RU2159923C1

RU2159923C1 - Radar level indicator

Info

Publication number: RU2159923C1
Application number: RU99104759A
Authority: RU
Inventors: Б.А. Атаянц; В.В. Езерский; А.И. Смутов
Original assignee: ООО предприятие "КОНТАКТ-1"
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2000-11-27

Abstract

FIELD: measurement of level of various substances. SUBSTANCE: radar level indicator includes former of symmetric triangular modulating voltage, modulator, transceiving SHF module with antenna, amplifier of signal of difference frequency and frequency meter connected in series. It is supplemented with circuit fixing extremum, electron key and two level comparators. Input of circuit fixing extremum is connected to output of amplifier of signal of difference frequency and its output is linked to first input of electron key, inputs of first and second level comparators are connected to output of former of symmetric triangular modulating voltage, outputs of level compressors are connected to second input of electron key and output of the latter is connected to input of former of symmetric triangular modulating voltage. Phase jump is prevented during operation of indicator which predetermines increased precision in measurement of level. EFFECT: increased precision in measurement of level. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к контролю и измерению уровня различных веществ. The invention relates to the control and measurement of the level of various substances.

Известны устройства, работающие на принципе радиолокации в СВЧ диапазоне с частотной модуляцией зондирующего сигнала. Known devices operating on the principle of radar in the microwave range with frequency modulation of the probe signal.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является частотный дальномер [1], содержащий генератор модулирующего сигнала, делитель частоты, генератор треугольного напряжения, сумматор, модулятор, генератор СВЧ, циркулятор, антенну, смеситель, усилитель-ограничитель и измеритель частоты. The closest technical solution to the proposed device is a frequency range finder [1], containing a modulating signal generator, frequency divider, triangular voltage generator, adder, modulator, microwave generator, circulator, antenna, mixer, amplifier-limiter and frequency meter.

Недостатком известного устройства является недостаточная точность измерения, которая обусловлена наличием скачка фазы сигнала разностной частоты в момент перехода треугольного модулирующего напряжения с прямого хода на обратный и наоборот (т. е. в так называемой "зоне обращения"). Величина скачка фазы изменяется многократно в пределах от 0 градусов до 180 градусов при плавном изменении измеряемой дальности. Наличие скачка фазы затрудняет фильтрацию полезного сигнала из шумов и помех. Фильтрация сигнала разностной частоты принципиально необходима во многих практических применениях, особенно при измерении уровня сыпучих веществ с малым значением диэлектрической проницаемости. Фильтрация чрезвычайно слабого сигнала в этих случаях производится с помощью узкополосных следящих фильтров [2]. В такой узкополосной фильтрующей системе скачок фазы сигнала приводит к уменьшению амплитуды сигнала сразу после зоны обращения. В результате в этой зоне остается только шум, что приводит к возникновению значительных ошибок измерения. A disadvantage of the known device is the lack of measurement accuracy, which is due to the presence of a phase jump in the signal of the differential frequency at the time of the transition of the triangular modulating voltage from the forward to the reverse and vice versa (ie, in the so-called "circulation zone"). The magnitude of the phase jump varies many times from 0 degrees to 180 degrees with a smooth change in the measured range. The presence of a phase jump makes it difficult to filter the useful signal from noise and interference. Filtering the differential frequency signal is fundamentally necessary in many practical applications, especially when measuring the level of bulk solids with a low dielectric constant. Filtering an extremely weak signal in these cases is performed using narrow-band servo filters [2]. In such a narrow-band filter system, a phase jump in the signal leads to a decrease in the signal amplitude immediately after the circulation zone. As a result, only noise remains in this zone, which leads to significant measurement errors.

Цель изобретения - повышение точности измерения. The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurement.

Цель достигается тем, что в радиолокационный уровнемер, содержащий последовательно соединенные формирователь симметричного треугольного модулирующего напряжения, модулятор, приемно-передающий СВЧ модуль с антенной, усилитель сигнала разностной частоты, а также измеритель частоты, введены схема фиксации экстремума, электронный ключ и два компаратора уровня, причем вход схемы фиксации экстремума соединен с выходом усилителя сигнала разностной частоты, а выход - с первым входом электронного ключа, входы первого и второго компараторов уровня соединены с выходом формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения, выходы компараторов уровня соединены со вторым входом электронного ключа, а выход электронного ключа соединен с входом формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения. При этом усилитель сигнала биений содержит последовательно соединенные предварительный усилитель с автоматической регулировкой усиления (АРУ), дифференцирующий усилитель и следящий фильтр. The goal is achieved in that a radar level gauge containing a serially connected driver of a symmetrical triangular modulating voltage, a modulator, a microwave transmit-receive module with an antenna, a differential frequency signal amplifier, and also a frequency meter, an extremum fixing circuit, an electronic key, and two level comparators are introduced, moreover, the input of the fixation circuit of the extremum is connected to the output of the amplifier of the differential frequency signal, and the output to the first input of the electronic key, the inputs of the first and second comparators ovnya connected to the output of the symmetric triangular modulation voltage level outputs of the comparators are connected to a second input of the electronic key, the electronic key and the output is connected to a symmetric triangular input of the modulating voltage. In this case, the beat signal amplifier contains a series-connected pre-amplifier with automatic gain control (AGC), a differentiating amplifier and a tracking filter.

Повышение точности измерения достигается тем, что введенные в устройство схема фиксации экстремума, электронный ключ и два компаратора уровня исключают скачки фазы в сигнале биений и тем самым устраняют провалы амплитуды сигнала. Сигнал разностной частоты на выходе следящего фильтра принимает форму непрерывной синусоиды. Измерение частоты такого сигнала возможно с очень высокой точностью. Improving the measurement accuracy is achieved by the fact that the extremum fixing circuit, an electronic key, and two level comparators introduced in the device eliminate phase jumps in the beat signal and thereby eliminate the signal amplitude dips. The difference frequency signal at the output of the servo filter takes the form of a continuous sinusoid. Frequency measurement of such a signal is possible with very high accuracy.

На фиг.1 представлена структурная электрическая схема радиолокационного уровнемера; на фиг.2 - графики, поясняющие его работу. Figure 1 presents the structural electrical diagram of a radar level gauge; figure 2 - graphs explaining his work.

Радиолокационный уровнемер содержит формирователь симметричного треугольного модулирующего напряжения 1, модулятор 2, приемно-передающий СВЧ модуль 3, антенну 4, усилитель сигнала разностной частоты 5, измеритель частоты 6, схему фиксации экстремума 7, электронный ключ 8 и два компаратора уровня 9 и 10. The radar level gauge contains a symmetric triangular modulating voltage generator 1, a modulator 2, a microwave transmitting and receiving module 3, an antenna 4, a differential frequency signal amplifier 5, a frequency meter 6, an extremum fixing circuit 7, an electronic key 8, and two level 9 and 10 comparators.

Усилитель сигнала разностной частоты 5 содержит предварительный усилитель с АРУ 11, дифференцирующий усилитель 12 и следящий фильтр 13. The differential frequency signal amplifier 5 comprises a preamplifier with AGC 11, a differentiating amplifier 12, and a servo filter 13.

Формирователь симметричного треугольного модулирующего напряжения 1, модулятор 2, приемно-передающий СВЧ модуль 3 с антенной 4, усилитель сигнала разностной частоты 5 и измеритель частоты 6 соединены последовательно. К выходу усилителя сигнала разностной частоты 5 подсоединен вход схемы фиксации экстремума 7, выход которой соединен с первым входом электронного ключа 8. К выходу формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1 подключены входы первого компаратора уровня 9 и второго компаратора уровня 10. Выходы компараторов уровня 9 и 10 соединены с вторым входом электронного ключа 8. Выход электронного ключа 8 соединен с входом формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1. Предварительный усилитель с АРУ 11, дифференцирующий усилитель 12 и следящий фильтр 13, входящие в состав усилителя сигнала разностной частоты 5, соединены последовательно. Shaper of a symmetric triangular modulating voltage 1, modulator 2, transmit-receive microwave module 3 with antenna 4, a signal of the difference frequency signal 5 and a frequency meter 6 are connected in series. The output of the differential frequency signal amplifier 5 is connected to the input of an extremum fixing circuit 7, the output of which is connected to the first input of the electronic key 8. The inputs of the first comparator of level 9 and the second comparator of level 10 are connected to the output of the driver of the symmetric triangular modulating voltage 1. The outputs of comparators of levels 9 and 10 connected to the second input of the electronic key 8. The output of the electronic key 8 is connected to the input of the shaper of a symmetrical triangular modulating voltage 1. Preamplifier with AGC 11, differential erentsiruyuschy follower amplifier 12 and a filter 13 included in the difference frequency signal amplifier 5 are connected in series.

Радиолокационный уровнемер работает следующим образом. Симметричный треугольный модулирующий сигнал (фиг.2 а) с формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1 поступает на модулятор 2 и входы первого и второго компараторов уровня 9 и 10. В модуляторе 2 этот сигнал складывается с постоянным напряжением и с выхода модулятора 2 поступает на модулирующий вход приемно-передающего СВЧ модуля 3. СВЧ сигнал, формируемый приемно-передающим СВЧ модулем 3, поступает в антенну 4 и излучается в сторону поверхности, расстояние до которой требуется измерять. Отраженный сигнал принимается антенной 4 и поступает в приемно-передающий СВЧ модуль 3. С выхода приемно- передающего СВЧ модуля 3 на вход усилителя сигнала разностной частоты 5 поступает сигнал разностной частоты (фиг.2 г), частота которого пропорциональна измеряемой дальности. С выхода усилителя сигнала разностной частоты 5 сигнал разностной частоты поступает на вход измерителя частоты 6, где производится измерение, и вход схемы фиксации экстремума 7. На выходе схемы фиксации экстремума 7 формируются короткие импульсы (фиг.2 д) в моменты времени, соответствующие экстремумам сигнала разностной частоты. Эти импульсы поступают на первый (информационный) вход электронного ключа 8. На второй (управляющий) вход электронного ключа 8 поступают сигналы с выходов двух компараторов уровня 9 и 10. Radar level gauge works as follows. The symmetric triangular modulating signal (Fig. 2 a) from the shaper of the symmetric triangular modulating voltage 1 is supplied to the modulator 2 and the inputs of the first and second comparators of levels 9 and 10. In the modulator 2, this signal is added with a constant voltage and from the output of the modulator 2 is fed to the modulating input receiving and transmitting microwave module 3. The microwave signal generated by the receiving and transmitting microwave module 3, enters the antenna 4 and is radiated towards the surface, the distance to which you want to measure. The reflected signal is received by the antenna 4 and enters the transmitting and receiving microwave module 3. From the output of the receiving and transmitting microwave module 3, the difference frequency signal (Fig. 2 g) is received, the frequency of which is proportional to the measured range, to the input of the amplifier of the differential frequency signal 5. From the output of the amplifier of the signal of the differential frequency 5, the signal of the differential frequency is fed to the input of the frequency meter 6, where the measurement is made, and the input of the fixation circuit of the extremum 7. At the output of the fixation circuit of the extremum 7, short pulses are generated (Fig. 2 d) at time instants corresponding to the extrema of the signal differential frequency. These pulses are fed to the first (information) input of the electronic key 8. The second (control) input of the electronic key 8 receives signals from the outputs of two comparators of level 9 and 10.

Первый компаратор уровня 9 сравнивает симметричное треугольное модулирующее напряжение с положительным напряжением U1 (фиг.2 а). Если треугольное напряжение меньше U1, на выходе первого компаратора уровня 9 напряжение равно нулю. Когда во время прямого хода треугольное напряжение становится больше U1, на выходе первого компаратора уровня 9 появляется положительное напряжение (фиг.2 б), которое поступает на второй (управляющий) вход электронного ключа 8 и открывает его. После этого момента ближайший импульс, соответствующий экстремуму сигнала разностной частоты, проходит через открытый электронный ключ 8 на вход формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1 и переключает его на формирование обратного хода треугольного напряжения. Напряжение на выходе первого компаратора уровня 9 опять становится равным нулю в момент времени, когда треугольное напряжение становится меньше U1. The first level 9 comparator compares the symmetrical triangular modulating voltage with the positive voltage U1 (Fig. 2 a). If the triangular voltage is less than U1, the voltage at the output of the first level 9 comparator is zero. When during the forward stroke the triangular voltage becomes greater than U1, a positive voltage appears at the output of the first comparator of level 9 (Fig.2 b), which enters the second (control) input of the electronic key 8 and opens it. After this moment, the nearest pulse corresponding to the extremum of the difference frequency signal passes through an open electronic switch 8 to the input of the symmetric triangular modulating voltage generator 1 and switches it to the formation of a reverse voltage triangular voltage. The voltage at the output of the first comparator of level 9 again becomes equal to zero at the time when the triangular voltage becomes less than U1.

Второй компаратор уровня 10 сравнивает симметричное треугольное модулирующее напряжение с отрицательным напряжением U2 (фиг.2 а). Пока треугольное напряжение превышает U2, на выходе второго компаратора уровня 10 напряжение равно нулю. В момент времени, когда на обратном ходе треугольное напряжение становится меньше, чем U2, на выходе второго компаратора уровня 10 появляется положительное напряжение (фиг.2 в). Оно поступает на второй (управляющий) вход электронного ключа 8 и открывает его. После этого момента ближайший импульс с выхода схемы фиксации экстремума 7 поступает через открытый электронный ключ 8 на вход формирователя симметричного треугольного модулирующего напряжения 1 и переключает его на формирование прямого хода треугольного напряжения. Напряжение на выходе второго компаратора уровня 10 опять становится равным нулю в момент времени, когда треугольное напряжение становится больше U2. The second level 10 comparator compares the symmetric triangular modulating voltage with the negative voltage U2 (FIG. 2 a). As long as the triangular voltage exceeds U2, the voltage at the output of the second level 10 comparator is zero. At the time when the reverse voltage, the triangular voltage becomes less than U2, a positive voltage appears at the output of the second level 10 comparator (Fig. 2 c). It goes to the second (control) input of the electronic key 8 and opens it. After this moment, the nearest pulse from the output of the fixation circuit of the extremum 7 enters through the open electronic switch 8 to the input of the shaper of a symmetrical triangular modulating voltage 1 and switches it to the formation of a direct stroke of the triangular voltage. The voltage at the output of the second comparator of level 10 again becomes equal to zero at the time when the triangular voltage becomes greater than U2.

Описанный процесс периодически повторяется. Период получившегося треугольного напряжения Т_м (фиг.2 а) не постоянен. При плавном уменьшении измеряемого расстояния он плавно увеличивается в пределах от 2Т_мин до (2Т_мин +Т_б), а затем скачком уменьшается опять до 2Т_мин и процесс повторяется через отрезки расстояния ΔR = C/8ΔF Здесь: Т_мин - некоторый интервал времени, задающий минимальную длительность прямого и обратного хода модулирующего напряжения (фиг.2 а), Т_б - период сигнала разностной частоты (фиг.2 г), C - скорость света, ΔF - двойная девиация частоты СВЧ генератора.The described process is periodically repeated. The period of the resulting triangular voltage T _m (Fig.2 a) is not constant. With a smooth decrease in the measured distance, it gradually increases in the range from 2T _min to (2T _min + T _b ), and then abruptly decreases again to 2T _min and the process is repeated through the distance segments ΔR = C / 8ΔF Here: T _min is a certain time interval, specifying the minimum duration of the forward and reverse stroke of the modulating voltage (Fig. 2 a), T _b is the period of the difference frequency signal (Fig. 2 g), C is the speed of light, ΔF is the double frequency deviation of the microwave generator.

При плавном увеличении расстояния период модулирующего треугольного напряжения наоборот плавно уменьшается в пределах от (2Т_мин+Т_б) до 2Т_мин, а затем скачком увеличивается до исходного значения.With a smooth increase in the distance, the period of the modulating triangular voltage, on the contrary, gradually decreases in the range from (2T _min + T _b ) to 2T _min , and then increases stepwise to the initial value.

В итоге период треугольного модулирующего напряжения все время автоматически устанавливается таким, чтобы в нем укладывалось целое число полупериодов сигнала разностной частоты, а переход от прямого хода треугольного напряжения к обратному и наоборот производится в моменты достижения сигналом биения своих экстремумов. При этом изменяется и амплитуда треугольного напряжения, а крутизна его нарастания и снижения остается неизменной. As a result, the period of the triangular modulating voltage is automatically set all the time so that an integer number of half-periods of the difference frequency signal fits into it, and the transition from the forward course of the triangular voltage to the reverse and vice versa is made when the beat signal reaches its extremes. In this case, the amplitude of the triangular voltage also changes, and the steepness of its increase and decrease remains unchanged.

Описанный порядок работы схемы и изображенный на фиг.2 г сигнал соответствуют идеальному случаю, т.е. отсутствию шумов и помех. Наличие шумов и помех приведет к тому, что момент экстремума сигнала разностной частоты будет определен с ошибкой. Эта ошибка не позволит полностью исключить скачки фазы. Поэтому в схему необходимо включать узкополосный следящий фильтр, позволяющий качественно отфильтровать полезный сигнал разностной частоты на фоне шумов и помех. Предварительный усилитель с АРУ и дифференцирующий усилитель улучшают условия фильтрации полезного сигнала, обеспечивая независимость амплитуды сигнала на входе следящего фильтра от измеряемой дальности. В результате работы схемы исключается скачок фазы в сигнале разностной частоты. Он принимает вид непрерывного синусоидального колебания с частотой, пропорциональной дальности. Фильтрация такого сигнала не изменяет его амплитуду. Поэтому исключаются провалы сигнала в зоне обращения и, следовательно, увеличивается точность измерения его частоты. The described order of operation of the circuit and the signal shown in FIG. 2 g correspond to the ideal case, i.e. lack of noise and interference. The presence of noise and interference will lead to the fact that the time of the extremum of the signal of the differential frequency will be determined with an error. This error will not completely eliminate phase jumps. Therefore, it is necessary to include a narrow-band servo filter in the circuit, which allows you to qualitatively filter the useful signal of the differential frequency against the background of noise and interference. A pre-amplifier with AGC and a differentiating amplifier improve the filtering conditions of the useful signal, ensuring the independence of the signal amplitude at the input of the tracking filter from the measured range. As a result of the operation of the circuit, a phase jump in the difference frequency signal is excluded. It takes the form of a continuous sinusoidal oscillation with a frequency proportional to range. Filtering such a signal does not change its amplitude. Therefore, signal dips in the circulation zone are eliminated and, therefore, the accuracy of measuring its frequency increases.

Литература
1. Кагаленко Б.В., Марфин В.П. Мещеряков В.П. Частотный дальномер повышенной точности. - Измерительная техника, 1981, N 11, c.68.Literature
1. Kagalenko B.V., Marfin V.P. Meshcheryakov V.P. Frequency rangefinder of increased accuracy. - Measuring equipment, 1981, N 11, p. 68.

2. Винницкий А.С. Модулированные фильтры и следящий прием ЧМ. - Сов. Радио, М., 1969 г. 2. Vinnitsky A.S. Modulated filters and FM tracking. - Owls. Radio, M., 1969

Claims

1. A radar level gauge containing a serially connected driver of a symmetric triangular modulating voltage, a modulator, a microwave transceiver module with an antenna, a differential frequency signal amplifier and a frequency meter, characterized in that an extremum fixing circuit, an electronic key and two level comparators are introduced into it, and the input extremum fixing circuits are connected to the output of the differential frequency amplifier, and the output to the first input of the electronic key, the inputs of the first and second level comparators are connected s with the output of the symmetric triangular modulation voltage level outputs of the comparators are connected to a second input of the electronic key and an electronic key output coupled to an input of the symmetrical voltage triangle.

2. The radar level gauge according to claim 1, characterized in that the differential frequency signal amplifier comprises a series-connected pre-amplifier with automatic gain control, a differentiating amplifier and a tracking filter.