NO140518B - Fremgangsmaate og anordning for beregning av en vaeskeoverflates nivaa - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å beregne

en væskeoverflates nivå, fortrinnsvis i en tank, hvor det ut-

sendes et mikrobølgesignal hvis frekvens sveiper med tiden hvor signalet utsendes, dels mot overflaten fra hvilken en del reflekteres og etter en forsinkelse som tilsvarer avstanden mellom et referansepunkt og overflaten mottas og blandes med det signal som for øyeblikket utsendes slik at det oppnås en forskjellsfrekvens som tilsvarer avstanden, og dels slik at signalet kan mottas med en forsinkelse som tilsvarer en kjent strekning, hvilken forsinkelse på analog måte omformes til en referansefrekvens som tilsvarer strekningen, og slik at forskjellsfrekvensen relateres til ref eransef rekvensen slik at bereciningen av avstanden vil basere seg på den kjente strekningen.

Fordi mikrobolger har en meget konstant utbredningshastighet,

er disse bolger hensiktsmessige til å anvendes ved noyaktig måling av væskenivåer som angitt ovenfor. En måle-innretning som arbeider med mikrobblger er dessuten relativt ufolsom for smuss , og videre er målingen berbringsfri, hvilket er en for-

del i mange anvendelser, især ved nivåmåling på væsker som avgir lett antennelige damper.

Ved nivåmåling med mikrobblger finnes det imidlertid mange

faktorer som innvirker skadelig på noyaktigheten. Slike fak-

torer er vanskeligheter med å bestemme noyaktig den oppnådde forskjellsfrekvensen, å skille ut forstyrrende reflekser fra f.eks. stottebjelker eller bunnen i en tank samt ulinearitet eller annen ufullkommenhet hos mikrobolgekilden. For å oke målenbyaktigheten er det blitt foreslått, f.eks. i DOS nr.

1.935.012, at man ved målingen skal utnytte en referanse-forsinkelse, til hvilken nivåmålingen relateres.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte og en anordning for nivåmåling med mikrobblger som gir god målenbyaktighet, stiller små krav til mikrobblge-kildens linearitet, og som samtidig innenfor vide grenser er ufblsom for forstyrrende reflekser, og dette muliggjbres ved at oppfinnelsen har de kjennetegn som er angitt i de vedlagte patentkrav.

Oppfinnelsen vil i det etterfblgende bli forklart ytterligere under henvisning til vedlagte tegninger, på hvilke

fig. 1 i blokkdiagramform viser oppbygningen av en nivåmåler som arbeider på den måte oppfinnelsen tilsikter,

fig. 2 er et blokkdiagram som viser oppbygningen av et beregningsorgan som er karakteristisk for oppfinnelsen,

fig. 3 viser et tidsamplitudediagram som viser forlbpet hos signaler tatt i angitte punkter i blokkdiagrammet i fig. 1,

fig. 4 viser et flertall nivåmålere ifblge oppfinnelsen, hvilke er installert på et tankskip, og

fig. 5 viser i detalj og delvis i snitt en slik installasjon.

I fig. 1 betegner 1 en giverenhet som er innkoblet til en sig-nalbehandlingsenhet 2 via tre tilkoblingspoler 3, 4 og 5. Signalbehandlingsenheten kan utnyttes for flere giverenheter ved at det ved hjelp av en til tilkoblingspolene 3-5 innkoblet, syklisk arbeidende velger tilveiebringes en tids-oppdeling mellom giverenheter som er parallelt innkoblet til velgeren.

Giverenheten 1 består av en mikrobblgegenerator 6, f.eks. en varaktoravstemt Gunndiode, hvis utgang 7 via en blander 8 er forbundet med en antenne 10 rettet mot en overflate 9 hvis nivå skal måles. Blanderen 8 er dessuten via en forsterker

II forbundet med signalbehandlingsenhetens pol 3. Mikrobblge-generatoren 6 er koblet til tilkoblingspolen 5 på signalbe-

handlingsenheten og mates gjennom denne kobling med sveipestart-pulser som hver og en utloser en frekvenssveiper hvis frekvens varierer hovedsakelig lineært med tiden, slik det er vist i fig. 3. Blanderen 8 har en kontrollert lekking slik at en del av mikrobolgesignalene fra generatoren 6 via antennen 10 sendes ut mot overflaten 9. En del av den mikrobolgestrålin-gen som faller inn mot overflaten 9, reflekteres mot antennen 10, oppfanges av denne og når igjen blanderen 8. Forlopet av det således reflekterte mikrobolgesignalet, som kalles b, er vist i fig. 3. Som man vil se, har signalene a og b samme frekvensverdi ved forskjellige tidspunkter. Tidsforskjellen tilsvarer gangtiden for mikrobolgen, strekningen fra blanderen 8 til overflaten 9 og tilbake. Uttrykt på en annen måte er det i et visst oyeblikk en forskjellsfrekvens mellom signalene a og b, hvilken kommer av den nylig nevnte strekningen. Blanderen 8 har til oppgave å ved blanding av signalene a og

b frembringe et slikt forskjellsfrekvenssignal, c, hvis forlop fremgår av fig. 3. De uregelmessigheter som kan observeres hos signalet c, har sitt utspring i forstyrrende ekkoer fra gjenstander over eller under væskeoverflaten 9 og fra ulinearitet hos mikrobolgegeneratoren 6. Fig. 4 viser, med de samme henvisningsbetegnelser som i fig. 1, slike gjenstander, i dette tilfelle avstivningsbjelker 12, hvilke gir opphav til ekkoer som vil kunne forveksles med væskeoverflaten 9. Giver-enhetene 1 er kapslet og forbundet med en ikke vist signal-behandlingsehhet.

For at man på i og for seg kjent måte skal kunne eliminere innvirkningen av nevnte forstyrrelseskilder, er det til mikrobolgegeneratorens 6 utgang 7 koblet en blander 13, som på analog måte som blanderen 8 er forbundet dels med en forsinkelsesledning 14, dels via en forsterker 15 med signalbehandlingsenhetens 2 tilkoblingspol 4. På liknende måte som den som er beskrevet ovenfor, oppnås det fra blanderen 13 et forskjellsfrekvenssignal d med en frekvens som er konstant og bestemt av forsinkelsesledningen 14, hvis frekvens' forlop fremgår av fig. 3. Signalet d utnyttes i det etterfolgende som referansesignal. Giverenhetens 1 utsignaler c og d inneholder altså hovedsakelig to frekvenser, og kvotienten dem imel-lom gir det onskede væskenivået. Signalet d er et relativt rent sinussignal med omtrent konstant frekvens. Signalet c inneholder derimot som nevnt flere frekvenser av hvilke kun en stammer fra refleksjoner i væskeoverflaten hvis nivå skal måles. Det er signalbehandlingsenhetens 2 oppgave å relatere forskjellsfrekvenssignalet c til referansefrekvenssignålet d slik at beregningen av nivået av overflaten 9 baserer seg på forsinkelsesledningens 14 lengde.

Tilkoblingspolen 4, på hvilken signalet d kommer inn til sig-nalbehandlingsenheten 2, er via en frekvensmultiplikator 16

og en pulsformer 17 forbundet med et beregningsorgan 18. På analog måte er tilkoblingspolen 3, på hvilken signalet c kommer inn, via et styrbart filter 19 og en pulsformer 20 forbundet med beregningsorganet 18. Denne er dels via en hukommelse 21 forbundet med et indikeringsorgan 22, og dels forbundet med en styre-enhet 23. Indikeringsorganet 22 og styre-enheten 23 er forbundet med et organ 24 for manuell styring av måleforlopet og for innforelse av konstanter i beregningen. Styreenheten 23 og utgangen av hukommelsen 21 er koblet til filteret 19, som på inngangen og utgangen er forbundet med en amplitudesammen-likner 25, som i sin tur på utgangen er koblet til styre-enheten 23. Denne er dessuten via tilkoblingspolen 5 forbundet med mikrobolgegeneratoren 6.

Frekvensmultiplikatoren 16 har til oppgave å frembringe, fra signalet d, et signal e, se fig. 2, med konstant amplitude og med en frekvens som er en multipel av frekvensen hos signalet d, hvilket er ekvivalent med en tilsynelatende bkning av forsinkelsesledningens 14 lengde. Å oke denne lengde i virke-ligheten ville innebære dels bket dempning med etterfblgende måleproblem, dels mere plasskrevende og kostbar ledning. Pulsformeren 17 er innrettet til å frembringe et pulstog f

med en puls pr. halvperiode hos signalet e.

Signalet c filtreres etter å ha passert forsterkeren 11 i filteret 19, som er et smalbåndet, styrbart båndpassfilter. Dette er anordnet slik at dets senterfrekvens av signalet e bringes til å være proporsjonal med referansefrekvenssignalets d momentane frekvens og med en verdi som kommer fra styreorga-het 24 via styre-enheten 23. Herved kan mikrobolgeoscillato-rens 6 sveipehastighet tillates å variere noe ettersom jo filterets senterfrekvens, hvilket også fremgår av et spesielt kjennetegn ved oppfinnelsen,bringes til å folge forandringer i sveipehastigheten. Filterets 19 utsignal g er et rent sinussignal, hvis frekvens er et mål for det onskede væskenivået. Ved hjelp av pulsformeren 20 får man fra signalet g et pulssignal h som inneholder en puls for hver halvperiode hos signalet g. Den fortsatte signalbehandlingen går ut på å danne kvotienten mellom de to pulssignalene f og h, hvor pulsenes tidsposisjoner ikke anvendes, men kun pulsenes innbyrdes orden er av betydning. Ved kvotientdannelsen anvendes en vektfaktor i, hvis forlop under en-sveip er vist som eksempel i fig. 3. Den i figuren viste vektfaktoren har ifblge et spesielt kjennetegn av oppfinnelsen formen n(N-n), hvor N er antallet innbyrdes, hovedsakelig like store delintervaller under sveipen og n er delintervallets ordensnummer, som er 1 for den forste og N for det siste delintervallet. Denne vektfaktor kan vises å innebære at kvotienten mellom frekvensene i signalene f og h bestemmes i den minste kvadratmetodens betydning og gir en noyaktighet i beregningen allerede etter en sveip. En vektfaktor lik en konstant ville innebære konvensjonell pulstelling, som for stor noyaktighet kreves pulstelling i et stort antall frekvenssveiper, men som allikevel er relativt fblsom for forstyrrelsesekkoer.

Beregningen av den for oppfinnelsen kjennetegnende vektfaktoren og kvotientdannelsen skjer i beregningsorganet 18, hvis oppbygning fremgår som eksempel av fig. 2. I denne figur er 26 et organ som er forbundet med pulsformeren 20 for beregning av vektfaktoren i fra signalet h. Den beregnede vektfaktoren i lagres i et register 27 som styrer innmatningen av signalene f og h til to multiplikatorer 28, 29, hvilke hver for seg via adderende registre 30, 31 er forbundet med en kvotientdanner 32. Innfbringen av vektfaktoren skjer på fblgende måte: Leng-den av det ovennevnte intervall velges lik avstanden mellom pulsene i signalet h. For hver puls i signalet h telles et antall pulser som tilsvarer vektfaktorens aktuelle verdi, inn i registeret 30. For hver puls i signalet f telles i samme intervall samme antall pulser inn i registeret 31. Etter N'te referansesignalpuls beregnes kvotienten k mellom tallene 1 og m i de to registrene 30, 31. Bortsett fra når det gjelder en skalafaktor er denne kvotient k et mål for det bnskede nivået. Ettersom nivået måles mellom blanderen 8 og overflaten 9, er det fordelaktig å innfore, ved hjelp av styreorganet 24, en konstant, ved hjelp av hvilken væskenivåmålingen relateres til et hensiktsmessig ytre punkt.

Resultatet av målingen lagres i hukommelsen 21 og indikeres ved hjelp av indikeringsofganet 2 2. Det lagrede måleresultatet kan også registreres ved hjelp av en skriver.

Som man vil forstå av det foregående, har forskjellsfrekvens-signalets c amplitude liten innvirkning på den fortsatte signalbehandlingen, men hvis amplituden på grunn av ytre omstendig-heter er blitt så liten at den kan forveksles med signalampli-tuder som stammer fra forstyrrende ekkoer, er det risiko for forveksling. Det kan derfor i visse anvendelser, f.eks. ved nivåmåling på tankskip, være nodvendig med amplitudekontroll, ettersom amplituden påvirkes av bolger i væskeoverflaten. Amplitudesammenlikneren 25 har til oppgave å tilveiebringe en slik kontroll ved å sammenlikne signalet g som inneholder den forskjellsfrekvensen som tilsvarer væskeoverflaten 9, med tilsvarende frekvens fra et fast ekko i eller utenfor antennen 10, hvilket filtreres ut fra signalet c. Sammenlikneren 25 er innrettet til å frembringe et logisk signal, som angir hvorvidt signalet som tilsvarer det nivå som skal beregnes,

har storre eller mindre amplitude enn signalet som tilsvarer det faste ekkoet. Denne sammenlikning gjor også nivåmålingen uavhengig av variasjoner i mikrobolgegeneratorens 6 uteffekt. Hvis amplituden i signalet c er utilstrekkelig, stoppes målingen via styre-enheten 23.

Fig. 5 viser et utforelseseksempel av en giverenhet ifolge oppfinnelsen og av den type som er vist i fig. 4. I en ror-formet kapsling 33 er antennen 10 anordnet slik at den er rettet mot væskeoverflaten 9. 34 er et mikrobolgehorn som via en bblgeleder 35 er forbundet med blanderen og mikrobblge-generatoren, hvilke sammen med giverenhetens ovrige,tidligere beskrevne funksjonsblokk 36 er anordnet i en på kapselen 33 anbragt og relativt denne mindre, rbrformet kapsling 37.

Antennen 10, hornet 34, bølgelederen 35 og funksjonsblokken

36 er lett tilgjengelige for inspeksjon og eventuell repara-

sjon via luker 38, 39 på kapslingene 33 respektive 37.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for å beregne en væskeoverflates nivå, for-

trinnsvis i en tank hvor det utsendes et mikrobølgesignal hvis frekvens sveiper med tiden, hvor signalet utsendes, dels mot overflaten fra hvilken en del reflekteres og etter en forsinkelse som tilsvarer avstanden mellom et referansepunkt og overflaten mottas og blandes med det signal som for øyeblikket utsendes slik at det oppnås en forskjellsfrekvens som tilsvarer avstanden oa dels slik at signalet kan mottas med en forsinkelse som tilsvarer en kjent strekning, hvilken forsinkelse på analog måte omformes til en referansefrekvens som tilsvarer strekningen, og slik at forskjellsfrekvensen relateres til referansefrekvensen slik at beregningen av avstanden vil basere seg på den kjente strekningen,karakterisert ved at forskjellsfrekvensen (c) og referansefrekvensen (d) multipliseres med en i del- intervaller av sveipetiden konstant, men i sveipetiden foranderlig faktor (i), at produktene av faktoren (i) og respektive frekvenser (c, d) summeres hver for seg og at ved sveipetidens slutt dannes kvotienten (k) mellom de således oppnådde summene (1, m), hvilken kvotient er et mål for den onskede avstanden.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at faktoren (i) for hvert delintervall er lik n(N-n), hvor N er antall innbyrdes, hovedsakelig like store delintervaller og n er delintervallets ordensnummer, som er lik 1 for det forste delintervallet og N for det siste delintervallet.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at hvert delintervall er lik en halvperiode av forskjellsfrekvensen (c).

4. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at referansefrekvensen (d) multipliseres med en konstant som er valgt slik at den frekvens (e) som her oppnås, er stbrre enn forskjellsfrekvensen (c), hvilket innebærer at forsinkelsen tilsynelatende bkes slik at strekningens tilsynelatende lengde alltid er stbrre enn den avstand som skal måles.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at forskjellsfrekvensen (c) filtreres ved hjelp av et båndpassfilter (19) hvis senterfrekvens styres slik at den er proporsjonen med referansef rekvensen (d) , hvorved det oppnås en bortfiltrering av forstyrrende refleksjoner selv om sveipehastigheten varierer.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det reflekterte mikrobolgesignalets (b) amplitude sammenliknes med amplituden hos et kjent ekkosignal og at slike signaler sorteres bort, som har en amplitude som er stbrre eller mindre enn et amplitudeintervall rundt det kjente ekkoets amplitude.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det forskjellsfrekvente signalet (c) omformes til et pulstog (f) med en puls for hver halvperiode hos forskjellsfrekvensen, at pulsene for en sveip mates inn i et skiftregister med en hastighet som er styrt av referansefrekvensen, og at de således lagrede pulsene mates ut med jevn hastighet, hvilket er likeartet med en linearisering av sveipen.

8. Anordning for utfbrelse av fremgangsmåten som angitt i krav 1, innbefattende en mikrobblgegenerator (6) for frembrin-gelse av mikrobblgesignalet (a) hvis frekvens sveiper med tiden, en antenne (10) forbundet med generatoren og rettet mot overflaten (9) for utsendelse av mikrobblgesignalet (a) og for mottakelse av den del (b) av mikrobolgesignalene som reflekteres fra overflaten (9), og en fbrste blander (8) forbundet med antennen (10) og generatoren (6), hvilken blander er inn- rettet til å tilveiebringe, ved blanding av reflektert og utsendt mikorbolgesignal, den forskjellsfrekvensen (c) som tilsvarer avstanden, en forsinkelsesledning (14) forbundet med generatoren (6) med en forsinkelse tilsvarende den kjente strekningen, en andre blander (13) forbundet med generatoren (6) og forsinkelsesledningen (14), hvilken andre blander (13) er innrettet til, ved blanding av det således forsinkede mikro-bol gesignalet og det utsendte mikrobolgesignalet, å tilveiebringe den referansefrekvensen (d) som tilsvarer den kjente strekningen samt et beregningsorgan (18) som er innrettet til å beregne, med forskjellsfrekvensen (c) relatert til referansefrekvensen (d), den onskede avstanden, karakterisert ved at beregningsorganet (18) innbefatter et multipliserende organ (28, 29) som er innrettet til å multi-lisere forskjells- og referansefrekvensene med en i hver halvperiode hos forskjellsfrekvensen konstant, men i sveipetiden foranderlig faktor (i), to adderende registre (30, 31) som er operativt forbundet med det multipliserende organet (28, 29), hvilke registre er innrettet til å addere, i sveipetiden, produktene av faktoren (i) og respektive frekvenser samt en kvotientdanner (32) koblet til registrene, hvilken kvotientdanner har til oppgave å danne, ved sveipetidens slutt, kvotienten (k) mellom summene i registrene.