SE456538B - Sett och anordning for nivametning med mikrovagor - Google Patents

Description

456 558 varvid endast pulsernas inbördes ordning är av betydelse. Vid kvot- bildningen användes en viktfaktor, vilken varierar under nxätinter- vallet. Viktfaktorn innebär att kvoten mellan mät- och referenssígna- len bestäms med minsta kvadraünetoden, vilket ger god noggrannhet i beräkningen redan efter ett mätintervall.

Denna metod lämpar sig dock inte om man för nivårnätningen vill använda ett nedåt genom en tank gående rör, vilket är nödvändigt i vissa lag- ringsanläggningar, exempelvis i stora cisterner med s.k. flytande tak.

Den nännda mätmetoden bygger nämligen på att mikrovågornas utbrednings- hastighet är konstant. Detta gäller emellertid inte i ett rör, där ut- bredningshastigheten varierar med frekvensen. Vid en mätning med den ovarmäymda netoden blir därför det erhållna värdet på avståndet för stort och för att korrigera värdet måste man veta rörets diameter. Denna är i praktiken svår att mäta upp med tillräcklig noggrannhet, eftersom röret kan bestå av ihopsvetsade rörstycken med något olika rördiameter eller det kan ha invändiga oljeskikt, som ger en viss skenbar ändring av diametern. Ändamålet med föreliggande uppfinning är följaktligen att åstadkomma ett sätt för nivâmätning med mikrovågor, vilket sätt ger mycket god mätnog- grannhet även vid mätning i rör. Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkonma en anordning för genomförande av sättet. Ändamålet upp- nås därigenom att sättet och anordningen enligt föreliggande uppfinning uppvisar de i bifogade patentkrav angivna kännetecknen.

Enligt föreliggande uppfinning signalbehandlas referenssignalen på så sätt att det bildas en styrsignal vars frekvens blir proportionell mot förhållandet mellan ett ansatt värde för det sökta avståndet till ytan (nivån i tanken) och den kända sträckans längd, dvs frekvensen blir ungefär lika med den förväntade mätfrekvensen. Styrsignalen blandas med mätsignalen på så sätt att två 900 fasförskjutna, lågfrekventa svävningar erhålles. Svävningarnas frekvens är skillnadsfrekvensen mellan styrsignal och mätsignal och är således ettnåttpá hur bra det antagna förhållandet mellan avståndet (tanknivån) och den kända sträckans längd är. Svävningar- na A/D-omvandlas och används för beräkning av fasändringen mellan styr- signalen och mätsignalen under ett mätintervall(svep). Ur fasändringen kan 456 538 slutligen en korrektionsterm till den ansatta nivån beräknas, varige- nom det sökta avståndet erhålles.

Fördelen med denna signalbehandling är att man vid mätning i rör kan bestämma den distor$ion, som härrör från rörets diameter, och auto- matiskt korrigera det uppmätta värdet, så att rörets inverkan pà mät- värdet elimineras. En annan fördel ned uppfinningen är att anordningen för genomförande av sättet är relativt billig.

Föreliggande uppfinning kcnner nu att beskrivas närmare ned hänvisning till den bifogade ritningen, som visar ett blockschema för en föredragen utföringsform av anordningen enligt uppfinningen.

På ritningen betecknar 1 generellt en givarenhet som på känt sätt kan innefatta en svepgenerator 2, vilken är kopplad till en mikrovàgsoscil- lator 3, vars utgång är ansluten dels till en första blandare 4, dels till en andra blandare S. Den första blandaren är förbunden med en an- tenn 6, som är anbringad i övre delen av en (icke visad) behållare för förvaring av ett flytande eller fast material. Antennen är riktad ver- tikalt nedåt så att den bestràlar den materialyta 7, i behållaren X till vilken avståndet H skall bestännas. Blandaren 4 är också via en förstärkare 8 förbunden med en utgång 9 från givarenheten 1.

Mikrovågsoscillatorn 3 alstrar med hjälp av svepgeneratorn 2 ett väsent- ligen linjärt enstaka eller periodískt frekvenssvep kring en bärfrekvens, som exempelvis kan vara 10 GHz. Beskrivningen avser i fortsättningen förhållandena under ett enda svep om ej annat anges. Den så modulerade mikrovågssignalen sänds ut av antennen 6 och reflekteras i ytan 7 till- baka till antennen, varefter den blandas i blandaren 4 med den för ögon- blicket av oscillatorn 3 avgivna signalen. Härvid alstras en mätsignal med en frekvens fm, som är proportionell mot avståndet H till material- ytan 7. Proportionalitetskonstanten kan typiskt vara av storleks- ordningen 100 Hz/m. Mätsígnalen förstärks därefter av förstärkaren 8 innan den sänds vidare till en signalbehandlingsenhet som generellt betecknas med 10.

För att kompensera för olineariteter i mikrovàgsoscillatorn och varia- tioner i svephastigheten avges utsignalen från mikrovågsoscillatorn 3 456 538 4 även till en såsom fördröjningsanordning arbetande referenskabel 11, som är ansluten till den andra blandaren 5. Kabeln som skall representera en noggrant känd sträcka L bör göras så lång som möjligt under hänsyns- tagande till att dämpningen inte får bli för stor. På sæufia sätt som sker med den del av mikrovàgssignalen som utsändes av antennen 6 re- flekterar referenskabeln tillbaka den del av signalen, som matas via blandaren S, och med den fördröjning som här svarar mot gángtiden i kabeln blandas alltså denna signaldel i blandaren 5 med den just utsända mikrovágssignalen från oscillatorn 3. Man erhåller härvid en blandníngs- produkt vars frekvens fr, nedan benämnd referensfrekvens, motsvarar den kända sträckan dvs referenskabelns längd L. Blandningsprodukten som benämnes referenssignal, förstärkes i en förstärkare 12 och matas där- efter via en andra utgång 13 från givarenheten till signalbehandlings- enheten 10.

Signalbehandlingsenheten 10, vilken fysiskt kan vara belägen pá annan plats än givarenheten 1,varvid skärmade ledningar bör användas för enheternas hopkoppling,ínnefattar i det visade utföríngsexemplet ett smalbandigt filter 14, vilket via en fasvridare 15 med t.ex. 2x120° fasvridning och ett komparatornät med tillhörande pulsformare 16 är anslutet till ett multiplikatororgan 17. Detta styres från en beräk- ningsenhet 18, vilken exempelvis kan innefatta en mikrodator, och dess utgång är förbunden med en räknare 19, vilken är kopplad till ett minne 20 i vilket sinus- och cosinusvärden är lagrade. Minnet har två utgångar, vilka är anslutna till var sitt blandníngsorgan, som i denna utföringsform utgörs av D/Aromvandlare 21, 22. Omvandlarna, vilkasingàngar förspänningsreferensnottarnätsignalenfránutgàngen9 págivarenheten1, ingår i två identiska grenar,sunär kopplade tillberäkningsenheten18.I vardera grenen ingår förutom D/A-omvandlarna ett làgpassfilter 23 resp. 24 och en A/D-omvandlare 25 resp. 26. A/D-omvandlarna mottar på sina klockingångar samplingspulser, som via en divisionskrets 27 tas fràn puls- formarens 16 utgång.

Referenssignalen med frekvensen fr som mottas av signalbehandlingsen- heten 10 från givareutgàngen13, passerar det smalbandíga filtret 14, som filtrerar bort störningar och övertoner. Med hjälp av fasvrídarna15, komparatornätet och pulsformaren 16 omvandlas referenssignalen till ett pulståg, referenspulser, vars Frekvens är A gånger högre an den in- kommande referens- 456 538 signalens frekvens fr. Om fasvridaren 13 är på 2x120° kan talet A ha värdet 12. Denna frekvensökning, som motsvarar en skenbar ökning av referenskabelns 11 längd, kan naturligtvis utföras på många sätt, men det är viktigt att inga fördröjningar eller distorsioner införes. Referens- pulserna matas till multiplikatororganet 17, vilket för varje puls i puls- tåget avger Q stycken pulser. Talet Q är ett heltal vilket bestäms i be~ räkningsenheten 18 med ledning av tidigare mätresultat, så att frekvensen på utsignalen från minnet 20 motsvarar den antagna mätfrekvensen. Det från multiplikatororganet 17 avgivna pulståget, vilket således har frekvensen frkx A x Q, passerar räknaren 19, vilken avger en binär utsignal som bildar __adress till minnet 20. I minnet finns såsom tidigare nämnts en tabell med värden för sinus och cosinus för en mängd vinklar, exempelvis 256 st per period.

Funktionen hos minnet 20 är sådan att när det adresseras avges varje gäng ett binärt tal, som motsvarar tabellens sinusvärde för motsvarande adress, på dess enautgång t.ex. utgången till blandningsorganet 21, och ett binärt tal, som motsvarar tabellens cosinusvärde, på dess andra utgång t.ex. till blandningsorganet 22.Dessa båda styrsignalers frekvens är neddelad med en tvåpotens Z i förhållande till utsignalen från multiplikatororganet 17.

Styrsignalerna multipliceras i D/A-omvandlarna med den från givarutgàngen 9 kommande analoga mätsignalen som har frekvensen fm, varvid mätsignalen utgör spänningsreferens vid multiplikationen varefter sker en lågpassfiltrering i filtren 23 och 24. De lågpassfíluærade signalernas frekvens utgör skill- nadsfrekvensen mellan styrfrekvensen Aüfr/Z och den verkliga mätfrek- vensen Fm eller uttryckt med andra ord sinus resp cosinus för fassvin- keln á mellan styrsignalen från minnet 20 och mätsignalen. Om avståndet H i behållaren ändras långsamt kan Q provas ut till det heltal som närmast motsvarar mätfrekvensen och då blir fasändringen under ett helt svep bara en bråkdel av ett varv. Denna fasändring kan beräknas och användas för korrektion av det ansatta avstàndvärdet. Beräkningen av fasändringen under ett svep görs i beräkningsenheten 18 och för detta ändamål digitalomvand- las de lågpassfiltreuade signalerna i A/D-omvandlarna 25 och 26. Omvand- larna klockas med samplingspulser, som bildas av_referenspulserna fràn pulsformaren 16 genom att deras frekvens divideras ned med en konstant K i divisionskretsen 27. 456 538 För att noggrannheten skall bli så stor som möjligt är det väsentligt att beräkningen av fasändringen utföres under ett helt antal perioder av referensfrekvensen fr och att samplingspulserna inte är bundna till samma del av referenssignalens perioder. Av detta skäl bör K vara ett primtal och totala antalet referenspulser under ett svep bör vara så stort att talet i fråga är delbart med K.

Eftersom signalerna, som skall utvärderas, varierar tämligen långsamt över ett svep behöver antalet samplingspulser inte vara så stort.

Hastigheten på svepet och beräkningsenhetens snabbhet är därför inte kri- tiska.

Det bör också nämnas att man skulle kunna tänka sig en anordning med antingen enbart sinusgrenen eller enbart cosinusgrenen. Det är emeller- tid i så fall nödvändigt att ordna så att referenssignalens frekvens aldrig kan bli lika med mätsignalens eller att man kan skilja det fall då de båda signalernas frekvens är lika från det fall då man inte har någon signal.

Istället för att göra beräkningarna enligt ovan i blocken 17, 19, 20 och 27 kan sama funktioner implementeras i en mikroprocessor av konventio- nellt slag.

Hur beräkningen av nivàhöjden i tanken dvs avståndet H sker skall nu beskrivas, varvid antages att det under den effektiva delen av ett svep finns M st referenspulser i pulstâget från pulsformaren 16, dvs M/A referensperíoder, och att det på samma tid erhålles N st samplings- pulser, där N = NVR.

För varje svep göres med ledning av tidigare mätvärden en ansats h för avståndet H. Med utgångspunkt från denna ansats h bestämmes Q till: _h-z Q'LA.LJ där Z är kvoten mellan pulsfrekvensen före räknaren 19 och frekvensen hos styrsignalen ut ur minnet 20, A_är den faktor som réferenssignalens frekvens multipliceras med i kretsarna 15 och 16, och L är referenskabelns 11 längd. Pulståget, dvs referenspulserna, som efter pulsformaren 16 s» 456 538 alltså har frekvensen A x fr, frekvensmultipliceras med Q och frekvensdivideras med Z. Det betyder att utsignalen från minnet 20 har frekvensen (h/L)Xfr, dvs är lika med den förväntade frekvensen på mätsignalen. Vid multiplikationen i D/A-omvandlarna 21, 22 och fíltreríngen i lágpassfiltren 23, 24 erhålles två sinsemellan 900 fasförskjutna, lågfrekventa signaler, som betecknas Sn och Cn i sinus- respektíve cosinusgrenen. Ur dessa signaler beräknas fasändríngen A ø mellan mätsignalen och styrsignalen från minnet 20 under ett svep, genom att fasändringen Å ø mellan varje samplingspuls bestämmes.

A ø mellan samplingspuls n-1 och samplingspuls n fås definitionsmässigt SOITIZ A øn = øn - øn_1 = arctan S A ø blir vanligen så liten att "arctan" kan linjäriseras utan förlust av noggrannheten. Den totala fasändringen F ges därefter av: v N F=íf=øn n 1 F används för att korrigera Q och för att beräkna en korrektionsterm D till det ansatta avståndsvärdet h. Vid sunneringen av A øn kan man multiplicera A øn med viktfaktorer för att uppnå sanna fördelar som anges i det ovan nämnda US 4 044 355. Det beräknade avståndet H ges slutligen av: 3 Z 2 W Denna ekvation gäller i det fall då utbredningshastigheten är konstant och fasvinkeln ø mellan styrsignalen och mätsignalen således ökar linjärt. I rör är emellertid utbredníngshastigheten inte konstant och följaktligen kcnner fasen ø inte att variera linjärt med frekvensen. ø ges av: _ 456 538 där k är vågtalet, kc är vågtalet vid "cut-off" och D är höjdkorrek- tionen. I detta fall antar man att utbredningssträckan för mikrovågs- siganlen består av ett rör, som har sådan diameter att kc är lika med 3,68/díarnetern. Kvoten gäller om rörets grundmod används.

Rörets diameter är, såsom tidigare har nämnts, i praktiken svär att bestämma med tillräcklig noggrannhet och därmed kan inte heller kc och ø bestämmas särskilt exakt. Om man deriverar ø kan man ernellertíd eliminera kc ur ekvationen för D. Första- och andraderivatan av ø med avseende på k blir: = 2 k D øÜ kz - kcz -zn k Ze øl' = (kz _ kcz) 1,5 vilket efter eliminering av kc ger øl 2 V ï-(KKWVW) I det linjära fallet, dvs då utbredningshastigheten är konstant och ø D: ökar linjärt med frekvensen (vågtalet) blir gó' = konstant och ø" = 0.

Rotuttrycket i den sista ekvationen blir då 1 och D = ø '/2 . Man kan således bestämma ø' ur andra termen i ekvationen för H ovan. Ändringen av k är under det effektiva svepet /fïbd/AL och under ett samplígsíntervall 41” M/âIbKbvilket betyder att yó" kan beräknas som ø" =f< (MN- øø1>(¶)- Naturligtvis kan man beräkna ett ännu noggrannare värde pá få” genom att utnyttja samtliga 11 ø för en noggrannare kurvanpassning.

Claims (1)

456 538 Patentkrav

1. Sätt att mäta avståndet till en yta hos ett fast eller flytande material, innefattande att en mikrovågssignal, vars frekvens varierar företrädesvis linjärt under ett mätintervall, sändes ut dels mot ytan, från vilken sig- nalen reflekteras och efter den mot avståndet svarande gångtiden mottages och blandas med den signal som för ögonblicket utsändes, så att en mät- signal med en mot avståndet svarande frekvens (fm) erhålles, dels så att signalen mottages med en mot en känd sträcka (L) svarande fördröjning och ' på analogt sätt omvandlas till en referenssignal med en mot den kända sträckan svarande referensfrekvens (fr), och att mätfrekvensen (fm) rela- teras till referensfrekvensen (fr) så att beräkningen av avståndet kommer att grunda sig på den kända sträckan, k ä n n e t e c k n a t av åt- gärderna att frekvensmultiplicera referenssignalen med ett tal (Q) vilket är proportionellt mot kvoten mellan en ansats för avståndet (H) och den kända sträckan (L), varefter frekvensen divideras med ett fast tal (Z) så att det bildas en styrsignal vars frekvens blir en approximation av den förväntade mätfrekvensen; att blanda styrsignalen med mätsígnalen; att under ett mätintervall beräkna ändringen i fasskillnad mellan mät- signalen och styrsignalen; och att med hjälp av fasändringen beräkna en korrektíonsterm, som lagd till det ansatta avståndsvärdet ger det sökta avståndet (H). Sätt enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att den blandade styr/mätsignalen samples, att fasändringen under varje samp- lingsintervall beräknas och att ett viktat medelvärde av fasändringarna användes vid beräkningen av korrektionstermen. Sätt enligt något av föregående patentkrav, k än n e z e c k n a t därav, att referenssignalen efter multiplikationen bringas att styra bildningen av adresser till ett minne (20), i vilket värden för sínus och cosinus lagrats och från vilket en mycket ren, sinus-ormad signal avges. Sätt enligt något av föregående patentkrav, K ä n n e e c k n a t A' 'Q + 'F Z 2'TM den kända sträckan, Q det valbara talet, F totala fasändringen under I II' ir , där L är därav, att det sökta avståndet fås som H = 456 538 i 10 mätintervallet, M antalet referenspulser under mätintervallet samt A och Z konstanter. Sätt enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att fasändringens variation över mätintervallet beräknas ur fasändringarna och används för beräkningen av korrektionstermer då mätningen sker under förhållanden,där den mot ytan utsända mikrovågs- sígnalens utbredningshastighet inte är konstant på grund av att frekven- sen varierar. Sätt enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att mätningarna göres över ett helt antal perioder av referenssignalen och ett helt antal samplingsintervall. Sätt enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att kvoten mellan antalet referenspulser och antalet samp- lingsintervall är ett prímtal. Anordning för mätning av avståndet till en yta, innefattande en mikro- vågsgenerator (2, 3) för alstring av en mikrovågssígnal vars frekvens varierar företrädesvis linjärt under ett mätíntervall, en antenn (6) för utsändning av mikrovågssígnalen mot den yta (7), till vilken avståndet skall mätas, och för mottagning av den i ytan reflekterade mikrovågs- signalen, en till antennen (6) och mikrovågsgeneratorn (2, 3) ansluten första blandare (4), vilken är anordnad att blanda den reflekterade signalen med den utsända signalen för alstring av en mätsignal med en mot avståndet till ytan svarande frekvens, en till mikrovågsgeneratorn (2, 3) ansluten fördröjningsledning (11). vilken har en noggrant bestämd längd (L), en till fördröjningsledningen (11) och mikrovågsgeneratorn (2, 3) ansluten andra blandare (5), vilken är anordnad att alstra en referenssignal med en mot den nämnda längden (L) svarande frekvens (fr), och organ (10) för signalbehandling, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda organ innefattar ett multiplikatororgan (17), vilket är anordnat att multiplicera referenssignalens frekvens (fr) med ett tal (Q) som representerar ett ansatt värde på avståndet (H); en räknare (19) anordnad att dividera frekvensen (Qfr) efter multiplikatororganet med ett fast tal (Z); blandningsorgan (21, 22) för att blanda den sålunda 456 538 11 multiplicerade och dívíderade referenssignalen med mätsignalen; en med nämnda blandníngsorgan (21,22) och multiplikatororgan (17) operativt förbunden beräkningsenhet (18), vilken är anordnad att beräkna ändringen i Fasskillnad mellan den multiplicerade referens- signalen och mätsignalen under ett mätintervall och att med ledning av denna beräkna en korrektíonsterm som lagd till det ansatta avståndsvärdet ger det sökta avståndet (H). Anordning enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a d av en mellan multiplikatororganet (17) och nämnda blandníngsorgan (21, 22) inkopplad signalbehandlíngskrets (19,20), vilken innefattar en räknare (19) vilken är kopplad till adressingàngarna på ett minne (20), i vilket värden för sinus och cosinus finns lagrade.