflectors in the tank.
На фиг.2 изображена блок-схемы программы обработки сигнала в режиме измерения уровня.Figure 2 shows a block diagram of a signal processing program in a level measurement mode.
На фиг.3 и 4 изображены блок-схемы программы обработки сигнала для двух вариантов выполнения калибровки.FIGS. 3 and 4 are block diagrams of a signal processing program for two calibration embodiments.
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.The level measuring device comprises a signal shaper (Ф) 1, the output of which is connected to the input of the microwave amplifier (UHF) 2, a directional coupler (HO) 3, the output of the microwave amplifier 2 is connected to the input of HO 3, the circulator (C) 4, the input of which connected to the first output of the directional coupler 3, the antenna (A) 5 connected to the first output of the circulator 4, a mixer (Cm) 6, the inputs of which are connected to the second outputs of the directional coupler 3 and the circulator 4, and the output is connected through series-connected amplifier (Y) 7 and analog-to-digital the forming (ADC) 8 with the first input of the processor (PR) 9. The second output of generator 1 is connected to the second input of the processor 9, the first output of the processor 9 is connected to a second input of the ADC 8 and the second output of the processor is the output device.
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.Shaper 1 generates a signal with a given periodic law of frequency modulation (for example, symmetrical triangular). This signal, after amplification in the microwave amplifier 2, enters through the directional coupler 3 and circulator 4 into the antenna 5 and is emitted in the direction of the material being monitored. After the propagation time, the reflected signal is received by the antenna 5 and from the second output of the circulator 4 is fed to the first input of the mixer 6. The second input of the mixer 6 receives a part of the emitted signal from the second output of the directional coupler 3. The RF from the output of the mixer through the amplifier 7 is fed to the input of the ADC 8. The second input of the ADC 8 receives control pulses from the first output of the processor 9. The RMS samples in digital form go to the first input of the processor 9. The second input of the processor 9 receives pulses corresponding to half the period modulation from the second output of the shaper 1. The result of measuring the level of material in the tank is fed to the second output of the processor 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:A block diagram of the processor in the mode of measuring the level of material shown in figure 2. In
где k1 и k2 - номера вычисляемых спектральных составляющих, задающих интервал частот 
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.In block 15, the current value of the central frequency of the variable part of the reference spectrum is compared with its final value. In the first measurement, the final value corresponds to the maximum level of the material, and in subsequent measurements, it is selected based on the results of the previous measurement and the width of the signal spectrum. If the final value is not reached, a transition is made to block 16, in which a change is made by the value δω specified by the required measurement accuracy, and transition to block 13 for a new calculation of the reference spectrum. After calculating the spectrum of the reference signal, a second value Z (2) is determined. The number of calculated values of the measure of difference of spectra Z is determined by the value of the required accuracy of the frequency measurement. After all the values of the measure of difference have been calculated, in
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.Next, in
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.The calibration process in accordance with the first variant of the formation of the reference spectrum is performed according to the block diagram of the program shown in figure 3. In
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.The calibration process in accordance with the second variant of the formation of the reference spectrum is carried out in accordance with the block diagram of the program shown in figure 4. In
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 
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION
1. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. М., Сов. Радио, 1970.1. Theoretical foundations of radar. Ed. Shirmana Y.D. M., Sov. Radio, 1970.
2. Марфин В.П., Кузнецов Ф.В. СВЧ уровнемер. // Приборы и системы управления. 1979, №11. С.28-29.2. Marfin V.P., Kuznetsov F.V. Microwave level gauge. // Devices and control systems. 1979, No. 11. S.28-29.
3. Заявка Японии №30-1591, МКИ G 01 S 13/34.3. Japanese application No. 30-1591, MKI G 01
4. Патент США 5 504 430. МКИ G 01 S 13/08.4. US Patent 5,504,430. MKI G 01
5. Патент США №5546088, G 01 S 13/18,13.08.1996.5. US patent No. 5546088, G 01
6. Горелик А.Л, Скрипкин В.А. Методы распознавания. Уч. пособие для ВУЗов.: М., Высш. Школа., 1977 г., 208 с.6. Gorelik A.L., Skripkin V.A. Recognition methods. Uch. manual for universities: M., Higher. School., 1977, 208 p.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003105994/28A RU2244268C2 (en) | 2003-03-04 | 2003-03-04 | Method of measuring level of material in reservoir |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003105994/28A RU2244268C2 (en) | 2003-03-04 | 2003-03-04 | Method of measuring level of material in reservoir |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003105994A RU2003105994A (en) | 2004-08-27 |
| RU2244268C2 true RU2244268C2 (en) | 2005-01-10 |
Family
ID=34880933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003105994/28A RU2244268C2 (en) | 2003-03-04 | 2003-03-04 | Method of measuring level of material in reservoir |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2244268C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2611333C1 (en) * | 2015-10-12 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir |
| RU2655746C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-05-29 | ООО предприятие "КОНТАКТ-1" | Method of level measurement and radio range station with frequency modulation |
| RU2667351C2 (en) * | 2014-03-05 | 2018-09-18 | Роузмаунт Танк Радар Аб | Low power radar level gauge system |
| CN110631656A (en) * | 2018-06-21 | 2019-12-31 | 罗斯蒙特储罐雷达股份公司 | Radar level gauge |
-
2003
- 2003-03-04 RU RU2003105994/28A patent/RU2244268C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2667351C2 (en) * | 2014-03-05 | 2018-09-18 | Роузмаунт Танк Радар Аб | Low power radar level gauge system |
| RU2611333C1 (en) * | 2015-10-12 | 2017-02-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir |
| RU2655746C1 (en) * | 2017-08-07 | 2018-05-29 | ООО предприятие "КОНТАКТ-1" | Method of level measurement and radio range station with frequency modulation |
| CN110631656A (en) * | 2018-06-21 | 2019-12-31 | 罗斯蒙特储罐雷达股份公司 | Radar level gauge |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP2198323B9 (en) | Time delay estimation | |
| US9645003B2 (en) | Efficient dispersion correction for FMCW-radar in a pipe | |
| US6052080A (en) | Rangefinder | |
| US7982859B2 (en) | Method and device for deriving geodetic distance data | |
| US9310476B2 (en) | Method for detecting a distance, a radar system and a computer program product | |
| JP2007093576A (en) | Distance measuring device and method | |
| RU2553272C1 (en) | Method of measuring range and radial velocity in radar station with probing composite pseudorandom chirp pulse | |
| RU2410650C2 (en) | Method to measure level of material in reservoir | |
| RU2244268C2 (en) | Method of measuring level of material in reservoir | |
| RU2423723C1 (en) | Method of measuring distance using radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions) | |
| RU2431155C1 (en) | Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves | |
| RU2399888C1 (en) | Method of measuring level of material in reservoir | |
| RU59262U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE PLACE OF DAMAGE TO ELECTRIC TRANSMISSION LINES AND COMMUNICATIONS | |
| RU2434242C1 (en) | Method of measuring distance and radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions) | |
| RU2296432C1 (en) | Method for autocorrelation receipt of noise-like signals | |
| RU2152595C1 (en) | Contact-free pulse-phase method of measurement of level of separation of heterogeneous liquids and of relative change of level with increased accuracy | |
| RU2654215C1 (en) | Method of measuring distance by range finder with frequency modulation | |
| RU2330298C2 (en) | Method for detection of damage point in power transmission and communication lines and device for its implementation | |
| RU2661488C1 (en) | Method of the distance measurement | |
| RU2234688C1 (en) | Method for measuring electrophysical parameters of probed material and distance to it (variants), device for realization of said method and method for calibrating said device | |
| RU2446407C1 (en) | Method to detect area of power transmission and communication lines damage and device for its realisation | |
| EP0965053B1 (en) | Method and device for determining distances | |
| RU2360265C1 (en) | Method of radar detection of mobile targets with phase selection on range and device to this end | |
| RU2032915C1 (en) | Method of range measurement | |
| RU2723437C1 (en) | Method for detection and high-accuracy determination of parameters of sea ice fields and radar system for its implementation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050305 |