RU2399888C1 - Method of measuring level of material in reservoir - Google Patents
Method of measuring level of material in reservoir Download PDFInfo
- Publication number
- RU2399888C1 RU2399888C1 RU2009102574/28A RU2009102574A RU2399888C1 RU 2399888 C1 RU2399888 C1 RU 2399888C1 RU 2009102574/28 A RU2009102574/28 A RU 2009102574/28A RU 2009102574 A RU2009102574 A RU 2009102574A RU 2399888 C1 RU2399888 C1 RU 2399888C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- level
- measurement
- frequency
- change
- signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может применяться для прецизионного измерения уровня жидких материалов.The invention relates to the field of measurement technology and can be used for precision level measurement of liquid materials.
Известен радиолокационный способ измерения уровня [1], включающий измерение времени распространения радиоволн, излученных в направлении на поверхность среды и отраженных от нее, и вычисление по измеренному времени распространения радиоволн дальности до поверхности среды. Указанный способ не позволяет измерять уровень с достаточной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных конструктивными особенностями резервуара с жидким материалом, так как мешающие отражения искажают форму сигнала и тем самым приводят к большой ошибке в измерении времени задержки.Known radar method of measuring the level [1], including measuring the propagation time of radio waves radiated in the direction to the surface of the medium and reflected from it, and calculating the measured propagation time of the radio waves of the distance to the surface of the medium. The specified method does not allow to measure the level with sufficient accuracy in the presence of interfering reflections caused by the design features of the tank with liquid material, since interfering reflections distort the waveform and thereby lead to a large error in measuring the delay time.
Известен способ измерения расстояния, реализованный в устройстве [2], заключающийся в том, что излучают частотно-модулированный сигнал в направлении содержимого резервуара, принимают, спустя время распространения, отраженный сигнал и смешивают его с частью излучаемого сигнала для получения сигнала разностной частоты (СРЧ). Фазу этого сигнала используют для измерения расстояния до поверхности контролируемой среды, при условии поддержании постоянной самой разностной частоты, путем управления периодом модуляции. При этом фаза сигнала разностной частоты при измерении расстояния будет непрерывно меняться в пределах 2πN+φ пропорционально изменению расстояния. Здесь N - целое число периодов СРЧ, содержащееся в периоде модуляции, φ - число, соответствующее оставшейся части периода, то есть начальная фаза СРЧ. Таким образом, определение расстояния сводится к подсчету числа N, измерению фазы φ и вычислению расстояния.A known method of measuring distance, implemented in the device [2], which consists in the fact that they emit a frequency-modulated signal in the direction of the contents of the tank, receive, after the propagation time, the reflected signal and mix it with part of the emitted signal to obtain a differential frequency signal (RF) . The phase of this signal is used to measure the distance to the surface of the controlled medium, provided that the difference frequency itself is kept constant by controlling the modulation period. In this case, the phase of the difference frequency signal during distance measurement will continuously vary within 2πN + φ in proportion to the distance change. Here N is an integer number of periods of the RHF contained in the modulation period, φ is the number corresponding to the remaining part of the period, that is, the initial phase of the RHF. Thus, the determination of the distance is reduced to counting the number N, measuring the phase φ and calculating the distance.
Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с заданной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных элементами конструкции резервуара, так как наличие помех сильно изменяет фазу сигнала и приводит к большой ошибке.The disadvantage of this method is the inability to measure the level with a given accuracy in the presence of interfering reflections caused by structural elements of the tank, since the presence of interference greatly changes the phase of the signal and leads to a large error.
Также известен способ измерения расстояния [3], включающий формирование и излучение зондирующего сигнала с периодической частотной модуляцией в начальном диапазоне частотной модуляции; прием эхосигнала, выделение части зондирующего сигнала и смешивание его с принятым эхосигналом; вычисление спектра по СРЧ, полученному за половину периода модуляции и определение его центральной частоты; вычисление расстояния по измеренной центральной частоте СРЧ и количества минимальных интервалов расстояния, укладывающихся в измеряемом расстоянии, соответствующих числу периодов СРЧ на полупериоде модуляции; уменьшение начального диапазона частотной модуляции до получения целого числа интервалов расстояния, соответствующих целому числу периодов СРЧ на полупериоде модуляции и максимуму спектральной составляющей, соответствующей измеряемому расстоянию и вычислению расстояния по частоте этой максимальной спектральной составляющей СРЧ.Also known is a method of measuring distance [3], which includes generating and emitting a probing signal with periodic frequency modulation in the initial frequency modulation range; receiving an echo signal, extracting part of the probe signal and mixing it with the received echo signal; calculation of the spectrum according to the RMS obtained for half the modulation period and determination of its center frequency; calculating the distance from the measured center frequency of the RFS and the number of minimum distance intervals that fit into the measured distance corresponding to the number of periods of the RFI at the half-period of modulation; reducing the initial range of frequency modulation to obtain an integer number of distance intervals corresponding to an integer number of periods of the UHF at the half-period of modulation and the maximum spectral component corresponding to the measured distance and calculating the frequency distance of this maximum spectral component of the UHF.
Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с высокой точностью вблизи мешающих отражателей, так как основной и боковые лепестки спектра помехи искажают форму основного лепестка спектра сигнала и тем самым вызывают большую ошибку в определении истинного положения экстремума спектра.The disadvantage of this method is the inability to measure the level with high accuracy near the interfering reflectors, since the main and side lobes of the interference spectrum distort the shape of the main lobe of the signal spectrum and thereby cause a large error in determining the true position of the extremum of the spectrum.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существенных признаков (прототипом) является способ измерения уровня [4] радаром, ориентированным по максимуму эхо-сигнала от измеряемой поверхности и включающий излучение последовательности микроволновых сигналов, дискретные угловые частоты в которых равномерно распределены по сканируемому диапазону частот. Сигнал, отраженный от измеряемой поверхности, смешивают с частью излучаемого сигнала для получения двух сигналов разностной частоты, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол π/2 (сигналов квадратур), которые после аналого-цифрового преобразования подаются на микропроцессор. Обработка последовательности отсчетов квадратур включает обратное дискретное преобразование Фурье, использование для локализации источников наиболее мощных излучений метода высокого разрешения MUZIC, селекцию эхо-сигналов во временной области и в конечном итоге получение расстояния до измеряемого уровня.The closest technical solution for the totality of essential features (prototype) is a level measurement method [4] with a radar oriented to the maximum of the echo signal from the measured surface and including radiation from a sequence of microwave signals in which discrete angular frequencies are uniformly distributed over the scanned frequency range. The signal reflected from the measured surface is mixed with a part of the emitted signal to obtain two differential frequency signals phase-shifted relative to each other by an angle π / 2 (quadrature signals), which, after analog-to-digital conversion, are fed to the microprocessor. Processing the sequence of quadrature samples includes the inverse discrete Fourier transform, the use of the MUZIC high-resolution method for localizing the sources of the most powerful radiation, the selection of echo signals in the time domain, and ultimately obtaining the distance to the measured level.
Недостатком способа является недостаточно высокая точность измерения уровня при наличии мешающих отражений, вызванных элементами конструкции резервуара и неоднородностями антенно-волноводного тракта из-за их взаимного влияния на полезный сигнал. Анализ описания и формулы патента позволяют сделать вывод, что метод высокого разрешения типа MUZIC, либо другие методы, дающие улучшение разрешения по частоте, позволяют увеличить точность измерения на некотором расстоянии вблизи мешающего отражателя по сравнению со способами, основанными на определении положения максимальной спектральной составляющей, например [3]. Однако основная причина недостаточной точности при наличии мешающих отражений остается - это взаимное влияние спектров полезного и мешающего сигналов, приводящее к искажению соотношений интенсивностей спектральных составляющих полезного и мешающего отражателей и в результате к перепутыванию полезного и ложного отражателей при их локализации, что вызывает большую погрешность измерения уровня, проявляющуюся в скачкообразном изменении результатов измерения.The disadvantage of this method is the insufficiently high accuracy of level measurement in the presence of interfering reflections caused by reservoir structural elements and inhomogeneities of the antenna-waveguide path due to their mutual influence on the useful signal. An analysis of the description and patent claims allows us to conclude that the high-resolution method of the MUZIC type, or other methods that improve the frequency resolution, can increase the measurement accuracy at a distance near the interfering reflector in comparison with methods based on determining the position of the maximum spectral component, for example [3]. However, the main reason for the lack of accuracy in the presence of interfering reflections remains - this is the mutual influence of the spectra of the useful and interfering signals, leading to a distortion of the ratios of the intensities of the spectral components of the useful and interfering reflectors and, as a result, to confusing the useful and false reflectors when they are localized, which causes a large level measurement error , manifested in an abrupt change in the measurement results.
Цель предлагаемого изобретения - уменьшение погрешности измерения уровня при наличии мешающих отражений от элементов конструкции резервуара.The purpose of the invention is to reduce the error of level measurement in the presence of interfering reflections from the structural elements of the tank.
Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения уровня, включающем формирование зондирующего радиочастотного сигнала с линейной ступенчатой периодической частотной модуляцией с известными значениями несущей частоты и девиации частоты, излучение сформированного сигнала в направлении зондируемого материала, прием, спустя время распространения, отраженного сигнала, смешивание его с частью излучаемого сигнала, выделение сигнала разностной частоты для получения отсчетов с выхода аналого-цифрового преобразователя, вычисление спектра этого сигнала с помощью быстрого преобразования Фурье, грубое оценивание дальности до материала по грубой оценке частоты максимальной спектральной составляющей, точное оценивание дальности до материала по точной оценке разностной частоты, соответствующей максимальной спектральной составляющей, найденной путем расчета непрерывно-дискретного преобразования Фурье и варьирования разностной частоты в пределах одного частотного дискрета спектра вокруг грубой оценки частоты максимальной спектральной составляющей в обе стороны, определение уровня в зоне повышенной погрешности измерения вблизи мешающего отражателя производится с помощью предсказания уровня по значению уровня, определенному на предыдущем цикле измерения, скорости изменения уровня, измеренной вне зоны с повышенной погрешностью измерения и измеренному интервалу времени, прошедшему между двумя соседними циклами измерения, причем предсказание положения уровня производится с учетом направления его изменения, определяемого по значению вспомогательного управляющего сигнала.This goal is achieved by the fact that in the level measurement method, including generating a probing radio frequency signal with a linear stepwise periodic frequency modulation with known values of the carrier frequency and frequency deviation, the radiation of the generated signal in the direction of the probed material, reception, after the propagation time of the reflected signal, mixing it with a part of the emitted signal, extracting the differential frequency signal to obtain samples from the output of the analog-to-digital converter, calculating e of the spectrum of this signal using a fast Fourier transform, a rough estimate of the distance to the material from a rough estimate of the frequency of the maximum spectral component, an accurate estimate of the distance to the material from an accurate estimate of the difference frequency corresponding to the maximum spectral component found by calculating the continuously discrete Fourier transform and varying the difference frequencies within one frequency discrete spectrum around a rough estimate of the frequency of the maximum spectral component in both directions s, the determination of the level in the zone of increased measurement error near the interfering reflector is performed by predicting the level from the level value determined in the previous measurement cycle, the rate of change of the level measured outside the zone with increased measurement error and the measured time interval between two adjacent measurement cycles, moreover, the prediction of the position of the level is made taking into account the direction of its change, determined by the value of the auxiliary control signal.
При таком определении уровня исключается влияние мешающего отражателя на результат измерения и ошибка измерения резко уменьшается. Скорость изменения уровня определяется на участках изменения уровня, где влияние мешающего отражателя несущественно, по результатам измерения изменения уровня и соответствующего интервала времени между двумя соседними измерениями и усреднением результатов на нескольких циклах измерения. При предсказании уровня внутри зоны с повышенной погрешностью измерения и при оценке скорости изменения уровня вне зоны с повышенной погрешностью измерения определение направление изменения уровня или отсутствие какого-либо изменения уровня производится по величине вспомогательного управляющего сигнала.With this determination of the level, the influence of the interfering reflector on the measurement result is eliminated and the measurement error decreases sharply. The rate of change of level is determined in areas of level change, where the influence of the interfering reflector is not significant, according to the results of measuring the level change and the corresponding time interval between two adjacent measurements and averaging the results over several measurement cycles. When predicting the level inside the zone with increased measurement error and when assessing the rate of level change outside the zone with increased measurement error, the direction of the level change or the absence of any level change is determined by the value of the auxiliary control signal.
Для определения границ зон с повышенной погрешностью измерения производится предварительное обучение измерительного прибора, при котором на пустом резервуаре определяется положение всех мешающих отражателей, превышающих по величине отраженного сигнала некоторый заранее заданный уровень, и в окрестности каждого из них указываются две границы зон с повышенной погрешностью, отличающиеся в обе стороны от расстояния до соответствующего мешающего отражателя на утроенную величину элемента разрешения частотно модулированного сигнала с указанной девиацией частоты.To determine the boundaries of zones with a high measurement error, preliminary training of the measuring device is performed, in which the position of all interfering reflectors exceeding a predetermined level in terms of the reflected signal is determined on an empty tank, and in the vicinity of each of them two boundaries of zones with a high error are indicated, differing on both sides from the distance to the corresponding interfering reflector by a triple value of the resolution element of the frequency-modulated signal with indicated deviation of frequency.
Заявляемый способ измерения уровня материала в резервуаре обладает совокупностью признаков не известных из уровня техники для способов подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".The inventive method of measuring the level of material in the tank has a combination of features not known from the prior art for methods of this purpose, which allows us to conclude that the criterion of "novelty".
Для доказательства изобретательского уровня необходимо учесть, что известный способ измерения уровня [4], основанный на методе высокого разрешения типа MUZIC, позволяет увеличить разрешающую способность и соответственно точность измерения в некоторой зоне вблизи мешающего отражения по сравнению со способами, основанными на определении положения максимальной спектральной составляющей, например [3]. Однако основная причина недостаточной точности при наличии мешающих отражений остается - это взаимное влияние спектров полезного и мешающего сигналов, вызывающее неверную передачу соотношений отсчетов спектра полезного и мешающего отражателей, и наличие паразитной амплитудной модуляции и нелинейных искажений СРЧ. Вследствие неверной передачи амплитудных соотношений в известном способе измерения происходит перепутывание полезного и мешающего отражателей при локализации полезного отражателя по максимальной спектральной составляющей, в результате чего возникает большая погрешность измерения расстояния в виде отдельных выбросов погрешности. Причем, чем больше уровень шума, тем это явление проявляется чаще.To prove the inventive step, it is necessary to take into account that the known method of level measurement [4], based on the high resolution method of the MUZIC type, allows to increase the resolution and, accordingly, the measurement accuracy in a certain area near the interfering reflection in comparison with methods based on determining the position of the maximum spectral component , for example [3]. However, the main reason for the lack of accuracy in the presence of interfering reflections remains - this is the mutual influence of the spectra of the useful and interfering signals, causing an incorrect transmission of the ratios of the readings of the spectrum of the useful and interfering reflectors, and the presence of spurious amplitude modulation and non-linear distortions of the RMS. Due to the incorrect transmission of amplitude ratios in the known measurement method, the useful and interfering reflectors are mixed up when the useful reflector is localized by the maximum spectral component, resulting in a large distance measurement error in the form of individual error spikes. Moreover, the greater the noise level, the more this phenomenon manifests itself.
Заявленный способ не имеет этого недостатка, так как в нем при изменении уровня внутри зоны с повышенной погрешностью измерения, начиная от любой ее границы, производится предсказание текущего значения уровня по значению уровня, определенного на предыдущем цикле измерения, оцененной скорости изменения уровня с учетом направления изменения и измеренного интервала времени, прошедшего между двумя циклами измерения. Поэтому погрешность измерения существенно снижается во всех точках зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи мешающего отражателя, в том числе и непосредственно вблизи мешающего отражателя, где известный способ приводит к повышенной погрешности. Причем на результаты предсказания не влияет уровень шума и соотношение интенсивностей полезного и мешающего отражений.The claimed method does not have this drawback, since when it changes the level inside the zone with an increased measurement error, starting from any of its boundaries, the current level is predicted by the value of the level determined on the previous measurement cycle, the estimated rate of change of level, taking into account the direction of change and a measured time interval elapsed between two measurement cycles. Therefore, the measurement error is significantly reduced at all points of the zone with a high measurement error near the interfering reflector, including directly near the interfering reflector, where the known method leads to increased error. Moreover, the prediction results are not affected by the noise level and the ratio of the intensities of the useful and interfering reflections.
Указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения - "Изобретательский уровень".These differences do not follow explicitly from available scientific and technical sources, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of the invention - "Inventive step".
Эти отличия приводят к появлению качественно нового свойства заявленного способа - возможности измерения уровня материала при наличии мешающих отражений при произвольном соотношении сигналов, отраженных от материала и мешающего отражателя. Это новое свойство позволяет повысить точность измерений.These differences lead to the appearance of a qualitatively new property of the claimed method - the ability to measure the level of the material in the presence of interfering reflections with an arbitrary ratio of signals reflected from the material and the interfering reflector. This new property improves the accuracy of measurements.
Осуществление заявленного способа поясняется с помощью чертежей, показанных на фиг.1-5.The implementation of the claimed method is illustrated using the drawings shown in figures 1-5.
На фиг.1 изображено устройство для измерения уровня при наличии мешающих отражателей в резервуаре.Figure 1 shows a device for measuring the level in the presence of interfering reflectors in the tank.
На фиг.2 изображена блок-схема программы предсказания уровня с учетом управляющего сигнала в режиме измерения уровня.Figure 2 shows a block diagram of a level prediction program taking into account the control signal in the level measurement mode.
На фиг.3 изображена блок-схема программы обработки сигнала при выполнении обучения.Figure 3 shows a block diagram of a signal processing program when performing training.
На фиг.4 изображены зависимости погрешности измерения расстояния на основе преобразования Фурье и предложенным способом, полученные путем моделирования процесса измерения на компьютере.Figure 4 shows the dependence of the error of distance measurement based on the Fourier transform and the proposed method, obtained by modeling the measurement process on a computer.
На фиг.5 изображены зависимости погрешности измерения расстояния на основе преобразования Фурье и известным способом, основанным на методе высокого разрешения MUSIK, полученные путем моделирования процесса измерения на компьютере.Figure 5 shows the dependence of the error of distance measurement based on the Fourier transform and a known method based on the high resolution method MUSIK obtained by simulating the measurement process on a computer.
Устройство для измерения уровня содержит формирователь (Ф) 1 сигнала, выход которого соединен со входом усилителя СВЧ (УСВЧ) 2, направленный ответвитель (НО) 3, причем выход усилителя СВЧ 2 подключен ко входу НО 3, циркулятор (Ц) 4, вход которого соединен с первым выходом направленного ответвителя 3, антенну (А) 5, подключенную к первому выходу циркулятора 4, смеситель (См) 6, входы которого соединены со вторыми выходами направленного ответвителя 3 и циркулятора 4, а выход соединен через последовательно соединенные усилитель (У) 7 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 с первым входом процессора (Пр) 9. Второй выход формирователя 1 соединен со вторым входом процессора 9, первый выход процессора 9 соединен со вторым входом АЦП 8, а второй выход процессора является выходом устройства. На третий вход процессора 9 поступает управляющий сигнал, сигнализирующий о факте изменения уровня и его направлении изменения.The level measuring device comprises a signal shaper (Ф) 1, the output of which is connected to the input of the microwave amplifier (UHF) 2, a directional coupler (HO) 3, the output of the
Способ измерения уровня материала в резервуаре осуществляют следующим образом.The method of measuring the level of material in the tank is as follows.
Формирователь 1 формирует зондирующий радиочастотный сигнал с линейной ступенчатой периодической частотной модуляцией. Этот сигнал после усиления в усилителе СВЧ 2 поступает через направленный ответвитель 3 и циркулятор 4 в антенну 5 и излучается в направлении контролируемого материала. В предлагаемом способе измерения уровня используется частотная модуляция по треугольному закону. Измерение уровня происходит при использовании СРЧ, полученном на интервале 0÷Тмод/2, где Тмод - период частотной модуляции. Спустя время распространения отраженный сигнал принимается антенной 5 и со второго выхода циркулятора 4 поступает на первый вход смесителя 6. На второй вход смесителя 6 поступает часть излучаемого сигнала со второго выхода направленного ответвителя 3. СРЧ с выхода смесителя через усилитель 7 поступает на вход АЦП 8. На второй вход АЦП 8 поступают импульсы управления с первого выхода процессора 9. С помощью АЦП получают цифровые отсчеты СРЧ u(k) k=0, …, N-1. Отсчеты СРЧ в цифровой форме поступают на первый вход процессора 9. На второй вход процессора 9 поступает пачка синхронизирующих импульсов, соответствующих половине периода модуляции со второго выхода формирователя 1. На третий вход процессора 9 поступает вспомогательный управляющий сигнал, позволяющий определить направление перемещения уровня или отсутствие перемещения. Результат измерения уровня материала в резервуаре поступает на второй выход процессора 9.
Блок-схема работы процессора в режиме измерения уровня материала приведена на фиг.2. В блоке 10 производится инициализация необходимых переменных. Это установка признака первого измерения Perv_Vkl=1 и обнуление признака входа в зону повышенной погрешности измерения Pr izn=0, ввод из перепрограммируемого ПЗУ количества К зон с повышенной погрешностью измерения, их границ R1,k, R2,k, k=1,…,К, которые найдены в режиме обучения на пустой емкости, и значений скорости налива vн,k и скорости слива материала vc,k, k=1, …, К в каждой зоне с повышенной погрешностью измерения, определяемых перед началом измерений по техническим характеристикам оборудования резервуара. В блоке 11 производится ввод цифровых отсчетов u(k) k=0, …, N-1 СРЧ в течение времени одного полупериода модуляции. Моменты ввода отсчетов СРЧ задаются синхронизирующим сигналом, поступающим на второй вход процессора 9 с формирователя 1. Кроме того, производится фиксация момента времени, в который закончилось считывание СРЧ. Далее в блоке 11 выполняют грубую оценку частоты СРЧ, для чего вычисляют с помощью быстрого преобразования Фурье дискретный спектр , n=0, …, N-1 этого сигнала, умноженного на отсчеты весовой функции W(k), k=0, …, N-1 (например, весовой функции Блэкмана):A block diagram of the processor in the mode of measuring the level of material shown in figure 2. In block 10, the necessary variables are initialized. This is setting the sign of the first measurement Perv_Vkl = 1 and zeroing the sign of entry into the zone of increased measurement error Pr izn = 0, entering from the reprogrammable ROM the number K of zones with increased measurement error, their boundaries R 1, k , R 2, k , k = 1, ..., K, which were found in the training mode on an empty tank, and the values of the pouring speed v n, k and the discharge rate of the material v c, k , k = 1, ..., K in each zone with an increased measurement error, determined before starting measurements on technical specifications of tank equipment. In block 11, the digital samples u (k) k = 0, ..., N-1 RMS are input during one half-period of modulation. The moments of input of the RPS samples are set by the synchronizing signal supplied to the second input of the
n=0, …, N-1, n = 0, ..., N-1,
находят номер отсчета nмакс спектральной составляющей с максимальной амплитудой и соответствующее значение дискретной частоты ωnмакс=4πnмакс/Tмод.find the reference number n max spectral component with maximum amplitude and the corresponding value of the discrete frequency ω nmax = 4πn max / T mod .
Затем делают уточненную оценку разностной частоты. Для этого вычисляют непрерывно-дискретное преобразование Фурье СРЧ, умноженного на отсчеты весовой функции:Then make an accurate estimate of the difference frequency. To do this, calculate the continuously-discrete Fourier transform of the RMS, multiplied by the samples of the weight function:
варьируют значение частоты ω в диапазоне от (ωiмакс-4π/Tмод) до (ωiмакс+4π/Tмод) с шагом Δω, задающим погрешность оценки частоты, и находят положение ωмакс максимума модуля спектра По полученному значению разностной частоты ωмакс вычисляют текущую i-ю оценку расстояния до материала:vary the value of the frequency ω in the range from (ω imax -4π / T modes ) to (ω imax + 4π / T modes ) with a step Δω setting the error in the estimation of the frequency, and find the position ω max of the spectrum modulus Based on the obtained value of the differential frequency ω max calculate the current i-th distance estimate before material:
где с - скорость распространения электромагнитной волны внутри резервуара; ΔF - девиация частоты при ЧМ, и вычисляют фазу соответствующую максимуму спектра.where c is the propagation velocity of the electromagnetic wave inside the tank; ΔF is the frequency deviation at FM, and the phase is calculated corresponding to the maximum of the spectrum.
В блоке 12 проверяют признак первого включения Perv_Vkl. Если он равен 1, что соответствует проведению первого измерения, то производится обнуление этого признака в блоке 13, фиксация полученного результата в блоке 14 и переход к новому циклу измерений, т.е. к блоку 11.In block 12, the sign of the first inclusion of Perv_Vkl is checked. If it is equal to 1, which corresponds to the first measurement, then this feature is zeroed in block 13, the result is fixed in block 14 and the transition to a new measurement cycle, i.e. to block 11.
Если в блоке 12 определено, что измерение не первое, то производится переход к блоку 15, где вычисляют интервал времени tизм, прошедший с момента предыдущего измерения. Далее в блоке 16 сравнивают полученную в блоке 11 оценку расстояния с границами зон с повышенной погрешностью измерения R1,k, R2,k, k=1, …, К, и проверяют, находится ли уровень материала в одной из зон с повышенной погрешностью измерения вблизи соответствующего мешающего отражателя:If it is determined in block 12 that the measurement is not the first, then a transition is made to block 15, where the time interval t ism calculated from the moment of the previous measurement is calculated. Next, in block 16, the distance estimate obtained in block 11 is compared with the boundaries of zones with increased measurement error R 1, k , R 2, k , k = 1, ..., K, and check whether the material level is in one of the zones with increased measurement error near the corresponding interfering reflector:
R1,k≤Ri≤R2,k.R 1, k ≤R i ≤R 2, k .
Если уровень материала находится в пределах одной из зон с повышенной погрешностью измерения, происходит переход к блоку 17, где проверяется признак Pr izn выполнения первого измерения в зоне с повышенной погрешностью измерения. Если Рr izn=0, что соответствует первому входу в одну из зон с повышенной погрешностью измерения, то в блоке 18 производится инверсия признака первого измерения Pr izn=1, запись соответствующей скорости слива или налива в перепрограммируемое ПЗУ и переход к блоку 19. Если измерение в зоне повышенной погрешности не первое, то такая запись не производится, а сразу происходит переход к блоку 19. В блоке 19 определяется, производится ли слив материала (т.е. уменьшение уровня) проверкой значения вспомогательного управляющего сигнала. Если производится слив, то в блоке 20 производится предсказание результата:If the material level is within one of the zones with a high measurement error, the transition to block 17, where the sign Pr izn of the first measurement in the zone with a high measurement error, is checked. If Pr izn = 0, which corresponds to the first entrance to one of the zones with increased measurement error, then in block 18 the sign of the first measurement is inverted Pr izn = 1, the corresponding drain or fill rate is written to the reprogrammable ROM and go to block 19. If the measurement in the area of increased error is not the first, then such a recording is not performed, but proceeds immediately to block 19. In block 19, it is determined whether the material is drained (i.e., level reduction) by checking the value of the auxiliary control signal. If draining is performed, then in
где и - соответственно текущее и предыдущее значение измеренного расстояния, и переход к блоку 14 для фиксации результата.Where and - respectively, the current and previous value of the measured distance, and the transition to block 14 to fix the result.
Если слив не производится, то в блоке 21 проверяется, производится ли налив. Если налив производится, то производится предсказание результата:If no discharge is made, then in block 21 it is checked whether the filling is performed. If loading is done, then the result is predicted:
и переход к блоку 14 для фиксации результата.and proceeding to block 14 to record the result.
Если налив не производится, то из блока 21 сразу выполняется переход к блоку 23 для фиксации предыдущего результата.If loading is not performed, then from block 21 immediately proceeds to block 23 to fix the previous result.
Затем производится возврат к блоку 11 для ввода нового массива отсчетов СРЧ и т.д. циклически повторяется процедура измерения уровня.Then, it returns to block 11 to enter a new array of RPS samples, etc. the level measurement procedure is repeated cyclically.
Если в блоке 16 определено, что уровень не находится в зоне с повышенной погрешностью измерения, или он вышел из нее, то в блоке 24 производится обнуление признака первого измерения Pr izn=0 и переход к блоку 25, где проверяется, производится ли слив. Если слив производится, то в блоке 26 выполняется оценка скорости слива для k-й зоны с повышенной погрешностью измерения:If it is determined in block 16 that the level is not in the zone with an increased measurement error, or it has left it, then in block 24 the characteristic of the first measurement is reset to zero Pr izn = 0 and go to block 25, where it is checked whether the drain is performed. If draining is performed, then in block 26, an estimate of the drain rate for the k-th zone with increased measurement error:
где - накапливаемая статистика на i-м цикле измерений, , М - количество накопленных значений оценки соответствующей скорости.Where - accumulated statistics on the i-th measurement cycle, , M is the number of accumulated values for evaluating the corresponding speed.
Далее производится переход к блоку 14 для фиксации результата измерения, и затем возврат к блоку 11 для повторения цикла измерения.Next, go to block 14 to fix the measurement result, and then return to block 11 to repeat the measurement cycle.
Если слив не производится, то в блоке 27 проверяется, производится ли налив. Если налив производится, то в блоке 28 выполняется оценка скорости налива для k-й зоны с повышенной погрешностью измерения:If no discharge is made, then in block 27 it is checked whether the filling is performed. If loading is done, then in block 28, the estimation of the loading speed for the k-th zone with increased measurement error:
где - накапливаемая статистика на i-м цикле измерений, М - количество накопленных значений оценки соответствующей скорости. Далее производится переход к блоку 14 для фиксации результата измерения, и затем возврат к блоку 11 для повторения цикла измерения.Where - accumulated statistics on the i-th measurement cycle, M is the number of accumulated values for evaluating the corresponding speed. Next, go to block 14 to fix the measurement result, and then return to block 11 to repeat the measurement cycle.
Если в блоке 27 определено, что налив не производится, то происходит переход к блоку 14 и далее к блоку 11.If it is determined in block 27 that no loading is performed, then there is a transition to block 14 and then to block 11.
Процесс обучения на пустом резервуаре производится по блок-схеме программы, приведенной на фиг.3.The learning process on an empty tank is carried out according to the block diagram of the program shown in figure 3.
В блоке 29 происходит запись СРЧ на пустом резервуаре, в блоке 30 вычисляется спектр , n=0, …, N -1 сигнала СРЧ с помощью БПФ. В блоке 31 в области первых четырех дискретных спектральных составляющих спектра СРЧ осуществляется поиск локального максимума Sант, соответствующего отражению от кромки антенны и вычисление порогового значения:In
Sпор=aSант,S then = aS ant
где а - уровень порогового значения по отношению к уровню отражения от кромки антенны (например, а=-20 дБ).where a is the level of the threshold value with respect to the level of reflection from the edge of the antenna (for example, a = -20 dB).
В блоке 32 осуществляется поиск максимумов спектра , n=5, …, N-1, превысивших пороговое значение Sпор, определение их количества К, номеров отсчетов максимумов nмакс,k k=1, …, K и расчет дискретных частот ωnмакс,k=4πnмакс,k/Tмод, k=1, …, K, соответствующих этим максимумам.
В блоке 33 производится уточнение найденных дискретных частот с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, аналогично работе процессора в режиме измерения уровня и расчет расстояний Rмеш,k, k=1, …, K, соответствующих мешающим отражателям.In block 33, the discrete frequencies found are refined using the continuously discrete Fourier transform, similar to the processor’s operation in the level measurement mode, and the distances R mesh, k , k = 1, ..., K, corresponding to interfering reflectors, are calculated.
В блоке 34 производится определение К пар границ R1,k, R2,k, k=1, …, K зон с повышенной погрешностью измерения как соответственно разности и суммы расстояний до каждого из мешающих отражателей и утроенного значения элемента разрешения для используемого сигнала с ЧМ:In
В блоке 35 происходит запись полученных значений границ зон с повышенной погрешностью измерения в перепрограммируемое ПЗУ и выход из режима обучения.In
В предлагаемом способе при изменении уровня внутри зоны с повышенной погрешность измерения вблизи мешающего отражателя происходит постоянное предсказание результата с учетом факта наличия и направления изменения уровня и с использованием оценки скорости изменения уровня, полученной непосредственно перед входом в эту зону. Этот факт и позволяет существенно снизить погрешность измерения уровня материала.In the proposed method, when the level inside the zone changes with an increased measurement error near the interfering reflector, a constant prediction of the result takes into account the fact of the presence and direction of the level change and using the estimate of the rate of level change obtained immediately before entering this zone. This fact can significantly reduce the error in measuring the level of the material.
Моделирование процесса измерения уровня показало высокую эффективность предлагаемого способа измерения уровня материала в резервуаре. Так, на фиг.4 показана зависимость погрешности измерения расстояния внутри зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи мешающего отражателя для двух способов измерения. На фиг.4 стрелкой обозначено положение мешающего отражателя. Тонкой сплошной линией показана погрешность для способа, основанного на преобразовании Фурье. Толстой сплошной линией показана погрешность для предлагаемого способа. Все графики получены в одинаковых условиях измерения для несущей частоты 10 ГГц, девиации частоты 1 ГГц, уровне шума 50 дБ и формировании 1024 отсчетов смоделированного СРЧ.Modeling the level measurement process showed the high efficiency of the proposed method for measuring the level of material in the tank. So, figure 4 shows the dependence of the measurement error of the distance inside the zone with increased measurement error near the interfering reflector for two measurement methods. In figure 4, the arrow indicates the position of the interfering reflector. A thin solid line shows the error for a method based on the Fourier transform. The thick solid line shows the error for the proposed method. All graphs were obtained under the same measurement conditions for a carrier frequency of 10 GHz, a frequency deviation of 1 GHz, a noise level of 50 dB, and the formation of 1024 samples of a modeled RPS.
На фиг.5 по-прежнему стрелкой обозначено положение мешающего отражателя. Тонкой сплошной линией показана погрешность для способа, основанного на преобразовании Фурье. Толстой сплошной линией показана погрешность для известного способа. На некотором расстоянии от помехи известный способ действительно позволяет существенно снизить погрешность измерения. Однако есть зона вблизи мешающего отражателя, в которой локализация полезного отражателя по максимальной спектральной составляющей в методе MUSIK приводит к перепутыванию полезного и мешающего отражателей вследствие неверной передачи соотношения интенсивностей спектральных составляющих этих отражателей при расчете спектра. В результате наблюдаются большие резкие броски погрешности измерения расстояния, значительно превышающие погрешность, обеспечиваемую способом измерения на основе преобразования Фурье.In figure 5, the arrow still indicates the position of the interfering reflector. A thin solid line shows the error for a method based on the Fourier transform. The thick solid line shows the error for the known method. At a certain distance from the interference, the known method really allows to significantly reduce the measurement error. However, there is a zone near the interfering reflector in which localization of the useful reflector by the maximum spectral component in the MUSIK method leads to a confusion of the useful and interfering reflectors due to incorrect transmission of the ratio of the intensities of the spectral components of these reflectors in the calculation of the spectrum. As a result, large sharp throws of the distance measurement error are observed, significantly exceeding the error provided by the measurement method based on the Fourier transform.
Сравнение фиг.4 и 5 показывает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает существенное снижение погрешности измерения вблизи мешающего отражателя по сравнению с известными способами.A comparison of FIGS. 4 and 5 shows that the proposed measurement method provides a significant reduction in the measurement error near the interfering reflector in comparison with known methods.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES
1. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. М.: Сов. Радио, 1970.1. Theoretical foundations of radar. Ed. Shirmana Y.D. M .: Sov. Radio, 1970.
2. Марфин В.П., Кузнецов Ф.В. СВЧ уровнемер. // Приборы и системы управления. 1979, №11. С.28-29.2. Marfin V.P., Kuznetsov F.V. Microwave level gauge. // Devices and control systems. 1979, No. 11. S.28-29.
3. Патент РФ №2234717, G01S 13/34, 04.03.2003.3. RF patent No. 2234717, G01S 13/34, 03/04/2003.
4. Патент США 5504430. МКИ G01S 13/08.4. US patent 5504430. MKI G01S 13/08.
5. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. - М.: Радио и связь, 1991. - 608 с.5. Tikhonov V.I., Kharisov V.N. Statistical analysis and synthesis of radio engineering devices and systems. - M .: Radio and communications, 1991 .-- 608 p.
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009102574/28A RU2399888C1 (en) | 2009-01-26 | 2009-01-26 | Method of measuring level of material in reservoir |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009102574/28A RU2399888C1 (en) | 2009-01-26 | 2009-01-26 | Method of measuring level of material in reservoir |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2009102574A RU2009102574A (en) | 2010-08-10 |
RU2399888C1 true RU2399888C1 (en) | 2010-09-20 |
Family
ID=42698458
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009102574/28A RU2399888C1 (en) | 2009-01-26 | 2009-01-26 | Method of measuring level of material in reservoir |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2399888C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2488079C1 (en) * | 2012-03-01 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method to define height of loose material layer |
RU2667351C2 (en) * | 2014-03-05 | 2018-09-18 | Роузмаунт Танк Радар Аб | Low power radar level gauge system |
CN112816023A (en) * | 2020-12-23 | 2021-05-18 | 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 | Water quantity acquisition filtering method and water quantity acquisition method |
-
2009
- 2009-01-26 RU RU2009102574/28A patent/RU2399888C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2488079C1 (en) * | 2012-03-01 | 2013-07-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН | Method to define height of loose material layer |
RU2667351C2 (en) * | 2014-03-05 | 2018-09-18 | Роузмаунт Танк Радар Аб | Low power radar level gauge system |
CN112816023A (en) * | 2020-12-23 | 2021-05-18 | 中国船舶重工集团有限公司第七一0研究所 | Water quantity acquisition filtering method and water quantity acquisition method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2009102574A (en) | 2010-08-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10914818B2 (en) | Angle-resolving FMCW radar sensor | |
US7823446B2 (en) | Pulsed radar level gauging with relative phase detection | |
US10371800B2 (en) | Radar device with noise cancellation | |
US9746366B2 (en) | Radar level gauging | |
US4691204A (en) | Radar apparatus | |
CN113302459B (en) | Non-invasive open channel flowmeter | |
RU2410650C2 (en) | Method to measure level of material in reservoir | |
RU2352909C1 (en) | Method for radiolocating measurement of vessel hull vibration and device for its realisation | |
RU2399888C1 (en) | Method of measuring level of material in reservoir | |
CN203177928U (en) | Echo sampling unit and pulse type radar material level meter with the same | |
RU59262U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE PLACE OF DAMAGE TO ELECTRIC TRANSMISSION LINES AND COMMUNICATIONS | |
RU2669016C2 (en) | Doppler ground velocity meter | |
RU2431155C1 (en) | Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves | |
RU2423723C1 (en) | Method of measuring distance using radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions) | |
RU2433423C1 (en) | Subsurface probing device | |
Nguyen et al. | A high-resolution short-range X-band FMCW radar system for ranging applications | |
RU54679U1 (en) | RADAR STATION | |
Kaminski et al. | K-band FMCW radar module with interferometic capability for industrial applications | |
JP2013113723A (en) | Radar system | |
RU2528131C1 (en) | Contactless radiowave device to measure thickness of dielectric materials | |
RU2654215C1 (en) | Method of measuring distance by range finder with frequency modulation | |
RU2655746C1 (en) | Method of level measurement and radio range station with frequency modulation | |
RU2244268C2 (en) | Method of measuring level of material in reservoir | |
RU2446407C1 (en) | Method to detect area of power transmission and communication lines damage and device for its realisation | |
RU2330298C2 (en) | Method for detection of damage point in power transmission and communication lines and device for its implementation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130127 |