RU2626386C1

RU2626386C1 - Method of measuring liquid level and loose medium in capacity

Info

Publication number: RU2626386C1
Application number: RU2016139382A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владиленович Хаблов
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2017-07-26

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: in the direction of the surface of the liquid, electromagnetic waves, frequency-modulated according to a linear law, emit electromagnetic waves, receive reflected electromagnetic waves, then the differential frequency signal at the mixer output between the incident and reflected electromagnetic waves is extracted, they are recorded as an array of samples during the period of modulation, calculating its spectrum S and the frequency of its maximum ƒ_m. Then, at this frequency, the spectrum S is found to the spectrum S_I from the number of N spectra recorded beforehand, at N known levels corresponding to the level L_i, the mutual correlation function between the spectra of S and Si is calculated, the current levelis determined from the frequency of its maximum and the level of L_i.

EFFECT: increase in accuracy in the proposed method for measuring the level of liquid and granular media in the tank.

4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения уровня жидкости и сыпучих сред, находящихся в какой-либо емкости. В частности, оно может быть применено для измерения уровня нефтепродуктов, сжиженных газов, цемента и др.The invention relates to measuring technique and can be used for high-precision determination of the level of liquid and granular media in any container. In particular, it can be used to measure the level of oil products, liquefied gases, cement, etc.

Известны радиоволновые способы измерения, которые используют для бесконтактного измерения уровня жидких сред в емкостях для хранения нефтепродуктов, химически активных, агрессивных вязких жидкостей и сыпучих сред (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 и сыпучих сред, применяются способы с частотной модуляцией электромагнитных колебаний.Known radio wave measurement methods that are used for non-contact measurement of the level of liquid media in containers for storing petroleum products, chemically active, aggressive viscous liquids and granular media (Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of technological parameters processes.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 measurement of the level of liquids and granular media, 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) или сигнал биений 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 биений:

, где L - расстояние до поверхности контролируемой среды или уровень, Δƒ - максимальный диапазон перестройки частоты, Т_m - 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) or the beat signal 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 beat signal:

where L is the distance to the surface of the controlled medium or level, Δƒ is the maximum frequency tuning range, T _m is the linear modulation period, and s is the 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 биений 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 beat signal 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 биений 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, выделение сигнала биений на выходе смесителя между падающими и отраженными электромагнитными волнами и вычисление расстояния по разностной частоте 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 beat signal in a method using frequency modulation, which, by technical essence, is closest to the proposed method and adopted as a prototype (Theoretical Foundations of Radar / Edited by Y.D. Shirman. - M .: Sov. Radio, 1970.560 s.). This prototype method consists in sensing the surface of the liquid normal to it with frequency-modulated electromagnetic waves, receiving the reflected electromagnetic waves, isolating the beat signal at the mixer output between the incident and reflected electromagnetic waves and calculating the distance from the difference frequency of the RMS determined by the maximum value of its 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 Δƒм, чтобы можно было наблюдать хотя бы один период сигнала СРЧ. Тогда это будет первая гармоника в спектре СРЧ. Из формулы (1) следует, что Д/м 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 Δƒм; 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 все равно, использование больших значений Δƒм приводит к увеличению дополнительных погрешностей из-за возрастающего влияния нелинейности частотной характеристики СВЧ блоков схемы измерителя, которое приводит к расширению спектра сигнала биений, и, соответственно, к большей ошибке в определении максимума спектральной плотности. Все это вместе с высокой стоимостью широкополосного устройства с высокой равномерностью частотной характеристики приводит к снижению функциональных параметров уровнемера. Кроме этого дополнительные существенные погрешности приносит наличие паразитных переотражений от технологических объектов, присутствующих в зоне измерения, куда попадают электромагнитные волны из-за наличия у антенны конечной диаграммы направленности (ДН). Это приводит к существенным искажениям спектра СРЧ при некоторых уровнях в результате возникновения дополнительных резонансных условий. При низких уровнях сильное влияние оказывает отражение от дна емкости при частичном проникновении излучения через контролируемую среду. В результате приходится использовать более сложные и дорогие антенные системы или использовать более высокочастотный диапазон электромагнитных волн.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 such Δƒm so that at least one period of the RMS signal can be observed. Then it will be the first harmonic in the RMS spectrum. From formula (1) it follows that D / m in this case is 500 MHz, and the error δ is 0.15 m with a measurement range of more than 0.3 m. Therefore, in order to ensure acceptable accuracy, it is necessary to increase Δƒm; 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, anyway, the use of large values of Δƒm leads to an increase in additional errors due to the increasing influence of the nonlinearity of the frequency response of the microwave blocks of the meter circuit, which leads to an expansion of the spectrum of the beat signal, and, accordingly, to a larger error in determining the maximum spectral density. All this, together with the high cost of a broadband device with high uniformity of frequency response, leads to a decrease in the functional parameters of the level gauge. In addition, additional significant errors are brought by the presence of spurious reflections from technological objects that are present in the measurement zone, where electromagnetic waves fall due to the presence of the antenna's finite radiation pattern. This leads to significant distortion of the RF spectrum at some levels as a result of the appearance of additional resonance conditions. At low levels, a strong influence is exerted by reflection from the bottom of the tank with partial penetration of radiation through the controlled medium. As a result, you have to use more complex and expensive antenna systems or use a higher frequency range of electromagnetic waves.

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 и сыпучих сред 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, записывают эти данные в виде массива выборок за время периода модуляции, вычисляют его спектр S и частоту его максимума ƒ_m. Затем по этой частоте находят ближайший к спектру S спектр S_i, из числа записанных заранее N спектров, при N известных уровнях, соответствующий уровню L_i, вычисляют функцию взаимной корреляции между спектрами S и S_i, по частоте ее максимума и уровню L_i определяют текущий уровень.The technical result in the proposed method for measuring the level of liquid and granular media in a tank is achieved by the fact that electromagnetic waves, frequency-modulated linearly, are emitted to the liquid surface normal to it, receive reflected electromagnetic waves, then a difference frequency signal is emitted at the mixer output between the incident and reflected electromagnetic waves, write this data in the form of an array of samples during the modulation period, calculate its spectrum S and its maximum frequency част _m . Then, at this frequency, find the spectrum S _i closest to the spectrum S, from the number of N spectra recorded in advance, at N known levels, corresponding to the level L _i , calculate the cross-correlation function between the spectra S and S _i , determine the frequency of its maximum and level L _i current level.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для реализации способа.In FIG. 1 shows a structural diagram of a device for implementing the method.

На фиг. 2 показаны временные диаграммы линейно модулированного СВЧ излучения антенны и сигнала, отраженного от поверхности среды и принятого антенной.In FIG. 2 shows time diagrams of a linearly modulated microwave radiation of an antenna and a signal reflected from a surface of a medium and received by an antenna.

На фиг. 3 приведены спектр сигнала биений S и опорные спектры S₁, S₂, …S_i, …S_N, соответствующие уровням L₁, L₂, … L_i, … L_N.In FIG. 3 shows the spectrum of the beat signal S and the reference spectra S ₁ , S ₂ , ... S _i , ... S _N , corresponding to the levels L ₁ , L ₂ , ... L _i , ... L _N.

На Фиг. 4 показан график взаимно-корреляционной функции между спектром S и ближайшим к нему спектром S_i.In FIG. 4 shows a graph of the cross-correlation function between the spectrum of S and the spectrum of S _i closest to it.

Устройство содержит (см. фиг. 1) модулятор 1, генератор 2, направленный ответвитель 3, передающую антенну 4, приемную антенну 5, смеситель 6, блок спектральной обработки сигнала 7, вычислительный блок 8.The device comprises (see Fig. 1) a modulator 1, a generator 2, a directional coupler 3, a transmitting antenna 4, a receiving antenna 5, a mixer 6, a spectral signal processing unit 7, and a computing unit 8.

Способ реализуется следующим образом. Генератор линейно-изменяющегося напряжения ГЛИН 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 9. Отраженная электромагнитная волна принимается антенной 5 и поступает на первый вход смесителя 6, а второй поступает часть мощности падающей волны от дополнительного вывода направленного ответвителя 3. Из-за временной задержки τ=2L/с, на выходе смесителя 6 формируется сигнал разностной частоты ƒ_b (см. Фиг. 2), который поступает на вход блока спектральной обработки сигнала 7. В этом блоке производится запись данных в массив за время периода частотной модуляции, определяемого импульсом, поступающим от ГЛИН 1. Затем в этом блоке вычисляется спектр сигнала, который затем подается на вычислительный блок 8. Вся область измерения уровня разделена на N зон, для каждой из которых заранее записывается спектр сигнала биений. Количество и расположение зон определяется степенью искажения спектра из-за паразитных переотражений таким образом, что каждому уровню соответствует свой калиброванный спектр сигнала биений. При измерении уровня сначала по максимальному значению текущего спектра S определяется ближайший калиброванный S_i, затем вычисляется между ними взаимно-корреляционная функция и находится частотный сдвиг, соответствующий ее максимуму ƒ_m (см. Фиг. 4). Текущий уровень определяется по формуле:The method is implemented as follows. The linearly varying voltage generator GLIN 1 modulates the frequency of the microwave generator 2, from the output of which electromagnetic waves pass through a directional coupler 3 to the antenna 4 and radiate towards the controlled surface 9. The reflected electromagnetic wave is received by the antenna 5 and fed to the first input of the mixer 6, and the second part of the incident wave power comes from the additional output of the directional coupler 3. Due to the time delay τ = 2L / s, a difference frequency signal ƒ _b is generated at the output of the mixer 6 (see Fig. 2), which is input to the block of spectral processing of the signal 7. In this block, data is written to the array during the period of the frequency modulation, determined by the pulse received from GLIN 1. Then, in this block, the spectrum of the signal is calculated, which is then fed to computing unit 8 The entire area of level measurement is divided into N zones, for each of which a beat signal spectrum is recorded in advance. The number and arrangement of zones is determined by the degree of spectrum distortion due to spurious re-reflections in such a way that each level has its own calibrated spectrum of the beat signal. When measuring the level, first the nearest calibrated S _i is determined from the maximum value of the current spectrum S, then the cross-correlation function is calculated between them and the frequency shift corresponding to its maximum ƒ _{m is found} (see Fig. 4). The current level is determined by the formula:

Благодаря подобному подходу, удается избежать ошибок, сязанных с искажениями спектра сигнала биений, возникающими от переотражений от разных технологических объектов, нарушающих строгую конфигурацию емкостей (трубы, патрубки, муфты, узлы крепления и т.д.). Кроме этого, при уровнях, близких ко дну емкости, возникает паразитное переотражение от дна, которое искажает спектр в еще большей степени, вплоть до полной невозможности использования обычного способа измерения. Дополнительным преимуществом способа может быть использование при прочих равных условиях более дешевых компонентов для изготовления уровнемеров (антенны с широкой ДНА, нелинейность амплитудно-частотной характеристики и т.д.).Thanks to this approach, it is possible to avoid errors associated with distortions in the spectrum of the beat signal arising from re-reflections from various technological objects that violate the strict configuration of the containers (pipes, pipes, couplings, fasteners, etc.). In addition, at levels close to the bottom of the tank, parasitic re-reflection from the bottom occurs, which distorts the spectrum to an even greater extent, up to the complete impossibility of using the usual measurement method. An additional advantage of the method may be the use, ceteris paribus, of cheaper components for the manufacture of level gauges (antennas with a wide DND, non-linearity of the amplitude-frequency characteristic, etc.).

Claims

A method for measuring the level of liquid and granular media in a tank, which consists in emitting electromagnetic waves that are normal to it on the surface of the liquid along a normal line, receive reflected electromagnetic waves, then extract a difference frequency signal at the output of the mixer between incident and reflected electromagnetic waves, record this data in the form of an array of samples during the modulation period, calculate its spectrum S and the frequency of its maximum

characterized in that, at this frequency, the spectrum S _{i is} found that is closest to the spectrum S from the number of N spectra recorded in advance at N known levels corresponding to the level L _i , the cross-correlation function between the spectra S and S _{i is} calculated by the frequency of its maximum and level L _i determine the current level.