RU2601283C2 - Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir - Google Patents
Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir Download PDFInfo
- Publication number
- RU2601283C2 RU2601283C2 RU2014138374/28A RU2014138374A RU2601283C2 RU 2601283 C2 RU2601283 C2 RU 2601283C2 RU 2014138374/28 A RU2014138374/28 A RU 2014138374/28A RU 2014138374 A RU2014138374 A RU 2014138374A RU 2601283 C2 RU2601283 C2 RU 2601283C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- electromagnetic waves
- reservoir
- level
- measuring
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
- G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
- G01F23/22—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water
- G01F23/28—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm by measuring physical variables, other than linear dimensions, pressure or weight, dependent on the level to be measured, e.g. by difference of heat transfer of steam or water by measuring the variations of parameters of electromagnetic or acoustic waves applied directly to the liquid or fluent solid material
- G01F23/284—Electromagnetic waves
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости, находящейся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов, охлаждающей жидкости в ядерных реакторах и др.The invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision determination of the level of a liquid in a container. In particular, it can be used to measure the level of oil products, liquefied gases, coolant in nuclear reactors, etc.
Известны радиоволновые способы измерения, которые используют для бесконтактного измерения уровня жидких сред в емкостях для хранения нефтепродуктов, химически активных, агрессивных и вязких жидкостей (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989, 208 с.). При этом реализуемые на основе этих способов уровнемеры должны обеспечивать достаточно высокую одинаковую точность (до 2 мм) в диапазоне измерения от 0,3 до 20 метров и при этом быть надежными, удобными в эксплуатации и недорогими устройствами. В задачах, связанных с радиоволновым бесконтактным измерением уровня жидкостей, применяются способы с частотной модуляцией электромагнитных колебаний.Known radio wave measurement methods that are used for non-contact level measurement of liquid media in containers for storing petroleum products, chemically active, aggressive and viscous liquids (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of process parameters. M .: Energoatomizdat, 1989, 208 p.). At the same time, the level gauges implemented on the basis of these methods should provide a sufficiently high identical accuracy (up to 2 mm) in the measuring range from 0.3 to 20 meters and at the same time be reliable, convenient in operation, and inexpensive devices. In problems associated with non-contact radio wave level measurement of liquids, methods with frequency modulation of electromagnetic waves are used.
Реализацию способа рассмотрим на примере бесконтактного радиоволнового уровнемера, использующего в работе линейную частотную модуляцию несущей волны (ЛЧМ). Эти частотно-модулированные электромагнитные волны излучаются в сторону поверхности жидкости по нормали к ней. Временное запаздывание отраженной от контролируемой поверхности волны относительно падающей приводит к сдвигу частоты между излученными и отраженными волнами. Этот сигнал разностной частоты (СРЧ) выделяется на специальном элементе - смесителе, входящем в состав измерительного устройства. В этом случае частота отраженного от поверхности контролируемой среды сигнала отличается от частоты зондирующего сигнала на величину частоты сигнала СРЧ: fp=2ΔfML/cTM, где L - расстояние до поверхности контролируемой среды, ΔfM - максимальный диапазон перестройки частоты, TM - период линейной модуляции, с - скорость света. Из этой формулы следуетWe will consider the implementation of the method using an example of a non-contact radio wave level meter that uses linear frequency modulation of a carrier wave (LFM) in its work. These frequency-modulated electromagnetic waves are radiated toward the surface of the liquid normal to it. The temporary delay of the wave reflected from the controlled surface relative to the incident wave leads to a frequency shift between the emitted and reflected waves. This differential frequency signal (RMS) is allocated on a special element - a mixer, which is part of the measuring device. In this case, the frequency of the signal reflected from the surface of the controlled medium differs from the frequency of the probing signal by the value of the frequency of the RF system signal: f p = 2Δf M L / cT M , where L is the distance to the surface of the controlled medium, Δf M is the maximum frequency tuning range, T M - period of linear modulation, s - speed of light. From this formula follows
Как и у всех частотных дальномеров, здесь имеется методическая дискретная ошибка определения дальности δ, обусловленная конечным числом периодов сигнала разностной частоты за время периода модуляции, которое может отличаться от целого:Like all frequency rangefinders, there is a methodological discrete error in determining the range δ, due to a finite number of periods of the signal of the difference frequency during the modulation period, which may differ from the whole:
Наличие этой ошибки определяется способом измерения частоты, который основан на подсчете числа нулей сигнала за определенное время. Так как при незначительном изменении расстояния меняется фаза, а следовательно, и форма сигнала на выходе смесителя, то результат подсчета меняется дискретно. В связи с этим используются различные технические решения, направленные на уменьшение этой погрешности (Кагаленко Б.И., Марфин В.П., Мещеряков В.П. Дальномер повышенной точности // Измерительная техника. 1981, №12. С. 68-69.).The presence of this error is determined by the frequency measurement method, which is based on counting the number of signal zeros for a certain time. Since, with a slight change in the distance, the phase changes, and therefore the waveform at the output of the mixer, the counting result changes discretely. In this regard, various technical solutions are used to reduce this error (Kagalenko B.I., Marfin V.P., Meshcheryakov V.P. Rangefinder of increased accuracy // Measuring equipment. 1981, No. 12. P. 68-69 .).
Известно также техническое решение - измерение расстояния по максимальному или средневзвешенному значению спектра сигнала разностной частоты в методе с использованием частотной модуляции, которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому способу и принятое в качестве прототипа (Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Сов. Радио, 1970, 560 с.). Данный способ-прототип заключается в зондировании поверхности жидкости по нормали к ней частотно-модулированными электромагнитными волнами, приеме отраженных электромагнитных волн, выделении сигнала СРЧ на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами и вычислении расстояния по разностной частоте сигнала СРЧ, определяемой по максимальному значению его частотного спектра.A technical solution is also known - measuring the distance by the maximum or weighted average value of the spectrum of the differential frequency signal in a method using frequency modulation, which is the closest to the proposed method in technical essence and adopted as a prototype (Theoretical fundamentals of radar / Ed. By Y.D. Shirman . - M .: Sov. Radio, 1970, 560 p.). This prototype method consists in sensing the surface of the liquid normal to it with frequency-modulated electromagnetic waves, receiving the reflected electromagnetic waves, extracting the RF signal at the mixer output between the incident and reflected electromagnetic waves, and calculating the distance from the difference frequency of the RF signal, determined by its maximum value frequency spectrum.
Однако при этом методическая дискретная ошибка (2) сохраняется, поскольку спектральный анализ основан на разложении сигнала по целому числу гармоник, в то время как реальный максимум при измерении расстояния может располагаться и между гармониками. Чтобы измерить частоту СРЧ на минимальном расстоянии 0.3 м надо иметь такую ΔfM, чтобы можно было наблюдать хотя бы один период сигнала СРЧ. Тогда это будет первая гармоника в спектре СРЧ. Из формулы (1) следует, что ΔfM в этом случае равна 500 МГц, а ошибка δ равна 0.15 м при диапазоне измерения свыше 0.3 м. Поэтому, чтобы обеспечить приемлемую точность, приходится увеличивать ΔfM; обычно эта величина для промышленных уровнемеров составляет 1÷2 ГГц, что соответствует δ=7,5÷3,75 см. Дальнейшее увеличение точности достигается путем использования сглаживающих процедур (Езерский В.В., Давыдочкин В.М. Оптимизация спектральной обработки сигнала прецизионного датчика расстояния на основе частотного дальномера // Измерительная техника. 2005, №2. С. 21-25). Однако использование больших значений ΔfM приводит к увеличению дополнительных погрешностей из-за паразитной частотной модуляции от влияния дополнительных элементов в емкостях и стенок, от неравномерности амплитудно-частотной характеристики трактов, нелинейности модуляции задающего генератора и т.п. Все это вкупе с увеличением стоимости широкополосного устройства приводит к снижению функциональных характеристик уровнемера.However, in this case, the methodological discrete error (2) is retained, since the spectral analysis is based on the decomposition of the signal over an integer number of harmonics, while the real maximum when measuring the distance can also be located between harmonics. In order to measure the frequency of the RMS at a minimum distance of 0.3 m, it is necessary to have Δf M such that at least one period of the RMS signal can be observed. Then it will be the first harmonic in the RMS spectrum. From (1) it follows that Δf M in this case is 500 MHz, and the error δ is 0.15 m at a measuring range above 0.3 m Therefore, to ensure acceptable accuracy, it is necessary to increase Δf M.; usually this value for industrial level gauges is 1 ÷ 2 GHz, which corresponds to δ = 7.5 ÷ 3.75 cm. A further increase in accuracy is achieved by using smoothing procedures (Ezersky V.V., Davydochkin V.M. Optimization of the spectral processing of a precision signal distance sensor based on a frequency range finder // Measuring equipment. 2005, No. 2, P. 21-25). However, the use of large values of Δf M leads to an increase of additional errors because of the chirp from the influence of other elements in the containers and the walls of uneven frequency response paths nonlinearity of oscillator modulation, etc. All this, together with an increase in the cost of a broadband device, leads to a decrease in the functional characteristics of the level gauge.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.The technical result of the present invention is to improve the accuracy of measurement.
Технический результат в предлагаемом способе измерения уровня жидкости в емкости достигается тем, что в сторону поверхности жидкости по нормали к ней излучают частотно-модулированные по линейному закону электромагнитные волны, принимают отраженные электромагнитные волны, затем выделяют сигнал разностной частоты на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами, сохраняют эти данные в виде массива выборок за время периода модуляции, аппроксимируют полученные данные синусоидой путем подбора амплитуды, частоты и фазы до максимального совпадения с полученными данными, по частоте полученной синусоиды судят об уровне жидкости в емкости.The technical result in the proposed method for measuring the liquid level in the tank is achieved by the fact that electromagnetic waves are frequency-modulated linearly to the surface of the liquid along the normal surface of the liquid, receive reflected electromagnetic waves, then a difference frequency signal is emitted at the mixer output between incident and reflected electromagnetic waves waves, save this data in the form of an array of samples during the modulation period, approximate the data by a sine wave by selecting the amplitude, often You and phase to a maximum coincidence with the received data obtained by frequency sinusoid judging the liquid level in the vessel.
На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа. На фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие действие способа.In FIG. 1 shows a structural diagram of a device for implementing the method. In FIG. 2 is a timing diagram explaining the operation of the method.
На фиг. 1 показаны модулятор 1, генератор 2, направленный ответвитель 3, передающая антенна 4, приемная антенна 5, смеситель 6, вычислительное устройство 7.In FIG. 1 shows a
Способ реализуется следующим образом. Генератор линейно-изменяющегося напряжения 1 модулирует частоту генератора СВЧ 2, с выхода которого электромагнитные колебания проходят через направленный ответвитель 3 на антенну 4 и излучается в сторону контролируемой поверхности 8. Отраженная электромагнитная волна принимается антенной 5 и поступает на смеситель 6, куда также поступает часть мощности падающей волны от направленного ответвителя 3. На выходе смесителя 6 формируется сигнал разностной частоты, который поступает в вычислительное устройство 7, где происходит его запись в массив данных за период частотной модуляции и определение разностной частоты сигнала при помощи аппроксимации записанных данных синусоидой подбором ее амплитуды, частоты и фазы до максимального совпадения. По найденной частоте определяют расстояние L до контролируемой поверхности 8, по которому судят об уровне жидкости в емкости.The method is implemented as follows. The
На фиг. 2а, б, в приведены графики смоделированного сигнала СРЧ с ΔfM=150 МГц при наличии шумовой составляющей (точки) и результаты аппроксимации синусоидами (сплошная линия) при расстояниях 0.3, 1.5 и 8.5 м при 256 выборках за период линейной модуляции -1 с. Аппроксимирующая синусоида представлена в виде формулы:In FIG. Figures 2a, 2b and c show the simulated frequency response signal with Δf M = 150 MHz in the presence of a noise component (dots) and the approximation results by sinusoids (solid line) at distances of 0.3, 1.5, and 8.5 m at 256 samples for a linear modulation period of -1 s. The approximating sinusoid is presented in the form of the formula:
S=a1*sin(b1x+c1),S = a 1 * sin (b1x + c1),
где а1 - амплитуда, b1 - частота, c1 - фаза, х - индекс массива выборок из 256 точек.where a 1 is the amplitude, b1 is the frequency, c1 is the phase, x is the index of the array of samples of 256 points.
При указанных данных согласно формуле (1) расстояние до контролируемой среды в метрах численно равно частоте СРЧ в герцах. Частоту сигнала СРЧ определяем из соотношения:With the indicated data, according to formula (1), the distance to the controlled medium in meters is numerically equal to the frequency of the RMS in hertz. The frequency of the RF signal is determined from the relation:
fp=b1N/2πTM,f p = b1N / 2πT M ,
а расстояние - по формуле (1). По результатам оптимизационной процедуры имеем для этих примеров соответственно:and the distance is according to the formula (1). According to the results of the optimization procedure, we have for these examples, respectively:
а) для расстояния 0.3 м - а1=1.048, b1=0.007128, c1=0.8092, при коэффициенте совпадения R=0.09633 или fp=0.29 Гц, ошибка равна 10 мм;a) for a distance of 0.3 m -
б) для расстояния 1.5 м - а1=1.013, b1=0.03677, c1=0.7376, при R=0.9936 или fp=1.4981 Гц, ошибка равна 1,9 мм;b) for a distance of 1.5 m -
в) для расстояния 8.5 м - а1=1.003, b1=0.2086, c1=0.5689, при R=0.9967 или fp=8.4991 Гц, ошибка равна 0.9 мм.c) for a distance of 8.5 m -
Приведенные примеры наглядно демонстрируют преимущество предлагаемого способа. При указанной ΔfM=150 МГц, согласно формуле (2), дискретная ошибка δ=0.5 м. При этом узкая полоса частот обеспечивает снижение стоимости устройства, уменьшает влияние паразитной модуляции, нелинейности модуляции генератора и его стабильности.The above examples clearly demonstrate the advantage of the proposed method. At the indicated Δf M = 150 MHz, according to formula (2), the discrete error is δ = 0.5 m. In this case, a narrow frequency band provides a reduction in the cost of the device, reduces the influence of spurious modulation, non-linear modulation of the generator and its stability.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014138374/28A RU2601283C2 (en) | 2014-09-23 | 2014-09-23 | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014138374/28A RU2601283C2 (en) | 2014-09-23 | 2014-09-23 | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014138374A RU2014138374A (en) | 2016-04-10 |
RU2601283C2 true RU2601283C2 (en) | 2016-10-27 |
Family
ID=55647601
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014138374/28A RU2601283C2 (en) | 2014-09-23 | 2014-09-23 | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2601283C2 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2125245C1 (en) * | 1997-06-30 | 1999-01-20 | Совлуков Александр Сергеевич | Method of determination of substance level in reservoir |
US6806824B2 (en) * | 2001-12-28 | 2004-10-19 | Vega Grieshaber Kg | Apparatus and method for measuring the distance to an object |
RU2434242C1 (en) * | 2010-04-09 | 2011-11-20 | ООО предприятие "КОНТАКТ-1" | Method of measuring distance and radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions) |
RU2504740C1 (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method of measurement of fluid level in container |
US8730093B2 (en) * | 2011-09-27 | 2014-05-20 | Rosemount Tank Radar Ab | MFPW radar level gauging with distance approximation |
-
2014
- 2014-09-23 RU RU2014138374/28A patent/RU2601283C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2125245C1 (en) * | 1997-06-30 | 1999-01-20 | Совлуков Александр Сергеевич | Method of determination of substance level in reservoir |
US6806824B2 (en) * | 2001-12-28 | 2004-10-19 | Vega Grieshaber Kg | Apparatus and method for measuring the distance to an object |
RU2434242C1 (en) * | 2010-04-09 | 2011-11-20 | ООО предприятие "КОНТАКТ-1" | Method of measuring distance and radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions) |
US8730093B2 (en) * | 2011-09-27 | 2014-05-20 | Rosemount Tank Radar Ab | MFPW radar level gauging with distance approximation |
RU2504740C1 (en) * | 2012-06-08 | 2014-01-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук | Method of measurement of fluid level in container |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014138374A (en) | 2016-04-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP1744176B1 (en) | Distance measuring device, distance measuring method and distance measuring program | |
US8098193B2 (en) | Digitally controlled UWB millimeter wave radar | |
US8730093B2 (en) | MFPW radar level gauging with distance approximation | |
EP3077777B1 (en) | Multi-mode pulsed radar providing automatic transmit pulse signal control | |
CN105607051B (en) | Method for measuring distance between FMCW range units and target | |
US9746366B2 (en) | Radar level gauging | |
JP2018081089A (en) | Information extraction device and article detection device | |
US20150032411A1 (en) | Envelope Calculation By Means of Phase Rotation | |
RU2504739C1 (en) | Device for determining fluid level in container | |
RU2650611C1 (en) | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir | |
RU2504740C1 (en) | Method of measurement of fluid level in container | |
RU2601283C2 (en) | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir | |
RU2521729C1 (en) | Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir | |
RU2551260C1 (en) | Non-contact radio-wave measurement method of liquid level in reservoir | |
RU2611333C1 (en) | Contactless radiowave method of measuring liquid level in reservoir | |
RU2431155C1 (en) | Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves | |
RU2649665C1 (en) | Non-contacting radio wave level gauge | |
RU2008143623A (en) | METHOD FOR MEASURING THE MATERIAL LEVEL IN THE RESERVOIR | |
RU2436117C1 (en) | Method of measuring distance from radiator to controlled medium | |
RU2423723C1 (en) | Method of measuring distance using radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions) | |
RU2626386C1 (en) | Method of measuring liquid level and loose medium in capacity | |
RU2575767C1 (en) | Method to measure dielectric permeability of liquid in reservoir | |
RU2658558C1 (en) | Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar | |
RU2654215C1 (en) | Method of measuring distance by range finder with frequency modulation | |
RU2528131C1 (en) | Contactless radiowave device to measure thickness of dielectric materials |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190924 |