CZ23160U1 - Bezkontaktní mikrovlnný měřič vzdálenosti reflexního povrchu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předkládané řešení se týká zapojení měřicího systému pro bezkontaktní měření vzdálenosti povrchů schopných odrážet elektromagnetické vlny.

Dosavadní stav techniky

K přesnému měření malých vzdáleností se používá mikrovlnná rezonanční metoda, při které je rezonátor vytvořen z jedné poloviny Fabry-Perot rezonátoru, před kterou je umístěn reflexní povrch. Prostor mezi reflexním povrchem a zrcadlem poloviny Fabry-Perot rezonátoru vytváří rezonátor, jehož rezonanční kmitočet je závislý na vzdálenosti mezi reflexním povrchem a zrcadlem. Při rezonanci se tato vzdálenost rovná celočíselnému násobku poloviny vlnové délky. Pri znalosti tohoto celočíselného násobku lze ze změřeného rezonančního kmitočtu odvodit vzdálenost mezi reflexním povrchem a zrcadlem rezonátoru, případně změnu vzdálenosti reflexního povrchu vzhledem k jeho zvolené referenční vzdálenosti.

Rezonanční kmitočet je určován z frekvenční závislosti koeficientu odrazu nebo přenosu rezonátoru navázaného najedno nebo dvě mikrovlnná vedení. Na rezonančním kmitočtu se frekvenční závislost amplitudy koeficientu odrazu nebo přenosu vyznačuje typickou rezonanční křivkou s více či méně ostrým vrcholem. Velikost amplitudy rezonanční křivky a její 3 dB šířka pásma závisí na velikosti nezatíženého činitele jakosti rezonátoru Q_o a na velikosti vazby mezi rezonátorem a vedením respektive vedeními. Pri daném Q_o je rozdíl amplitudy rezonanční křivky na rezonančním kmitočtu a daleko od rezonančního kmitočtu tím větší, čím je rezonátor těsněji navázán na přívodní vedení. Čím těsněji je však rezonátor navázán, tím větší je 3 dB Šířka pásma rezonanční křivky a tím je i vrchol křivky méně ostrý.

Rezonanční kmitočet je v automatickém procesu vypočítán na základě naměřených amplitud rezonanční křivky na několika frekvencích v okolí rezonanční frekvence. Pro tato měření musí být průběh rezonanční křivky dostatečně odlišitelný od podobných průběhů způsobených např. nežádoucími odrazy v mikrovlnném obvodu. Rezonanční křivka tedy musí mít dostatečně velkou amplitudu, tj. rezonátor musí být dostatečně těsně navázán. Těsná vazba však způsobuje, že vrchol rezonanční křivky je méně ostrý, což zmenšuje přesnost určení rezonanční frekvence a tím i přesnost určení měřené vzdálenosti.

K přesnému měření malých vzdáleností se také používá bezkontaktní systém, jehož součástí je přeladitelný mikrovlnný generátor. Mikrovlnný výstup přeladitelného mikrovlnného generátoru je zde připojen na vstup rozhodovacího členu. První výstup rozbočovacího členu je vstupem referenčního kanálu a je připojen na vstup prvního atenuátoru s proměnným útlumem. Výstup prvního atenuátoru je připojen na první vstup slučovacího členu. Druhý výstup rozbočovacího členu je vstupem testovacího kanálu a je připojen na vstup bloku změny fázového posuvu signálu odraženého od reflexního povrchu v testovacím kanálu vzhledem k signálu v referenčním kanálu. Izolační výstup bloku změny fázového posuvu signálu je spojen s druhým vstupem slučovacího členu. Výstup slučovacího členu je spojen se vstupem řídicí a vyhodnocovací jednotky opatřené indikátorem mikrovlnného výkonu či napětí nebo proudu. Její řídicí výstup je spojen se vstupem přeladitelného mikrovlnného generátoru. V testovacím kanálu může být zařazen druhý atenuátor s proměnným útlumem a/nebo první zesilovač s proměnným zesílením a/nebo v referenčním kanálu může být v kaskádě s prvním atenuátorem s proměnným útlumem zařazen druhý zesilovač s proměnným zesílením.

Analogické zapojení je, že bezkontaktní mikrovlnný měřič obsahuje přeladitelný mikrovlnný generátor, který má mikrovlnný výstup připojen na vstup rozbočovacího členu. Rozbočovací člen má první výstup, který je vstupem referenčního kanálu, připojen na první vstup slučovacího členu. Druhý výstup rozbočovacího členu je vstupem testovacího kanálu a je připojen na vstup bloku změny fázového posuvu signálu odraženého od reflexního povrchu v testovacím kanálu

- 1 CZ 23160 Ul vzhledem k signálu v referenčním kanálu. Izolační výstup bloku změny fázového posuvu signálu je spojen přes první zesilovač s proměnným zesílením s druhým vstupem slučovacího členu. Výstup slučovacího členu je spojen se vstupem řídicí a vyhodnocovací jednotky opatřené indikátorem mikrovlnného výkonu či napětí nebo proudu. Její řídicí výstup je spojen se vstupem přeladitelného mikrovlnného generátoru. V referenčním kanálu může být zařazen první atenuátor s proměnným útlumem a/nebo druhý zesilovač s proměnným zesílením a/nebo v testovacím kanálu může být v kaskádě s prvním zesilovačem s proměnným zesílením zařazen druhý atenuátor s proměnným útlumem.

Další modifikací pro obě základní provedení je, že v referenčním kanálu je zařazen první izolátor a/nebo v testovacím kanálu je zařazen před a/nebo za blokem změny fázového posuvu signálu odraženého od reflexního povrchu v testovacím kanálu vzhledem k signálu v referenčním kanálu druhý a/nebo třetí izolátor. Všechny tyto izolátory jsou orientovány propustným směrem k slučovacímu obvodu.

V jednom provedení je blok změny fázového posuvu signálu odraženého od reflexního povrchu v testovacím kanálu vzhledem k signálu v referenčním kanálu tvořen vysílací anténou, jejíž vstup je vstupem a přijímací anténou, jejíž výstup je izolačním výstupem. V jiném provedení je tento blok změny fázového posuvu signálu tvořen směrovým trojbranem, jehož vstup je vstupem, výstup je izolačním výstupem. Na jeho vazební výstup je připojena společná anténa pro vysílání i příjem. V tomto případě může být směrový trojbran také realizován směrovým čtyřbranem, jehož čtvrtá brána je bezodrazově zakončena nebo děličem výkonu s izolací mezi výstupy nebo cirkulátorem.

Rozbočovací člen a/nebo slučovací člen mohou být ve všech variantách uspořádání tvořeny děličem výkonu nebo směrovým čtyřbranem, jehož čtvrtá brána je bezodrazově zakončena.

V případě, že rozdíl elektrických délek obou kanálů bude na příslušné frekvenci roven lichému násobku poloviny vlnové délky, signály se sečtou ve slučovacím členu v protifázi a poskytnou tak velmi ostrá minima napětí indikovaná např. detektorem. Se změnou vzdálenosti reflexního povrchu od referenční polohy se změní frekvence příslušného napěťového minima, kterou lze určit přelaďováním mikrovlnného generátoru. Ze změny frekvence odpovídající napěťovému minimu lze při znalosti lichého počtu polovin vlnových délek, o které se liší elektrické délky obou kanálů, určit vzdálenost reflexního povrchu.

Společnou nevýhodou různých variant této metody je, že obsahuje větší počet mikrovlnných prvků, jejichž neideální parametry degradují výhodné vlastnosti metody. Jedná se zejména o odrazy na neideálně přizpůsobených prvcích, které následně zhoršují i izolační vlastnosti použitých směrových prvků, V důsledku toho se na slučovacím členu setkávají nejenom požadovaný referenční signál a signál prošlý testovacím kanálem nesoucí informaci o měřené vzdálenosti. V obou kanálech přicházejí na slučovací člen i parazitní signály vzniklé nežádoucími odrazy na jednotlivých prvcích systému, které interferují s oběma požadovanými signály. Suma výsledných signálů vytvoří na určité frekvenci také minimum napětí. To je však frekvenčně posunuto vzhledem ke správné frekvenci minima vytvořeného pouze součtem požadovaného referenčního a testovacího signálu. Ztrácí se tak teoreticky lineární závislost mezi frekvencí minima signálu a měřenou vzdáleností. Klesá tím přesnost měření frekvence, případně výrazně narůstá pracnost kalibrace systému.

Podstata technického řešení

Výše uvedený nedostatek odstraňuje bezkontaktní systém pro měření vzdálenosti od reflexního povrchu podle předkládaného řešení, jehož součástí je přeladitelný mikrovlnný generátor.

Podstatou nového řešení je, že mikrovlnný výstup přeladitelného mikrovlnného generátoru je připojen na vstup směrového čtyřbranu. Průchozí výstup směrového čtyřbranu je připojen na vstup atenuátoru s proměnným útlumem, jehož výstup je připojen k jednobranu s velkým odrazem jako je např. zkrat. Vazební výstup směrového čtyřbranu, je připojen ke vstupu senzoru

-2CZ 23160 Ul vzdálenosti, kterýje současně jeho výstupem aje tvořen například vysílací a současně přijímací anténou a odrazným povrchem, jehož vzdálenost je měřena. Izolační výstup směrového čtyřbranu je spojen se vstupem řídicí a vyhodnocovací jednotky opatřené indikátorem mikrovlnného výkonu či napětí nebo proudu. Její řídicí výstup je spojen se vstupem přeladitelného mikrovlnného generátoru.

Analogické zapojení je, že průchozí výstup směrového čtyřbranu, je připojen k senzoru vzdálenosti. Vazební výstup směrového čtyřbranu je pak připojen na vstup atenuátoru, který může být v obou variantách s proměnným útlumem. Výstup atenuátoru je připojen k jednobranu s velkým odrazem jako je např. zkrat. Izolační výstup směrového čtyřbranu je opět spojen se vstupem řídicí a vyhodnocovací jednotky s indikátorem mikrovlnného výkonu či napětí nebo proudu. Řídicí výstup řídicí a vyhodnocovací jednotky je spojen se vstupem přeladitelného mikrovlnného generátoru. Trasy referenčního a testovacího kanálu jsou v tomto případě ve směrovém čtyřbranu prohozeny.

V jednom možném provedení je pro obě výše uvedená řešení řídicí a vyhodnocovací jednotka tvořena detektorem, jehož výstup je spojen přes A/D převodník s počítačem, který je propojen s přeladitelným mikrovlnným generátorem.

Další modifikací pro obě základní provedení je, že mezi přeladitelný mikrovlnný generátor a vstup směrového čtyřbranu je zapojen první izolátor orientovaný propustným směrem k směrovému čtyřbranu a/nebo mezi izolačním výstupem směrového čtyřbranu a vstupem řídicí a vyhodnocovací jednotky je zapojen druhý izolátor orientovaný propustným směrem k řídicí a vyhodnocovací jednotce.

Další modifikací pro obě základní provedení je, že senzor vzdálenosti je tvořen přenosovým vedením, ve kterém je posuvně umístěna diskontinuita s velkým odrazem spojená nebo přímo tvořená objektem jehož vzdálenost má být měřena. Takovým objektem může být např. hladina kapaliny s velkým odrazem.

V předkládaném měření je informace o měřené vzdálenosti určována také dle frekvence, na které se součtem signálu referenčního a signálu testovacího vytvoří napěťové minimum. Na rozdíl od výše uvedených dosud známých obvodových řešení, je však potřebný obvod výrazně zjednodušen.

Na obr. 1 je principielní schéma měřicího systému. Na obr. 2 je analogické zapojení měřicího systému, kde je prohozeno připojení vazebního výstupu a průchozího výstupu směrového čtyřbranu.

Příklad uskutečnění technického řešení

Jeden možný příklad zapojení bezkontaktního mikrovlnného měřiče vzdáleností od reflexního povrchu je uveden na obr. 1. Zapojení je zde tvořeno přeladitelným mikrovlnným generátorem 1, kterýje s výhodou syntezovaný, aje zde řízen počítačem 2. Jeho řízení může být i manuální, ale v praxi bude dána přednost řízení počítačem. Přeladitelný mikrovlnný generátor i je svým mikrovlnným výstupem připojen na vstup 31 směrového čtyřbranu 3. Na průchozí výstup 32 směrového čtyřbranu 3 je připojen atenuátor 4, který je zde s proměnným útlumem, jehož výstup je připojen na jednobran 5 s velkým odrazem, kterýje zde tvořen zkratem. Vazební výstup 33 směrového čtyřbranu 3 je připojen na vstup senzoru 6 vzdálenosti, který je současně jeho výstupem. Senzorů vzdálenosti je zde tvořen vysílací a současně přijímací anténou 7 a odrazným povrchem 8 jehož vzdálenost je měřena. Izolační výstup 34 směrového čtyřbranu 3 je spojen s řídicí a vyhodnocovací jednotkou 13, která je opatřena indikátorem mikrovlnného výkonu nebo napětí nebo proudu. Její řídicí výstup je spojen se vstupem přeladitelného mikrovlnného generátoru L V uváděných příkladech je řídicí a vyhodnocovací jednotka 13 tvořena detektorem 11, na jehož výstup je připojen A/D převodník 12 spojený $ počítačem 2.

-3CZ 23160 Ul

S výhodou lze mezi mikrovlnný generátor I a vstup 31 směrového čtyřbranu 3 zařadit první izolátor 9 orientovaný průchozím směrem k směrovému čtyřbranu 3 a/nebo mezi izolační výstup 34 směrového čtyřbranu 3 a vstup řídicí a vyhodnocovací jednotky 13 druhý izolátor 10 zapojený průchozím směrem k řídicí a vyhodnocovací jednotce 13.

Mikrovlnný signál v základním zapojení dle obr. 1 vstupuje z přeladitelného mikrovlnného generátoru 1 vstupem 31 do směrového čtyřbranu 3, kde se rozdělí na dvě části, které dále postupují v referenčním a testovacím kanálu. V referenčním kanálu postupuje signál na průchozí výstup 32 směrového čtyřbranu 3, dále pak postupuje přes atenuátor 4, který je zde s proměnným útlumem, na jednobran 5 s velkým odrazem, který je zde tvořen zkratem. Od tohoto jednobranu se signál io odráží a šíří se v referenčním kanálu zpět přes atenuátor 4, na průchozí výstup 32 směrového čtyřbranu 3 a vystupuje na izolačním výstupu 34 směrového čtyřbranu 3 jako signál b_ref.

V testovacím kanálu postupuje signál na vazební výstup 33 směrového vazebního členu 3 a vstupuje do senzoru 6 vzdálenosti, který je zde tvořen vysílací a současně přijímací anténou 7. Z antény 2 je signál vyzářen a postupuje na odrazný povrch 8 jehož vzdálenost je měřena. Od od15 razného povrchu se signál odráží, jeho fáze nese dále v testovacím kanálu informaci o vzdálenosti odrazného povrchu, vstupuje do antény 7, a dále postupuje do vazebního výstupu 33 směrového čtyřbranu 3 a vystupuje na izolačním výstupu 34 směrového čtyřbranu 3 jako signál b.

Z izolačního výstupu 34 směrového čtyřbranu 3 postupuje součtový signál b_refib přes případně zapojený izolátor 10 na detektor 11 a dále do převodníku A/D 12. Atenuátorem 4 s proměnným útlumem lze nastavit amplitudu signálu b_rsf identickou s amplitudou signálu b. V závislosti na vzdálenosti reflexního povrchu 9 a tím i na rozdílu elektrických délek referenčního a testovacího kanálu se na některých frekvencích oba signály sečtou ve fázi a na jiných v protifázi. Ve fázi se signály sečtou v případě, že rozdíl elektrických délek obou kanálů bude na příslušné frekvenci sudým násobkem poloviny vlnové délky. V případě, že rozdíl elektrických délek obou kanálů bude na příslušné frekvenci roven lichému násobku poloviny vlnové délky, signály se sečtou v protifázi a poskytnou tak velmi ostrá minima napětí indikovaná např. detektorem. Napětí indikované detektorem 11 je v minimu teoreticky nulové, prakticky je omezené šumem detektoru 11. Rozdíl frekvencí jednotlivých minim umožňuje určit odpovídající lichý násobek polovin vlnové délky příslušný rozdílu elektrické délky obou kanálů. Při znalosti elektrické délky referenčního kanálu tak lze jednoznačně určit vzdálenost odrazného povrchu 8.

Digitální informace odpovídající usměrněnému součtovém součtovému signálu b_refib je zpracována počítačem 2. V automatizovaném procesu počítač 2 přelaďuje mikrovlnný generátor 1 a určuje frekvence odpovídající vybraným napěťovým minimům, ze kterých se pak určuje vzdálenost odrazného povrchu 8.

První izolátor 9 a druhý izolátor 10 nejsou pro činnost mikrovlnného měřiče nezbytné. Jejich použití však potlačuje vliv odrazů od impedančně nedobře přizpůsobených komponent, zejména generátoru a detektoru, a zvětšuje tak použitelnou šířku frekvenčního pásma a tím i rozsah měření.

V analogickém zapojení dle obr. 2 je prohozeno připojení průchozího výstupu 32 a vazebního výstupu 33 směrového čtyřbranu 3. Na průchozí výstup 32 je zde připojen senzor 6 vzdálenosti a na vazební výstup 33 je připojen atenuátor 4,

Mikrovlnný signál v tomto analogickém zapojení dle obr. 2 vstupuje z přeladitelného mikrovlnného generátoru 1 vstupem 31 do směrového čtyřbranu 3, kde se rozdělí na dvě části, které dále postupují v referenčním a testovacím kanálu. V referenčním kanálu postupuje signál na vazební výstup 33 směrového čtyřbranu 3, dále pak postupuje přes atenuátor 4, který je zde s proměnným útlumem, na jednobran 5 s velkým odrazem, který je zde tvořen zkratem. Od tohoto jednobranu 5 se signál odráží a šíří se v referenčním kanálu zpět přes atenuátor 4, na vazební výstup 33 směrového čtyřbranu 3 a vystupuje na izolačním výstupu 34 směrového čtyřbranu 3 jako signál b_ref.

V testovacím kanálu postupuje signál na průchozí výstup 32 směrového vazebního Členu 3 a vstupuje do senzoru 6 vzdálenosti, který je zde tvořen vysílací a současně přijímací anténou 7. Z

-4CZ 23160 Ul antény 2 je signál vyzářen a postupuje na odrazný povrch 8 jehož vzdálenost je měřena. Od odrazného povrchu se signál odráží, jeho fáze nese dále v testovacím kanálu informaci o vzdálenosti odrazného povrchu, vstupuje do antény 2, a dále postupuje do průchozího výstupu 32 směrového čtyřhranu 3 a vystupuje na izolačním výstupu 34 směrového čtyřhranu 3 jako signál b.

Funkce zbývající Části obvodu je shodná se zapojením dle obr. 1.

Další možnou alternativou obou předchozích zapojení je, že senzor 6 vzdálenosti je tvořen přenosovým vedením, ve kterém je posuvně umístěna diskontinuita s velkým odrazem spojená s odrazným povrchem 8 nebo je tato diskontinuita tímto odrazným povrchem 8 přímo tvořená. Při vertikálním umístění přenosového vedení, např. typu vlnovod, částečně ponořeného do kapaliny, tak lze měřit výšku její hladiny.

Vlastnosti měřicího systému byly experimentálně testovány. Pomocí vlnovodové realizace měřicího systému byla měřena výška vodní hladiny. Na frekvenci 9,2 GHz bylo dosaženo při změně výšky hladiny o 0,1 mm změny kmitočtu napěťového minima o 3,9 MHz. Dynamický rozsah mezi napěťovým minímem a maximem přitom přesahoval 60 dB.

Průmyslová využitelnost

Zapojení pro bezkontaktní měření vzdálenosti a s ním související nová metoda určení vzdálenosti je průmyslově využitelná všude tam, kde je třeba bezkontaktně měřit s vysokou přesností vzdálenosti povrchů, které jsou v mikrovlnné části spektra reflexní. Jedná se např. o válcování tenkých kovových fólií, přesné měření výšky hladin kapalin, apod.

Claims (7)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Bezkontaktní mikrovlnný měřič vzdálenosti reflexního povrchu obsahující přeladitelný mikrovlnný generátor (1), vyznačující se tím, že mikrovlnný výstup generátoru (1) je připojen na vstup (31) směrového čtyřhranu (3), jehož průchozí výstup (32) je připojen na vstup atenuátoru (4), jehož výstup je připojen na jednobran (5) s velkým odrazem, vazební výstup (33) směrového čtyřhranu (3) je připojen na vstup senzoru (6) vzdálenosti, který je současně jeho výstupem, a izolační výstup (34) směrového čtyřhranu (3) je spojen se vstupem řídicí a vyhodnocovací jednotky (13) s indikátorem mikrovlnného výkonu či napětí nebo proudu, jejíž řídicí výstup je spojen se vstupem přeladitelného mikrovlnného generátoru (1).
2. 2. Bezkontaktní mikrovlnný měřič vzdálenosti reflexního povrchu obsahující přeladitelný mikrovlnný generátor (1), vyznačující se tím, že mikrovlnný výstup generátoru (1) je připojen na vstup (31) směrového čtyřhranu (3), jehož průchozí výstup (32) je připojen na vstup senzoru (6) vzdálenosti, který je současně jeho výstupem, a jehož vazební výstup (33) připojen na vstup atenuátoru (4), jehož výstup je připojen na jednobran (5) s velkým odrazem, a jehož izolační výstup (34) je spojen se vstupem řídicí a vyhodnocovací jednotky (13) s indikátorem mikrovlnného výkonu či napětí nebo proudu, jejíž řídicí výstup je spojen se vstupem přeladitelného mikrovlnného generátoru (1).
3. 3. Bezkontaktní mikrovlnný měřič podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že řídicí a vyhodnocovací jednotka (13) je tvořena detektorem (11) jehož výstup je spojen přes A/D převodník (12) s počítačem (2) propojeným s přeladitelným mikrovlnným generátorem (1).
4. 4. Bezkontaktní mikrovlnný měřič podle nároku 1 nebo 2 nebo 3, vyznačující se tím, že mezi mikrovlnným generátorem (1) a vstupem (31) směrového Čtyřhranu (3) je zapojen první izolátor (9) orientovaný propustným směrem ke směrovému čtyřhranu (3) a/nebo mezi

   -5CZ 23160 Ul izolačním výstupem (34) směrového čtyřbranu (3) a vstupem řídicí a vyhodnocovací jednotky (13) je zapojen druhý izolátor (10) orientovaný propustným směrem k řídicí a vyhodnocovací jednotce (13).
5. 5. Bezkontaktní mikrovlnný měřič podle nároku 1 nebo 2 a kteréhokoli z nároků 3 a 4, vy 5 značující se tím, že senzor (6) vzdálenosti je tvořen vysílací a současně přijímací anténou (7) a odrazným povrchem (8).
6. 6. Bezkontaktní mikrovlnný měřič podle nároku 1 nebo 2 a kteréhokoli z nároků 3 a 4, vyznačující se tím, že senzor (6) vzdálenosti je tvořen přenosovým vedením, ve kterém je posuvně umístěna diskontinuita s velkým odrazem spojená s odrazným povrchem (8) nebo je to tímto odrazným povrchem (8) přímo tvořená.
7. 7. Bezkontaktní mikrovlnný měřič podle nároku 1 nebo 2 a kteréhokoli z nároků 3 až 6, vyznačující se tím, že atenuátor (4) je proměnný.