RU2575185C2

RU2575185C2 - Measurement of loose materials level in tanks and level meter radar to this end

Info

Publication number: RU2575185C2
Application number: RU2014128739/28A
Authority: RU
Inventors: Владимир Вениаминович Либерман; Александр Владимирович Либерман; Геннадий Геннадьевич Личков; Сергей Александрович Новиков
Original assignee: Закрытое акционерное общество ЛИМАКО
Filing date: 2014-07-11
Publication date: 2016-02-20

Abstract

FIELD: instrumentation.

SUBSTANCE: claimed process consists in that, apart from radiation in a preset direction and reception of reflected radar signals with the frequency varying by a linear law, the measurement of the frequency difference between the radiated and reflected signals, extraction of a useful signal and range finding, additionally performed is the scanning of a microstrip antenna pattern. The reflected radar signals for various angular positions of the antenna pattern are irradiated and received. The reflected signal level is measured and the reflected signals are subjected to spectral processing. The results of the said processing and loaded geometrical parameters of the analysed tank are used to calculate the optimum angular position of the antenna pattern. A microstrip antenna pattern control signal is generated. Besides, this invention discloses the radar level meter for the implementation of the above described method.

EFFECT: perfected performances of loose materials level measurement irrespective of the loose material shape, including explosive media.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области радиолокационной измерительной техники и может быть использовано для создания систем контроля и измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах, эксплуатация которых осуществляется на предприятиях строительной, горнодобывающей и нефтехимической отраслей, в том числе и во взрывоопасной среде.The invention relates to the field of radar measuring equipment and can be used to create systems for monitoring and measuring the level of bulk products in tanks, the operation of which is carried out at enterprises in the construction, mining and petrochemical industries, including in explosive atmospheres.

Известен способ измерения уровня сыпучих продуктов, предполагающий использование возможности изменения положения диаграммы направленности антенны внутри исследуемого резервуара в соответствии с заданным алгоритмом (патент США №6634234, G01N 29/04, 21.10.2003).A known method of measuring the level of bulk products, involving the use of the ability to change the position of the antenna pattern inside the test tank in accordance with a given algorithm (US patent No. 6634234, G01N 29/04, 10/21/2003).

Сущность способа с использованием регулируемой измерительной головной части заключается в облучении исследуемого продукта радиолокационным сигналом соответствующей структуры и фиксированной мощности, последующем приеме отраженного исследуемым продуктом сигнала с помощью приемо-передающего модуля, размещенного внутри исследуемого резервуара в одном из трех возможных угловых положений, его обработке в соответствии с заданным алгоритмом и выработке сигнала управления для последующей корректировки углового положения диаграммы направленности.The essence of the method using an adjustable measuring head consists in irradiating the test product with a radar signal of the appropriate structure and fixed power, then receiving the signal reflected by the test product using a transceiver module placed inside the test tank in one of three possible angular positions, processing it in accordance with a given algorithm and generating a control signal for subsequent adjustment of the angular position of the diagram equality.

Реализующий способ изменения углового положения диаграммы направленности уровнемер включает приемо-передающий модуль, содержащий антенну и размещенный на исполнительном механизме (актуаторе), который в свою очередь размещается внутри резервуара. Актуатор и приемо-передающий модуль соединены с контрольным модулем, который в свою очередь соединен с дисплейным модулем. При этом все оборудование, за исключением актуатора и приемо-передающего модуля находится за пределами внутреннего объема исследуемого резервуара. Управление угловым положением диаграммы направленности приемо-передающего модуля осуществляется путем подачи соответствующих сигналов управления с контрольного модуля на актуатор. Процесс выработки сигналов управления предусматривает применение специальных алгоритмов обработки отраженных сигналов, поступающих с приемо-передающего модуля с учетом текущей дальности до поверхности исследуемого продукта.An imaging method for changing the angular position of the radiation pattern includes a transceiver module that contains an antenna and is located on the actuator (actuator), which in turn is located inside the tank. The actuator and the transceiver module are connected to a control module, which in turn is connected to a display module. In this case, all equipment, with the exception of the actuator and the transceiver module, is located outside the internal volume of the reservoir under study. The angular position of the radiation pattern of the transceiver module is controlled by supplying the appropriate control signals from the control module to the actuator. The process of generating control signals involves the use of special algorithms for processing reflected signals coming from the transceiver module taking into account the current range to the surface of the investigated product.

Основным недостатком указанного способа и реализующего его устройства для изменения положения диаграммы направленности в пространстве является наличие механического узла в виде актуатора. Такой механический способ изменения положения диаграммы направленности в пространстве путем изменения ориентации всего приемо-передающего модуля имеет низкую надежность вследствие того, что механические узлы подвергаются загрязнению из-за воздействия пыли, неизбежно присутствующей внутри резервуаров с сыпучими продуктами. Фиксированное, равное трем, возможное угловое положение диаграммы направленности существенно ограничивает эксплуатационные характеристики уровнемера. Это связано с тем, что измерение уровня сыпучих продуктов в отличие от жидких имеет свои особенности, которые заключаются в том, что поверхность таких продуктов не является гладкой и в отдельных случаях может представлять собой нерегулярную структуру. При этом отсутствует зеркальное отражение зондирующего сигнала, что приводит иногда к его частичной или полной потере. В этом случае изменение углового положения диаграммы направленности может способствовать появлению полезного сигнала. При достаточно узкой диаграмме направленности антенны (порядка 2-4 градуса) может потребоваться гораздо большее число возможных угловых положений диаграммы направленности антенны. В дополнение к вышеизложенному следует отметить, что размещение актуатора вместе с приемо-передающим модулем внутри исследуемого резервуара исключает возможность работы уровнемера во взрывоопасной среде. В качестве примера продуктов, которые могут образовывать взрывоопасную смесь, можно отметить уголь, технический углерод, зерно, комбикорм.The main disadvantage of this method and its implementing device for changing the position of the radiation pattern in space is the presence of a mechanical unit in the form of an actuator. Such a mechanical method of changing the position of the radiation pattern in space by changing the orientation of the entire transceiver module has low reliability due to the fact that the mechanical components are contaminated due to exposure to dust inevitably present inside bulk containers. A fixed, equal to three, possible angular position of the radiation pattern significantly limits the operational characteristics of the level gauge. This is due to the fact that the measurement of the level of bulk products in contrast to liquid has its own characteristics, which consist in the fact that the surface of such products is not smooth and in some cases may be an irregular structure. In this case, there is no mirror reflection of the probing signal, which sometimes leads to its partial or complete loss. In this case, a change in the angular position of the radiation pattern can contribute to the appearance of a useful signal. With a sufficiently narrow antenna radiation pattern (of the order of 2-4 degrees), a much larger number of possible angular positions of the antenna radiation pattern may be required. In addition to the above, it should be noted that the placement of the actuator together with the transceiver module inside the tank under study excludes the possibility of the level transmitter working in an explosive atmosphere. As an example of products that can form an explosive mixture, coal, carbon black, grain, and compound feed can be noted.

Перед авторами стояла задача создать способ измерения уровня сыпучих продуктов и устройство, его реализующее, надежно работающих в различного рода резервуарах, емкостях для широкого спектра продуктов, которые в том числе могут образовывать взрывоопасную смесь.The authors were faced with the task of creating a method for measuring the level of bulk products and a device that implements it, working reliably in various tanks, containers for a wide range of products, which may also form an explosive mixture.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе измерения уровня сыпучих продуктов излучают и принимают отраженные радиолокационные сигналы, частота которых изменяется по линейному закону, измеряют разностную частоту между излучаемым и отраженным от поверхности исследуемого продукта радиолокационными сигналами, выделяют и обрабатывают радиолокационный сигнал с применением специальных алгоритмов и рассчитывают дальность, дополнительно осуществляют электронное сканирование диаграммы направленности микрополосковой антенны, излучают и принимают отраженные радиолокационные сигналы для различных угловых положений диаграммы направленности, производят измерение уровня отраженного сигнала, осуществляют спектральную обработку отраженных радиолокационных сигналов, на основе которой и введенных геометрических параметров исследуемого резервуара вычисляют оптимальное угловое положение диаграммы направленности, формируют сигнал управления диаграммой направленности микрополосковой антенны.The problem is achieved in that in the known method for measuring the level of bulk products emit and receive reflected radar signals, the frequency of which varies linearly, measure the difference frequency between the radar signals emitted and reflected from the surface of the test product, isolate and process the radar signal using special algorithms and calculate the range, additionally carry out electronic scanning of the microstrip radiation pattern antennas, radiate and receive reflected radar signals for different angular positions of the radiation pattern, measure the level of the reflected signal, spectrally process the reflected radar signals, based on which the entered angular parameters of the studied reservoir calculate the optimal angular position of the radiation pattern, form the control signal of the microstrip radiation pattern antennas.

В радиолокационный уровнемер для осуществления способа измерения уровня сыпучих продуктов, содержащий датчик уровня, соединенный с микрополосковой антенной посредством волноводного перехода, фазовращатели, установленные на микрополосковой антенне, дополнительно введены электрически связанные между собой детекторная секция и блок управления, образующие совместно канал управления диаграммой направленности микрополосковой антенны.In the radar level gauge for implementing the method of measuring the level of bulk products, containing a level sensor connected to the microstrip antenna by means of a waveguide transition, phase shifters mounted on the microstrip antenna, an additional electrically connected detector section and a control unit are added, which together form the control channel of the microstrip antenna pattern .

Детекторная секция расположена на излучающей поверхности микрополосковой антенны.The detector section is located on the radiating surface of the microstrip antenna.

Блок управления соединен с искробезопасным источником питания.The control unit is connected to an intrinsically safe power source.

Блок управления состоит из микроконтроллера, дешифратора команд управления, формирователя сигналов управления фазовращателями, при этом выход дешифратора соединен со входом микроконтроллера, выход которого соединен со входом формирователя сигналов управления фазовращателями, выход которого соединен с фазовращателями, а вход дешифратора команд управления соединен с детекторной секцией.The control unit consists of a microcontroller, a control command decoder, a phase shifter control signal generator, and the decoder output is connected to the microcontroller input, the output of which is connected to a phase shifter control signal input, the output of which is connected to the phase shifters, and the control command decoder input is connected to the detector section.

Введение канала управления диаграммой направленности микрополосковой антенны позволяет оперативно, не используя механический способ, изменять положение диаграммы направленности микрополосковой антенны внутри исследуемого резервуара в соответствии с заданным алгоритмом, что приведет к достижению технического результата в виде улучшения эксплуатационных характеристик уровнемера за счет сохранения возможности измерять дальность до поверхности исследуемого сыпучего продукта независимо от его формы, в том числе и во взрывоопасной среде.The introduction of a microstrip antenna pattern control channel allows you to quickly, without using a mechanical method, change the position of the microstrip antenna pattern inside the tank under study in accordance with a predetermined algorithm, which will lead to the achievement of a technical result in the form of improved performance of the level gauge by maintaining the ability to measure the distance to the surface bulk product under study, regardless of its form, including in explosive with red.

Заявляемые способ измерения уровня сыпучих продуктов и радиолокационный уровнемер для его осуществления обладают совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для изделий подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения.The inventive method of measuring the level of bulk products and radar level gauge for its implementation have a combination of essential features not known from the prior art for products of this purpose, which allows us to conclude that the criterion of "novelty" for the invention.

Заявляемые способ измерения сыпучих продуктов и радиолокационный уровнемер для его осуществления, по мнению заявителя и авторов, соответствуют критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов они явным образом не следуют из уровня техники, т.е. не известны из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки.The inventive method of measuring bulk products and a radar level gauge for its implementation, according to the applicant and the authors, meet the criterion of "inventive step", because for specialists, they do not explicitly follow from the prior art, i.e. not known from available sources of scientific, technical and patent information at the filing date.

Сущность предлагаемого способа измерения уровня сыпучих продуктов в резервуарах и радиолокационного уровнемера для его осуществления поясняются с помощью чертежей, где:The essence of the proposed method for measuring the level of bulk products in tanks and a radar level gauge for its implementation are explained using the drawings, where:

- на фиг. 1 представлена блок-схема радиолокационного уровнемера;- in FIG. 1 is a block diagram of a radar level gauge;

- на фиг. 2 - структурная схема блока управления;- in FIG. 2 is a block diagram of a control unit;

- на фиг. 3 - структура сигнала, формируемого датчиком уровня;- in FIG. 3 - structure of the signal generated by the level sensor;

- на фиг. 4 - вид внутренней поверхности микрополосковой антенны;- in FIG. 4 is a view of the inner surface of a microstrip antenna;

- на фиг. 5 - вид внешней излучающей поверхности микрополосковой антенны.- in FIG. 5 is a view of an external radiating surface of a microstrip antenna.

Радиолокационный уровнемер содержит датчик 1 уровня, искробезопасный источник 2 питания, блок 3 управления, волноводный переход 4 и микрополосковую антенну 5. В резервуаре 6 находится сыпучий продукт 7.The radar level gauge contains a level 1 sensor, an intrinsically safe power supply 2, a control unit 3, a waveguide transition 4 and a microstrip antenna 5. In the tank 6 there is a bulk product 7.

Блок 3 управления содержит микроконтроллер 8, дешифратор 9 команд управления и формирователь 10 сигналов управления фазовращателями 11.The control unit 3 comprises a microcontroller 8, a decoder 9 of the control commands and a driver 10 of the control signals of the phase shifters 11.

Микрополосковая антенна 5 имеет внутреннюю сторону 12, на которой размещены четыре фазовращателя 11, и внешнюю излучающую сторону 13, на которой размещены излучающие элементы 14 и детекторная секция 15. В качестве управляемых фазовращателей 11 применены микросхемы НМС 933LP4E производства фирмы Hittite microwave corporation. Микросхема содержит варакторы и цепи согласования.The microstrip antenna 5 has an inner side 12, on which four phase shifters 11 are placed, and an external radiating side 13, on which the radiating elements 14 and the detector section are placed 15. As controlled phase shifters 11, NMS chips 933LP4E manufactured by Hittite microwave corporation are used. The microcircuit contains varactors and matching circuits.

Радиолокационный уровнемер работает следующим образом. Датчик 1 уровня формирует и излучает радиолокационный сигнал, который через волноводный переход 4 поступает на микрополосковую антенну 5. Излученный микрополосковой антенной 5 сигнал в направлении сыпучего продукта 7, расстояние до которого необходимо измерить, отражается от поверхности продукта и возвращается обратным путем в датчик 1 уровня. Частота излученного радиолокационного сигнала изменяется во времени по линейному закону. В результате взаимодействия излучаемого и отраженного сигналов в датчике 1 уровня образуется целый ряд спектральных составляющих, частота которых несет информацию о дальности до поверхности продукта. После применения специальных алгоритмов обработки информации, на выходе датчика 1 получают текущее значение дальности в цифровом виде.Radar level gauge works as follows. The level 1 sensor generates and emits a radar signal, which through the waveguide transition 4 enters the microstrip antenna 5. The signal emitted by the microstrip antenna 5 in the direction of the bulk product 7, the distance to which it is necessary to measure, is reflected from the surface of the product and returned back to the level 1 sensor. The frequency of the emitted radar signal varies in time according to a linear law. As a result of the interaction of the emitted and reflected signals in the level 1 sensor, a number of spectral components are formed, the frequency of which carries information about the distance to the product surface. After applying special information processing algorithms, the current value of the range in digital form is obtained at the output of the sensor 1.

Алгоритм управления диаграммой направленности микрополосковой антенны 5 предполагает поиск оптимального угла наклона диаграммы направленности по критерию максимального уровня отраженного от поверхности продукта 7 сигнала. Определение границ сканирования производится с учетом ширины диаграммы направленности микрополосковой антенны 5, геометрических параметров резервуара 6, текущих значений дальности и угла. Изменение положения диаграммы направленности микрополосковой антенны 5 осуществляют посредством управления фазами радиолокационного сигнала, возбуждаемого разными группами излучающих элементов 14. Управление фазовращателями 11 осуществляют с помощью блока 3 управления. Формирование сигнала управления производится на основе команд, поступающих с выхода детекторной секции 15 на вход дешифратора 9 команд управления. На вход дешифратора 9 команд управления поступает последовательность импульсов 16, представляющая собой широтно-импульсный модулированный сигнал. Этот сигнал является набором команд управления, который формируют в датчике 1 уровня и излучают микрополосковой антенной 5 аналогично радиолокационному сигналу на одной из частот, находящихся внутри рабочего диапазона датчика 1 уровня. Приемником команд управления является детекторная секция 15. Излучение управляющих импульсов 16 и радиолокационного сигнала разнесено во времени. Временная структура сигнала приведена на фиг. 3. Здесь наряду с импульсами 16 управления производят формирование радиолокационного сигнала на участке 17 и производят обработку принятых сигналов на участке 18.The algorithm for controlling the radiation pattern of the microstrip antenna 5 involves the search for the optimal angle of inclination of the radiation pattern by the criterion of the maximum level of the signal reflected from the surface of the product 7. The definition of the boundaries of the scan is made taking into account the width of the radiation pattern of the microstrip antenna 5, the geometric parameters of the reservoir 6, the current values of the range and angle. Changing the position of the radiation pattern of the microstrip antenna 5 is carried out by controlling the phases of the radar signal excited by different groups of radiating elements 14. The phase shifters 11 are controlled by the control unit 3. The formation of the control signal is based on the commands received from the output of the detector section 15 to the input of the decoder 9 control commands. At the input of the decoder 9 control commands receives a pulse train 16, which is a pulse-width modulated signal. This signal is a set of control commands that are generated in a level 1 sensor and emitted by a microstrip antenna 5 similarly to a radar signal at one of the frequencies within the operating range of the level 1 sensor. The receiver of the control commands is the detection section 15. The radiation of the control pulses 16 and the radar signal is spaced in time. The temporal structure of the signal is shown in FIG. 3. Here, along with the control pulses 16, a radar signal is generated in section 17 and the received signals are processed in section 18.

Микроконтроллер 8 на основе данных, поступающих с выхода дешифратора 9 команд управления, с помощью специального алгоритма управляет работой формирователя 10 сигнала управления фазовращателями 11, выход которого соединен с фазовращателями 11.The microcontroller 8 based on the data from the output of the decoder 9 control commands, using a special algorithm controls the operation of the shaper 10 of the control signal of the phase shifters 11, the output of which is connected to the phase shifters 11.

Питание блока 3 управления осуществляется от искробезопасного источника 2. Схемотехника блока 3 управления и микрополосковой антенны 5 позволяет выполнить и сертифицировать эти узлы в искробезопасном исполнении, что приводит к возможности сертификации для работы во взрывоопасной среде радиолокационного уровнемера с применением ранее сертифицированного датчика 1 уровня.The control unit 3 is powered from an intrinsically safe source 2. The circuitry of the control unit 3 and the microstrip antenna 5 allows for the implementation and certification of these units in an intrinsically safe design, which leads to the possibility of certification for operation in an explosive atmosphere of a radar level gauge using a previously certified level 1 sensor.

На предприятии-заявителе разработана конструкторская документация радиолокационного уровнемера заявляемой конструкции, изготовлен его опытный образец, испытания которого подтвердили работоспособность и преимущества по сравнению с известными, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.The applicant enterprise has developed the design documentation for the radar level gauge of the claimed design, made its prototype, tests of which have confirmed the performance and advantages compared with the known ones, which allows us to conclude that the criterion of "industrial applicability" for the invention is met.

Claims

1. A method of measuring the level of bulk products in which radar signals are radiated in a given direction and whose frequency varies linearly, the difference frequency between the signals radiated and reflected from the surface of the test product is measured, a useful signal is extracted and a range is calculated, characterized in that carry out electronic scanning of the radiation pattern of the microstrip antenna, radiate and receive reflected radar signals for different angular positions of the diag Amma directional measurement produce a reflected signal level, spectral processing performed reflected signals on the basis of which the entered geometrical parameters of the test the tank is calculated optimum angular position of the radiation pattern, a control signal is formed directional pattern of the microstrip antenna.

2. The radar level gauge for implementing the method according to claim 1, comprising a level sensor connected to the microstrip antenna via a waveguide transition, phase shifters mounted on the microstrip antenna, characterized in that the detector section and the control unit are additionally electrically connected to each other in the radar level gauge forming together the channel control pattern of the microstrip antenna.

3. The radar level gauge according to claim 2, characterized in that the detector section is located on the radiating surface of the microstrip antenna.

4. The radar level gauge according to claim 2, characterized in that the control unit is connected to an intrinsically safe power source.

5. The radar level gauge according to claim 4, characterized in that the control unit is made in the form of a microcontroller, a control command decoder, a phase shifter control signal shaper, wherein the decoder output is connected to a microcontroller input, the output of which is connected to the input of a phase shifter control signal shaper, the output of which connected to the phase shifters, and the input of the decoder control commands connected to the detector section.