RU2518373C1 - Radar level gauge - Google Patents
Radar level gauge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2518373C1 RU2518373C1 RU2012150882/28A RU2012150882A RU2518373C1 RU 2518373 C1 RU2518373 C1 RU 2518373C1 RU 2012150882/28 A RU2012150882/28 A RU 2012150882/28A RU 2012150882 A RU2012150882 A RU 2012150882A RU 2518373 C1 RU2518373 C1 RU 2518373C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- input
- output
- signal
- filter
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 13
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract 1
- 230000035559 beat frequency Effects 0.000 description 10
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 5
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 229940125368 controlled substance Drugs 0.000 description 2
- 239000000599 controlled substance Substances 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 230000002045 lasting effect Effects 0.000 description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 102100029672 E3 ubiquitin-protein ligase TRIM7 Human genes 0.000 description 1
- 101000795296 Homo sapiens E3 ubiquitin-protein ligase TRIM7 Proteins 0.000 description 1
- 241001415849 Strigiformes Species 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
- Transmitters (AREA)
Abstract
Description
Радиолокационный уровнемер относится к радиотехнике и может быть использован для построения высокоточных измерителей уровня жидкостей или сыпучих веществ в резервуарах и высотомеров малых высот.A radar level gauge refers to radio engineering and can be used to build high-precision level meters for liquids or bulk solids in tanks and altimeters of small heights.
Известны радиолокационный дальномер, описанный в книге [Г.Б.Белоцерковский. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. Радио. - 1975, с.77] и радиолокационный уровнемер диапазона 24 ГГц, приведенный в информационно-рекламном сборнике ГНИП "Исток" ["Новости СВЧ-техники" - №12, 2000], а также радиолокационная станция, приведенная в заявке Японии 30-1591, МКИ5 G01S, 13/34 [Реф. журнал "Изобретения стран мира". - 1985, №115, с.29].Known radar range finder described in the book [G.B.Belotserkovsky. Basics of radar and radar devices. - M .: Owls. Radio. - 1975, p.77] and a 24 GHz radar level transmitter, given in the Istok GNIP informational and advertising collection [Microwave Technology News - No. 12, 2000], as well as a radar station given in Japanese application 30-1591 MKI 5 G01S, 13/34 [Ref. Magazine "Inventions of the World". - 1985, No. 115, p.29].
Каждое из этих устройств содержит последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, СВЧ генератор с линейной частотной модуляцией, генератор фиксированной частоты, смесители, антенну и контроллер. Перечисленные элементы входят и в состав заявляемого устройства.Each of these devices contains a serially connected sawtooth voltage generator, a linear frequency modulated microwave generator, a fixed frequency generator, mixers, an antenna and a controller. These elements are also part of the inventive device.
Работа всех трех указанных аналогов основана на излучении в направлении отражающей поверхности СВЧ-сигнала с линейной частотной модуляцией, приеме отраженного сигнала, смешивании его с излучаемым, формировании сигнала разностной частоты (частоты биений), и определении по частоте последних расстояния от точки излучения до отражающей поверхности.The work of all three of these analogues is based on radiation in the direction of the reflecting surface of the microwave signal with linear frequency modulation, receiving the reflected signal, mixing it with the emitted signal, generating a difference frequency signal (beat frequency), and determining the frequency of the latter distance from the radiation point to the reflecting surface .
Причиной, препятствующей достижению в этих аналогах технического результата, обеспечиваемого изобретением, является относительно низкая точность измерения, обусловленная погрешностью дискретности измерения частоты биений в первом аналоге и нестабильностью девиации частоты, приводящей к изменению крутизны модуляционной характеристики в двух остальных.The reason that prevents the achievement of the technical result provided by the invention in these analogs is the relatively low measurement accuracy due to the discreteness of measurement of the beat frequency in the first analogue and the instability of the frequency deviation, leading to a change in the slope of the modulation characteristic in the other two.
Известен также радиолокационный дальномер, защищенный патентом РФ №2151408, G01S 13/34, 2000 г., содержащий последовательно соединенные схему управления, генератор пилообразного напряжения, аналоговый умножитель, модулятор, приемно-передающий модуль, направленный ответвитель и антенну, а также формирователь частотных меток, подключенный ко второму выходу направленного ответвителя, выходы которого соединены со входами схемы управления и дискриминатора интервалов времени, а выход последнего через интегратор подключен ко второму входу умножителя. При этом второй выход приемно-передающего модуля через усилитель разностной частоты соединен со входами частотомера и схемы выделения экстремумов, выход которой подключен к третьему входу схемы управления.Also known is a radar range finder, protected by RF patent No. 2151408, G01S 13/34, 2000, containing serially connected control circuit, sawtooth voltage generator, analog multiplier, modulator, transmitter-receiver module, directional coupler and antenna, as well as frequency label generator connected to the second output of the directional coupler, the outputs of which are connected to the inputs of the control circuit and the discriminator of the time intervals, and the output of the latter through the integrator is connected to the second input of the multiplier I am. In this case, the second output of the transmitting and receiving module through the difference frequency amplifier is connected to the inputs of the frequency meter and the extremum extraction circuit, the output of which is connected to the third input of the control circuit.
Признаками, общими с заявляемым уровнемером, в этом аналоге являются генератор пилообразного напряжения, модулятор, приемно-передающий модуль, направленный ответвитель, антенна, схема управления (в заявляемом уровнемере ее функции выполняет контроллер) и усилитель разностной частоты.Signs common with the claimed level gauge in this analog are a sawtooth voltage generator, a modulator, a receiving and transmitting module, a directional coupler, an antenna, a control circuit (in the claimed level gauge the controller performs its functions) and a difference frequency amplifier.
В этом аналоге с помощью формирователя частотных меток, схемы управления и дискриминатора интервалов времени несколько сокращено изменение крутизны модуляционной характеристики и несколько уменьшена ошибка за счет нестабильности девиации частоты. Дискриминатор интервалов времени, интегратор и умножитель устраняют скачки фазы сигнала разностной частоты. Что позволяет измерять частоту биений не за один, а за несколько циклов изменения частоты зондирующего сигнала, что уменьшает ошибку дискретности.In this analogue, with the help of a frequency label generator, a control circuit, and a time interval discriminator, the change in the slope of the modulation characteristic is somewhat reduced, and the error is somewhat reduced due to the instability of frequency deviation. The time interval discriminator, integrator and multiplier eliminate phase jumps of the difference frequency signal. This makes it possible to measure the beat frequency not in one but in several cycles of changing the frequency of the probe signal, which reduces the discreteness error.
Причины, препятствующие достижению в этом аналоге технического результата, обеспечиваемого изобретением, состоят в следующем.The reasons that impede the achievement in this analogue of the technical result provided by the invention are as follows.
Некоторое повышение точности обеспечено применением системы автоматического регулирования, что потребовало введения формирователя частотных меток, дискриминатора интервала времени, умножителя, интегратора И схемы выделения экстремумов, что усложнило дальномер.A certain increase in accuracy was ensured by the use of an automatic control system, which required the introduction of a frequency label generator, a time interval discriminator, a multiplier, an integrator, and an extremum extraction circuit, which complicated the range finder.
Кроме того, входящие в состав формирователя частотных меток фильтры отрицательно сказываются на точности стабилизации девиации частоты, а следовательно и на точности измерения дальности.In addition, the filters included in the frequency label driver negatively affect the accuracy of stabilization of the frequency deviation, and therefore the accuracy of the range measurement.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является радиолокационный уровнемер, защищенный патентом РФ на полезную модель №32287 G01S 13/34, 2003 г. и описанный в статье [Чекрыгина И.М., Байлов В.В., Чепелев В.И. Способ повышения точности радарных измерителей уровня жидкости. - Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ОВР. - Москва-Таганрог. - 2001, вып.2. - с.153-157].The closest in technical essence to the claimed (prototype) is a radar level gauge, protected by the RF patent for utility model No. 32287 G01S 13/34, 2003 and described in the article [Chekrygina IM, Bailov VV, Chepelev V. AND. A way to improve the accuracy of radar liquid level meters. - Questions of special radio electronics. Ser. OVR. - Moscow-Taganrog. - 2001, issue 2. - p. 153-157].
Он содержит последовательно включенные высокостабильный генератор, контроллер, генератор пилообразного напряжения, модулятор, приемно-передающий модуль, направленный ответвитель и антенну, усилитель-формирователь сигнала разностной частоты, вход которого соединен с выходом приемно-передающего модуля, а выход - со вторым входом контроллера, и формирователь частотных меток, первый вход которого соединен с выходом направленного ответвителя, второй вход - со вторым выходом высокостабильного генератора, а выход - с третьим входом контроллера. При этом формирователь частотных меток содержит смеситель, генератор гармоник и фильтр гармоник. Узкополосный фильтр и амплитудный детектор, первый вход смесителя является входом формирователя, второй соединен через последовательно включенные генератор гармоник и первый узкополосный фильтр со вторым входом формирователя, а выход - через последовательно включенные второй узкополосный фильтр и амплитудный детектор соединен с выходом формирователя.It contains a highly stable generator, a controller, a sawtooth voltage generator, a modulator, a receiving and transmitting module, a directional coupler and an antenna, a differential frequency signal driver, the input of which is connected to the output of the receiving and transmitting module, and the output to the second input of the controller, and a frequency label driver, the first input of which is connected to the output of the directional coupler, the second input to the second output of the highly stable generator, and the output to the third input of the controller pa. In this case, the frequency label generator comprises a mixer, a harmonic generator and a harmonic filter. A narrow-band filter and an amplitude detector, the first input of the mixer is the input of the shaper, the second is connected through series-connected harmonics and the first narrow-band filter to the second input of the shaper, and the output is connected through a series-connected second narrow-band filter and amplitude detector connected to the output of the shaper.
Все входящие в состав устройства-прототипа элементы. За исключением генератора гармоник и амплитудного детектора, входящих в состав формирователя частотных меток, входят и в состав заявляемого уровнемера.All elements included in the prototype device. With the exception of the harmonic generator and amplitude detector, which are part of the shaper frequency labels, are included in the inventive level gauge.
Работа устройства-прототипа, как и работа всех остальных упомянутых аналогов, основана на излучении в направлении отражающей поверхности СВЧ-сигнала с линейной частотной модуляцией, приеме отраженного сигнала, смешивании его с излучаемым, формировании сигнала разностной частоты (частоты биений) и определении по частоте биений расстояния от точки излучения и приема отраженного сигнала до отражающей поверхности. Особенностью устройства-прототипа является то обстоятельство, что в нем с помощью формирователя частотных меток определяется не только теоретический, а и фактический временной сдвиг между моментами формирования минимальной и максимальной линейно изменяющихся частот, который затем пересчитывается в фактическую крутизну модуляционной характеристики устройства. Это позволяет в определенной степени сократить погрешность измерения времени перестройки частотно-модулированного сигнала, а следовательно, и повысить точность измерения расстояния от антенны до контролируемой поверхности.The operation of the prototype device, like the work of all the other analogues mentioned, is based on radiation in the direction of the reflecting surface of the microwave signal with linear frequency modulation, receiving the reflected signal, mixing it with the emitted signal, generating a difference frequency signal (beat frequency) and determining the beat frequency the distance from the point of emission and reception of the reflected signal to the reflective surface. A feature of the prototype device is the fact that it uses the frequency label generator to determine not only the theoretical, but also the actual time shift between the moments of formation of the minimum and maximum linearly varying frequencies, which is then converted into the actual slope of the modulation characteristic of the device. This allows to a certain extent to reduce the measurement error of the tuning time of the frequency-modulated signal, and therefore, to increase the accuracy of measuring the distance from the antenna to the controlled surface.
Причиной, препятствующей достижению в устройстве-прототипе технического результата, обеспечиваемого изобретением, является то обстоятельство, что временной сдвиг между началом и окончанием перестройки частоты определяется недостаточно точно. Дело в том, что моменты формирования импульсов, соответствующих началу и окончанию перестройки частоты, определяются со значительной погрешностью, равной полосе пропускания фильтра, включенного последовательно с амплитудным детектором. При этом эта полоса должна составлять величину порядка 1 МГц, иначе сигнал амплитудного детектора вообще не успеет сформироваться. Это существенно снижает в конечном итоге точность измерения. Таким образом, точность измерения в устройстве-прототипе остается относительно низкой.The reason that impedes the achievement in the prototype device of the technical result provided by the invention is the fact that the time shift between the beginning and the end of the frequency tuning is not determined accurately enough. The fact is that the moments of the formation of pulses corresponding to the beginning and end of frequency tuning are determined with a significant error equal to the passband of the filter connected in series with the amplitude detector. In this case, this band should be of the order of 1 MHz, otherwise the signal of the amplitude detector will not have time to form at all. This substantially reduces the final measurement accuracy. Thus, the measurement accuracy in the prototype device remains relatively low.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения.The technical problem to which the invention is directed is to increase the accuracy of measurement.
Технический результат достигается тем, что в известный радиолокационный уровнемер введены второй делитель частоты, второй смеситель, фильтр разностной частоты, второй усилитель-формирователь и третий узкополосный фильтр, первый узкополосный фильтр соединен своим входом с выходом высокостабильного генератора и со входом второго делителя частоты, а выходом - со вторым входом первого смесителя, вход третьего узкополосного фильтра соединен своим входом с выходом второго делителя частоты, а выходом - со вторым входом второго смесителя, первый вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход со входом фильтра разностной частоты, второй усилитель-формирователь включен между выходом фильтра разностной частоты и третьим входом контроллера.The technical result is achieved by the fact that a second frequency divider, a second mixer, a differential frequency filter, a second driver amplifier and a third narrow-band filter are introduced into the known radar level gauge, the first narrow-band filter is connected by its input to the output of the highly stable generator and to the input of the second frequency divider, and the output - with the second input of the first mixer, the input of the third narrow-band filter is connected with its input to the output of the second frequency divider, and the output is with the second input of the second mixer, per the output of which is connected to the output of the second narrow-band filter, and the output with the input of the differential frequency filter, the second amplifier-driver is connected between the output of the differential frequency filter and the third input of the controller.
Для достижения технического результата в известный радиолокационный уровнемер, содержащий последовательно включенные высокостабильный генератор, первый делитель частоты, контроллер, генератор пилообразного напряжения, модулятор и приемно-передающий модуль, направленный ответвитель, первый вход-выход которого соединен со входом-выходом приемно-передающего модуля, антенну, вход-выход которой соединен со вторым входом-выходом направленного ответвителя, первый узкополосный фильтр, первый усилитель-формирователь, вход которого соединен с выходом приемно-передающего модуля, первый смеситель, первый вход которого соединен с выходом направленного ответвителя, и второй узкополосный фильтр, вход которого соединен с выходом первого смесителя, введены второй делитель частоты, второй смеситель, фильтр разностной частоты, второй усилитель-формирователь и третий узкополосный фильтр, первый узкополосный фильтр соединен своим входом с выходом высокостабильного генератора и входом второго делителя частоты, а выходом - со вторым входом первого смесителя, вход третьего узкополосного фильтра соединен своим входом с выходом второго делителя частоты, а выходом со вторым входом второго смесителя, первый вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, а выход - со входом фильтра разностной частоты, второй усилитель-формирователь включен между выходом фильтра разностной частоты и третьим входом контроллера.To achieve a technical result, in a known radar level gauge comprising a highly stable generator, a first frequency divider, a controller, a sawtooth voltage generator, a modulator and a transmitting and receiving module, a directional coupler, the first input-output of which is connected to the input-output of the transmitting-transmitting module, the antenna, the input-output of which is connected to the second input-output of the directional coupler, the first narrow-band filter, the first amplifier-driver, the input of which is connected n with the output of the transmitter-receiver module, the first mixer, the first input of which is connected to the output of the directional coupler, and the second narrow-band filter, the input of which is connected to the output of the first mixer, a second frequency divider, a second mixer, a difference frequency filter, a second driver amplifier and the third narrow-band filter, the first narrow-band filter is connected by its input to the output of the highly stable generator and the input of the second frequency divider, and by the output - from the second input of the first mixer, the input of the third narrow-band of the filter is connected by its input to the output of the second frequency divider, and by the output from the second input of the second mixer, the first input of which is connected to the output of the second narrow-band filter, and the output is connected to the input of the filter of the differential frequency, the second amplifier-driver is connected between the output of the filter of the differential frequency and the third controller input.
Совокупность вновь введенных делителя частоты, узкополосного фильтра, фильтра разностной частоты, смесителя и усилителя-формирователя и новых связей неизвестна из имеющихся в распоряжении заявителя источников информации. Поэтому заявляемый радиолокационный уровнемер следует считать новым и соответствующим изобретательскому уровню.The totality of the newly introduced frequency divider, narrow-band filter, difference frequency filter, mixer and driver amplifier and new connections is unknown from the information sources available to the applicant. Therefore, the inventive radar level gauge should be considered new and consistent with the inventive step.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведены:The invention is illustrated in the drawing, which shows:
- на фиг.1 - структурная схема заявляемого уровнемера;- figure 1 is a structural diagram of the inventive level gauge;
- на фиг.2 - график зависимости управляющего сигнала от времени на входе модулятора.- figure 2 is a graph of the dependence of the control signal on time at the input of the modulator.
Радиолокационный уровнемер содержит высокостабильный генератор 1, первый и второй делители 2 и 3 частоты, контроллер 4, генератор 5 пилообразного напряжения, модулятор 6, приемно-передающий модуль 7, направленный ответвитель 8, антенну 9, узкополосные фильтры 10, 11 и 12, усилители-формирователи 13 и 14, смесители 15 и 16 и фильтр 17 разностной частоты.The radar level gauge contains a highly stable generator 1, the first and second frequency dividers 2 and 3, a controller 4, a sawtooth voltage generator 5, a modulator 6, a transmit-receive module 7, a directional coupler 8, an antenna 9, narrow-band filters 10, 11 and 12, amplifiers shapers 13 and 14, mixers 15 and 16, and a differential frequency filter 17.
Генератор 1, делитель 2, контроллер 4, генератор 5, модулятор 6 и модуль 7 соединены последовательно. Первый вход-выход ответвителя 8 подключен к входу-выходу модуля 7, второй вход-выход - к антенне 9, а выход - к первому входу смесителя 15. Усилитель-формирователь 13 включен между выходом модуля 7 и вторым входом контроллера 4, третий вход которого через последовательно включенные фильтр 17 и усилитель-формирователь 14 подключены к выходу смесителя 16. Выход генератора 1 через фильтр 10 подключен ко второму входу смесителя 15, а через последовательно включенные делитель 3 и фильтр 12 - ко второму входу смесителя 16. Фильтр 11 включен между выходом смесителя 15 и вторым входом смесителя 16.Generator 1, divider 2, controller 4, generator 5, modulator 6 and module 7 are connected in series. The first input-output of the coupler 8 is connected to the input-output of the module 7, the second input-output to the antenna 9, and the output to the first input of the mixer 15. The amplifier-driver 13 is connected between the output of the module 7 and the second input of the controller 4, the third input of which through the series-connected filter 17 and the amplifier-driver 14 are connected to the output of the mixer 16. The output of the generator 1 through the filter 10 is connected to the second input of the mixer 15, and through the series-connected divider 3 and filter 12 to the second input of the mixer 16. The filter 11 is connected between the output mix I'm 15 and the second input of the mixer 16.
Работа предлагаемого радиолокационного уровнемера заключается в следующем.The work of the proposed radar level gauge is as follows.
Генератор 1 представляет собой высокостабильный генератор импульсов фиксированной сверхвысокой частоты fг. Частота fг точно равна частоте, соответствующей середине диапазона перестройки формируемого в уровнемере СВЧ-сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ). Она составляет величину порядка 850 МГц. С выхода генератора 1 сформированные им импульсы поступают на входы делителей 2 и 3 частоты и фильтра 10.The generator 1 is a highly stable pulse generator of a fixed microwave frequency f g . The frequency f g is exactly equal to the frequency corresponding to the middle of the tuning range formed in the level meter of the microwave signal with linear frequency modulation (LFM). It amounts to about 850 MHz. From the output of the generator 1, the pulses generated by it are fed to the inputs of the frequency dividers 2 and 3 and the filter 10.
В делителе 2 поступившие на его вход импульсы делятся по частоте примерно в 8÷12 раз, а результат деления частотой порядка 108 Гц поступает на первый вход контроллера 4 в качестве тактовых импульсов эталонной частоты.In divider 2, the pulses received at its input are divided by a frequency of approximately 8–12 times, and the result of dividing by a frequency of the order of 10 8 Hz is transmitted to the first input of controller 4 as clock pulses of the reference frequency.
Контроллер 4 совместно с генератором 5 формируют из тактовых импульсов управляющий пилообразный сигнал для управления линейной частотной модуляцией (фиг.2). Кроме того, контроллер 4 выполняет функции вычислителя при измерении частоты биений и расчетах контролируемого уровня, о чем будет сказано ниже.The controller 4 together with the generator 5 form from the clock pulses a control sawtooth signal to control the linear frequency modulation (figure 2). In addition, the controller 4 performs the functions of a calculator when measuring the beat frequency and calculating a controlled level, which will be discussed below.
Контроллер 4 формирует управляющий сигнал в цифровой форме по заданной программе на основе текущего счета тактовых импульсов и соответствующего изменения направления, скорости или приостановки счета. Генератор 5 по существу представляет собой высокоскоростной цифроаналоговый преобразователь и преобразует управляющий сигнал из цифровой формы в аналоговую (фиг.2).The controller 4 generates a control signal in digital form according to a given program based on the current count of clock pulses and the corresponding change in direction, speed or suspension of the count. Generator 5 is essentially a high-speed digital-to-analog converter and converts the control signal from digital to analog (FIG. 2).
Цикл управления включает два основных участки. Первый - плавно линейно нарастающий, длительностью порядка 2 мс, второй - резко спадающий. Каждый из этих участков дополнительно содержит в своем составе участок постоянного уровня, длительностью порядка 10 мкс.The control cycle includes two main sections. The first is smoothly linearly increasing, lasting about 2 ms, the second is sharply falling. Each of these sections additionally contains a section of a constant level, lasting about 10 μs.
Под действием управляющего сигнала с выхода генератора 5 и модулятора 6 осуществляется линейная перестройка частоты СВЧ-генератора, входящего в состав модуля 7.Under the action of the control signal from the output of the generator 5 and the modulator 6, the frequency of the microwave generator, which is part of module 7, is linearly tuned.
Со входа-выхода модуля 7 ЛЧМ сигнал поступает на ответвитель 8, со второго входа-выхода которого основная часть его мощности через антенну 9 излучается в направлении отражающей поверхности. С выхода ответвителя 8 незначительная часть этой мощности поступает на первый вход смесителя 15.From the input-output of the chirp module 7, the signal is fed to the coupler 8, from the second input-output of which the main part of its power is transmitted through the antenna 9 in the direction of the reflecting surface. From the output of the coupler 8, a small part of this power is supplied to the first input of the mixer 15.
Отраженный от поверхности жидкости сигнал, опаздывающий относительно излученного на время, пропорциональное расстоянию от антенны 9 до отражающей поверхности, через антенну 9, ответвитель 8 поступает на СВЧ вход-выход модуля 7. В модуле 7 формируется сигнал разностной частоты, не превышающей десятков килогерц (сигнал частоты биений Fб), который отфильтровывается входящим в состав модуля 7 фильтром и с выхода модуля 7 через усилитель-формирователь 13 поступает на второй вход контроллера 4. В усилителе-формирователе 13 сигнал частоты Fб усиливается и ограничивается по амплитуде, превращаясь по существу в прямоугольный импульс типа "меандр".The signal reflected from the liquid surface, which is late for a time, proportional to the distance from the antenna 9 to the reflecting surface, through the antenna 9, the coupler 8 is fed to the microwave input-output of module 7. In the module 7, a difference frequency signal is generated that does not exceed tens of kilohertz (signal the beat frequency F b ), which is filtered by the filter included in module 7 and from the output of module 7 through the amplifier-driver 13 is fed to the second input of the controller 4. In the amplifier-driver 13, the frequency signal F b It is limited and in amplitude, turning essentially into a rectangular pulse of the meander type.
При поступлении сигнала частоты биений Fб тина "меандр" на второй вход контроллера 4 в последнем осуществляется измерение периода следования этого сигнала путем подсчета числа импульсов тактовой частоты, умещающихся в целом числе периодов сигнала биений. Учитывая высокую частоту тактовых импульсов, можно сделать вывод, что погрешность дискретности при измерении частоты биений крайне мала.Upon receipt of a beat frequency signal F b of the meander wavelength at the second input of controller 4, the last one measures the period of this signal by counting the number of clock pulses that fit in the total number of beat signal periods. Given the high frequency of clock pulses, we can conclude that the discreteness error in measuring the beat frequency is extremely small.
Описанный процесс формирования зондирующего СВЧ ЛЧМ сигнала, прием отраженного сигнала, формирования сигнала разностной частоты и ее измерения аналогичен соответствующему процессу в устройстве-прототипе. Существенная разница лишь в форме управляющего сигнала (фиг.2). Поскольку частота тактовых импульсов в контроле заявляемого устройства на порядок выше, чем в устройстве-прототипе, то и точность измерения частоты биений в предлагаемом уровнемере не ниже, чем в прототипе.The described process of generating a sounding microwave LFM signal, receiving a reflected signal, generating a difference frequency signal and measuring it is similar to the corresponding process in the prototype device. A significant difference is only in the form of a control signal (figure 2). Since the frequency of the clock pulses in the control of the inventive device is an order of magnitude higher than in the prototype device, the accuracy of measuring the beat frequency in the proposed level meter is not lower than in the prototype.
Расстояние h от точки излучения зондирующего сигнала до отражающей поверхности вычисляется в предлагаемом устройстве, как и в устройстве-прототипе по формулам:The distance h from the radiation point of the probe signal to the reflective surface is calculated in the proposed device, as in the prototype device according to the formulas:
где С=3·108 м/с - скорость света.where C = 3 · 10 8 m / s is the speed of light.
fн и fв - соответственно наименьшее и наибольшее значения частоты в процессе ее линейного изменения (фиг.2);f n and f in - respectively, the smallest and largest values of the frequency in the process of its linear change (figure 2);
Т - время линейного увеличения частоты в течение одного цикла в переделах от fн до fв;T is the time of a linear increase in frequency during one cycle in the range from f n to f in ;
Δf - девиация частоты.Δf is the frequency deviation.
Промежуток времени Т имеет величину порядка 2 мс. Он формируется с помощью контроллера 4 из тактовых импульсов, имеющих высокую частоту и стабильность. Поскольку частота этих импульсов выше, чем в устройстве-прототипе, то и точность определения параметра Т в заявляемом уровнемере не ниже, чем в устройстве-прототипе.The time interval T has a value of the order of 2 ms. It is formed using a controller 4 of clock pulses having a high frequency and stability. Since the frequency of these pulses is higher than in the prototype device, the accuracy of determining the parameter T in the inventive level gauge is not lower than in the prototype device.
Основным источником погрешности в уровнемерах и высотомерах на основе использования ЛЧМ зондирующего сигнала является наличие отличия фактических параметров fн и fв от расчетных. Для минимизации этих отличий в предлагаемом уровнемере используется приостановка линейного изменения частоты на короткие промежутки времени длительностью τ порядка 10 мкс (фиг.2) и измерение фактических значений частот fн и fв в эти промежутки времени с помощью делителя 3, фильтров 10, 11, 12 и 17, смесителей 15, 16, усилителя-формирователя 14 и контроллера 4.The main source of error in the level-based altimeters use probing chirp signal is the presence of differences actual parameters f n and f in from the calculated. To minimize these differences, the proposed level gauge used suspension linear frequency variation over short intervals of duration τ of 10 microseconds (Figure 2) and the order of the actual measurement values of frequencies f n and f in these intervals by the divider 3, the filters 10, 11, 12 and 17, mixers 15, 16, amplifier-driver 14 and controller 4.
Это осуществляется следующим образом.This is as follows.
Частота генератора 1 выбирается точно равной середине диапазона линейного изменения частоты зондирующего сигнала. Примем для определенности fг=850 МГц; fн=700 МГц; fв=1000 МГц; Δf=300 МГц. Выбранные значения расчетные. Фактически они могут отличаться от расчетных (теоретических). Примем для определенности, что эти отличия δэ находятся в пределах ±2 МГц, то есть |δf|≤2 МГц.The frequency of the generator 1 is chosen exactly equal to the middle of the range of linear changes in the frequency of the probing signal. We take for definiteness f g = 850 MHz; f n = 700 MHz; f in = 1000 MHz; Δf = 300 MHz. The selected values are calculated. In fact, they may differ from the calculated (theoretical) ones. For definiteness, we assume that these differences δ e are within ± 2 MHz, that is, | δ f | ≤2 MHz.
Управление изменением каждой из фактических частот fн и fв осуществляется контроллером 4. В промежуток времени τ, когда несущая частота остается на уровне fн с погрешностью, не превышающей |δf|, осуществляется измерение фактической частоты fн. С выхода ответвителя 8 не изменяющийся в течение промежутка времени τ сигнал частотой fн=(700±2) МГц поступает на первый вход смесителя 15. С помощью смесителя 15 и фильтров 10 и 11 этот сигнал переносится на промежуточную частоту 150 МГц, точно равную половине девиации Δf.The change in each of the actual frequencies f n and f c is controlled by the controller 4. In the time interval τ, when the carrier frequency remains at the level f n with an error not exceeding | δ f |, the actual frequency f n is measured. From the output of the coupler 8, a signal with a frequency of f n = (700 ± 2) MHz that does not change over time τ is supplied to the first input of the mixer 15. Using the mixer 15 and filters 10 and 11, this signal is transferred to an intermediate frequency of 150 MHz, exactly equal to half deviations Δf.
Фильтр 10 настроен на частоту 850 МГц и является достаточно узкополосным. Он пропускает на свой выход и второй вход смесителя 15 только первую гармонику импульсного сигнала генератора 1, поступающего на его вход. Отфильтрованный фильтром 10 сигнал является в смесителе 15 гетеродинным. В смесителе 15 формируются сигналы, равные сумме и разности частот входных сигналов.Filter 10 is tuned to a frequency of 850 MHz and is quite narrowband. It passes to its output and the second input of the mixer 15 only the first harmonic of the pulse signal of the generator 1 supplied to its input. The signal filtered by the filter 10 is the local oscillator in the mixer 15. In the mixer 15, signals are formed equal to the sum and frequency difference of the input signals.
Фильтр 11, как и фильтр 10, является узкополосным. Он настроен на промежуточную частоту fпр≈150 МГц. Сигнал суммарной частоты порядка 1550 МГц подавляется этим фильтром, а сигнал разностной частоты, равной (150±2) МГц, усиливается и поступает на первый вход смесителя 16.Filter 11, like filter 10, is narrow-band. It is tuned to an intermediate frequency f pr ≈150 MHz. The signal of the total frequency of the order of 1550 MHz is suppressed by this filter, and the signal of the difference frequency equal to (150 ± 2) MHz is amplified and fed to the first input of the mixer 16.
Делитель 3 имеет такой коэффициент деления - целое число, при котором результат деления отличался от промежуточной частоты 150 МГц на величину порядка 10 МГц. Например, при принятой частоте генератора 1850 МГц и коэффициенте деления делителя 3, равном 6, результат деления составляет 141,667 МГц, что отличается от значения промежуточной частоты fпр на 8,333 МГц.Divider 3 has such a division coefficient - an integer at which the division result differs from the intermediate frequency of 150 MHz by a value of the order of 10 MHz. For example, with the adopted oscillator frequency of 1850 MHz and the division ratio of divider 3 equal to 6, the division result is 141.667 MHz, which differs from the value of the intermediate frequency f pr by 8.333 MHz.
Этот сигнал в дальнейшем выполняет функцию опорного сигнала. Обозначим его частоту fоп=141,667 МГц.This signal subsequently serves as a reference signal. Denote its frequency f op = 141.667 MHz.
Фильтр 12 является узкополосным и настроен именно на эту частоту. Он пропускает на свой выход и на второй вход смесителя 16 только первую гармонику импульсного сигнала частотой fоп. Отфильтрованный фильтром 12 сигнал является в смесителе 16 гетеродинным.Filter 12 is narrow-band and tuned to this frequency. It passes to its output and to the second input of the mixer 16 only the first harmonic of the pulse signal with a frequency f op . The signal filtered by the filter 12 is the local oscillator in the mixer 16.
В смесителе 16 формируются сигналы с частотами, равными сумме и разности частот входных сигналов.In the mixer 16, signals are formed with frequencies equal to the sum and frequency difference of the input signals.
Фильтр 17 настроен на центральную частоту, равную разности промежуточной fпр и опорной fоп частот, составляющую примерно 8 МГц. Полоса его пропускания примерно 6 МГц. Сигнал суммарной частоты порядка 300 МГц подавляется этим фильтром, а сигнал разностной частоты
Для измерения частоты
Фактические значения частоты
Частоты fг и fоп - фиксированные величины. Сигналы этих частот формируются высокостабильным генератором 1 и делителем 3 и практически не изменяются в процессе работы уровнемера. Поэтому точность измерения частоты
Определение фактического значения частоты
Таким образом, в предлагаемом уровнемере фактические значения частот fн и fв определяются с достаточно высокой точностью, как и частота Fб биений, значит с высокой точностью определяется и их разность fв-fн, используемая в формуле (1) при расчете расстояния h от точки излучения зондирующего сигнала до отражающей поверхности.Thus, in the proposed level gauge, the actual values of the frequencies f n and f c are determined with sufficiently high accuracy, as well as the frequency F b of the beats, which means that their difference f in -f n used in formula (1) when calculating the distance is also determined with high accuracy h from the point of emission of the probe signal to the reflective surface.
Точка излучения зондирующего сигнала находится на краю резервуара с жидким или сыпучим веществом, уровень которого подлежит контролю.The radiation point of the probe signal is located on the edge of the tank with liquid or granular matter, the level of which is subject to control.
Уровень У контролируемого вещества определяется из соотношения:The level of the controlled substance is determined from the ratio:
где Уmax - максимально возможный уровень контролируемого вещества, то есть высота резервуара.where U max - the maximum possible level of the controlled substance, that is, the height of the tank.
Из выражений (1)÷(5) видно, что точность измерения уровня У определяется точностью измерения частоты Fб биений, а последняя определяется точностью измерения фактической разности частот fв-fн. Выше показано, что точность определения частоты Fб биений в предлагаемом уровнемере не ниже, чем в устройстве-прототипе. То же самое можно сказать и об определении уровня У. В предлагаемом устройстве единственным источником погрешности при определении разности частот fв и fн является погрешность дискретизации при определении частот
В устройстве-прототипе фактические частоты fв и fн либо вообще не могут быть определены и в формулах (1) и (2) для расчета расстояния h используются теоретические значения частот fв и fн, либо они определяются с большой погрешностью. Она обусловлена тем, что в этом устройстве кроме погрешности дискретизации при измерении временного сдвига между моментами начала и окончания перестройки частоты, как отмечалось выше, имеет место большая погрешность, обусловленная тем, что сами моменты формирования импульсов, соответствующие моментам установления частот fн и fв, определяются с большой погрешностью. Это позволяет сделать вывод, что и окончательный результат измерения, контролируемый уровень вещества в резервуаре в предлагаемом уровнемере, определяется с большей точностью, чем в прототипе.In the prototype device, the actual frequencies f in and f n can either not be determined at all and in formulas (1) and (2) the theoretical values of frequencies f in and f n are used to calculate the distance h, or they are determined with a large error. It is due to the fact that, in this device, in addition to the sampling error when measuring the time shift between the moments of the beginning and end of frequency tuning, as noted above, there is a large error due to the fact that the moment of pulse formation corresponding to the moment of establishment of the frequencies f n and f in are determined with a large error. This allows us to conclude that the final measurement result, the controlled level of the substance in the tank in the proposed level gauge, is determined with greater accuracy than in the prototype.
Предлагаемый уровнемер достаточно легко реализуем. В качестве высокостабильного генератора 1, делителей частоты 2 и 3, контроллера 4, генератора 5 пилообразного напряжения, модулятора 6, приемно-передающего модуля 7, направленного ответвителя 8, антенны 9, узкополосных фильтров 10, 11 и 12, усилителей-формирователей 13 и 14, смесителей 15 и 16 могут быть использованы элементы, соответствующие элементам устройства-прототипа.The proposed level gauge is quite easy to implement. As a highly stable generator 1, frequency dividers 2 and 3, controller 4, sawtooth generator 5, modulator 6, transmit-receive module 7, directional coupler 8, antenna 9, narrow-band filters 10, 11 and 12, amplifier shapers 13 and 14 Mixers 15 and 16 can be used elements corresponding to the elements of the device of the prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012150882/28A RU2518373C1 (en) | 2012-11-27 | 2012-11-27 | Radar level gauge |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012150882/28A RU2518373C1 (en) | 2012-11-27 | 2012-11-27 | Radar level gauge |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2518373C1 true RU2518373C1 (en) | 2014-06-10 |
| RU2012150882A RU2012150882A (en) | 2014-06-20 |
Family
ID=51213318
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012150882/28A RU2518373C1 (en) | 2012-11-27 | 2012-11-27 | Radar level gauge |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2518373C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2559837C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | Positive feedback radar station |
| RU2842112C1 (en) * | 2024-04-03 | 2025-06-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Transceiver |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5387918A (en) * | 1991-04-18 | 1995-02-07 | Endress & Hauser Gmbh & Co. | Method and an arrangement for measuring distances using the reflected beam principle |
| RU2126145C1 (en) * | 1997-08-20 | 1999-02-10 | Акционерное общество закрытого типа "Лимако" | Level indicator |
| RU2151408C1 (en) * | 1999-06-30 | 2000-06-20 | ООО предприятие "КОНТАКТ-1" | Radar distance meter |
| RU32287U1 (en) * | 2003-04-03 | 2003-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Таганрогский научно-исследовательский институт связи | Radar Range Finder |
-
2012
- 2012-11-27 RU RU2012150882/28A patent/RU2518373C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5387918A (en) * | 1991-04-18 | 1995-02-07 | Endress & Hauser Gmbh & Co. | Method and an arrangement for measuring distances using the reflected beam principle |
| RU2126145C1 (en) * | 1997-08-20 | 1999-02-10 | Акционерное общество закрытого типа "Лимако" | Level indicator |
| RU2151408C1 (en) * | 1999-06-30 | 2000-06-20 | ООО предприятие "КОНТАКТ-1" | Radar distance meter |
| RU32287U1 (en) * | 2003-04-03 | 2003-09-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие Таганрогский научно-исследовательский институт связи | Radar Range Finder |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2559837C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) | Positive feedback radar station |
| RU2842112C1 (en) * | 2024-04-03 | 2025-06-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Transceiver |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012150882A (en) | 2014-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2603126C2 (en) | Mfpw radar level gauging with distance approximation | |
| US10620589B1 (en) | Millimeter wave chip scale atomic clock | |
| EP2788788B1 (en) | Method of determining distance and speed of fmcw radar terminals | |
| US7864303B1 (en) | Method for electronic measurement | |
| US20120146838A1 (en) | Method & Device for Measuring a Change in Distance | |
| US10310070B2 (en) | Radio altimeter | |
| RU2518373C1 (en) | Radar level gauge | |
| RU2436117C1 (en) | Method of measuring distance from radiator to controlled medium | |
| RU32287U1 (en) | Radar Range Finder | |
| RU59262U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE PLACE OF DAMAGE TO ELECTRIC TRANSMISSION LINES AND COMMUNICATIONS | |
| US4613231A (en) | Laser range finder with non-linearity compensation | |
| RU99191U1 (en) | MULTI-RANGE COHERENT SENSOR OF SUPER HIGH FREQUENCY AND OPTICAL SIGNALS (OPTIONS) | |
| RU2347235C2 (en) | Method of formation coherent frequency modulated signal for radar stations with periodic fm modulation and device for its realisation | |
| RU2535927C2 (en) | Method of radar measurement of distance | |
| US2820898A (en) | Distance measuring equipment utilizing frequency modulation | |
| RU2241241C2 (en) | Continuous sounding signal frequency modulation radiolocation method | |
| JPH0318784A (en) | Fm-cw distance measuring method | |
| RU2159923C1 (en) | Radar level indicator | |
| RU2330298C2 (en) | Method for detection of damage point in power transmission and communication lines and device for its implementation | |
| CN222379889U (en) | Frequency offset error control device for transponder ranging | |
| RU2611587C1 (en) | Base station for remote probing of atmosphere | |
| RU2492505C1 (en) | Velocity metre | |
| SU892221A1 (en) | Level gauge | |
| RU108636U1 (en) | FW-FIRM DIMMER WITH DIRECT MEASUREMENT OF BEAT FREQUENCY | |
| Nejad et al. | A new design of laser phase-shift range finder independent of environmental conditions and thermal drift |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161128 |