Радіолокаційний рівнемір з хвилеводної лінією

 

Область техніки, до якої належить винахід.

Даний винахід відноситься до радіохвильовим уровнемерам з зондами типу level gauge GWR - Guided Wave Radar (в англійській термінології). Практично всі відомі радарні рівнеміри GWR працюють з імпульсним випромінюванням, тому вони відомі так само, як TDR - Time Domain Radar.

В заявляв пристрої використовується переважно метод випромінювання/прийому надширокосмугових сигналів з лінійною частотною модуляцією (ЧМ або ЛЧМ / FM CW).

Рівень техніки.

Широко поширені радарні рівнеміри хвилеводного типу, в яких сигнал поширюється по однопровідній лінії (transmission line або Goubau line), що опускається у вимірюване середовище. Для порівнянності з термінами transmission line» і «guided wave», однопровідна лінія (ОЛ), що використовується для розповсюдження НВЧ сигналів, позначається далі в тексті як волноводная лінія (ВЛ) або однопровідна волноводная (ОВЛ). За аналогією з GWR далі в тексті застосовується скорочена назва РВУ - радіолокаційний (радарний) хвилеводних рівнемір.

Радарні рівнеміри з ОВЛ (далі РВУ) - серійні вироби, їх різноманітні типи можна знайти в пошукових системах Яндекс, Google, Yahoo і інших, вводячи ключові слова типу: «радарний зондовинной) лінією та ін

До проблемних питань, які різною мірою вирішуються у багатьох патенти і промислові зразки, відносяться такі, як (1) пристрій герметичного СВЧ переходу у вигляді єдиної конструкції з хвилеводної лінією, яка входить в робочу зону з вимірюваної середовищем, (2) способи підвищення завадостійкості від власних апаратних перешкод і від оточуючих перешкод, (3) способи зниження загасання сигналів із збільшенням довжини ПЛ, (4) збереження точності вимірювань та достовірності контролю рівня з урахуванням налипання на ВЛ матеріалів середовищ.

У патенті US 7467548 і особливо в патенті US 7636059 наведено докладний опис проблем (1) і (2) погодження герметичних пристроїв НВЧ переходів в єдиній конструкції з ВЛ, і запропоновані пристрої, що використовуються у радарних уровнемерах фірми Rosemount.

У патенті US 7827862 проблема (3) загасання імпульсних сигналів вирішується застосуванням в якості ВЛ пов'язаної лінії. Аналогічно пов'язані лінії використані в заявці US 2012/0319891 А1. Проблема (4) налипання на ВЛ матеріалу середовищ в патенті US 7775106 вирішується кардинально - ВЛ винесена з середовища «через стінку» резервуара.

Пропоноване винахід не має явного прототипу, оскільки конструктивно істотно відрізняється від аналогів.гласования хвильового опору герметичного СВЧ переходу з вхідним/вихідним опором приймача, з одного боку, і хвильового опору ВЛ, близького до хвильовому опору вакууму, з іншого боку. При цьому герметичний СВЧ перехід, становить єдину конструкцію з ПЛ, повинен бути конструктивно міцним, розрахованим на великі тиск і температуру, причому навантаження матеріалу середовища на ВЛ може досягати декількох тонн.

Іншим недоліком, характерним для радіохвильових пристроїв, є убогість відомостей про фізичних властивості полів, що поширюються в приповерхневих шарах на межі діелектриків та металів, що обмежує можливості конструювання РВУ для конкретних застосувань.

Розкриття винаходу.

Завдання, розв'язувана винаходом, полягає в досягненні високої міцності герметичного переходу СВЧ, хвилеводної лінії і необхідного хвильового погодження конструкції. Вона здійснюється шляхом поділу загальної конструкції хвилеводної лінії з герметичним СВЧ переходом на окремі конструктиви, при цьому ВЛ має необхідну міцність і стійкість до впливів середовища, а герметичний СВЧ перехід (далі - СВЧ гермоввод) - потрібне ущільнення і узгодження.

Очевидно, різноспрямована навантаження, що виникає на ВЛ, не передається на НВЧ ие приймач, знаходиться зовні поза середовища, з хвилеводної лінією, розташованої в робочій зоні з середовищем.

Іншим завданням є доповнення винаходу відомостями, що розширюють можливості конструювання конкретних виконань рівнемірів.

Суть винаходу полягає в способі кріплення і порушення однопроводной хвилеводної лінії із застосуванням методу ЧС. Початкова точка («п'ятка») ВЛ може кріпитися до будь-якого проводить основи зварюванням і іншим способом на нижньому кінці ВЛ може кріпитися вантаж, який може виконувати також функцію відбивача або поглинача. Порушується лінія в діапазоні НВЧ на відстані кількох сантиметрів від провідного підстави («п'яти») з допомогою елементів (провідників), умовно званих вібраторами.

Вібратори в точці живлення (збудження) ВЛ можуть стикатися з ВЛ або накладатися на неї з невеликим перекриттям. Тонкий шар ізоляції між вібраторами і ВЛ дозволяє відсікти низькочастотні і високочастотні перешкоди, що наводяться в лінії, від НВЧ сигналів. Сигнали, що підводиться від передавача (генератора НВЧ) до ВЛ і відбиті від кордонів середовища, що надходять на приймач (детектор СВЧ), передаються з коротким пов'язаним лініях, вбудованим в СВЧ гермотивление в широких межах від десятків до сотень Ом, б) поле зосереджене в основному між пов'язаними протифазними проводами, за межами яких вона різко убуває. Остання обставина дозволяє зробити високоміцні компактні СВЧ гермовведення з необхідним хвильовим опором, що недосяжно в відомих радарних пристроях.

Для узгодження симетричних пов'язаних ліній з несиметричною ВЛ і несиметричними входами передавачів і приймачів підходять широко відомі прийоми: трансформатори СВЧ (balun - балун), погоджені навантаження на неактивних кінцях ліній і т. д.

Короткий опис креслень.

На малюнку 1 показаний загальний вигляд радіолокаційного рівнеміра з хвилеводної лінією. На малюнку 2 показано положення хвилеводної лінії поблизу металевої або діелектричної поверхні, на фігурі 3 - положення хвилеводної лінії в поглинаючої діелектричної трубі.

Здійснення винаходу.

Однопровідна волноводная лінія 12 розташовується всередині резервуара або силосу, її верхній кінець - «п'ятка» лінії - примикає безпосередньо до металевого фланця або несучої провідної поверхні 14. До нижнього кінця хвилеводної лінії кріпиться вантаж 13, який може бути відбивачем або поглиначем. Приемопередающий б Пов'язані лінії 5 і 6 через СВЧ гермовведення 8 і 9 підключені до вібраторів 10 і 11, які безпосередньо примикають до хвилеводної лінії 12.

Пристрій працює як відомі радіолокаційні висотоміри і рівнеміри з ЧС і подібні їм вироби, які використовують метод випромінювання/прийому безперервних частотно-модульованих коливань (ЧС). Опис методів і пристроїв з ЧС загальновідомо, тому принцип дії пристрою з ЧС тут не розглядається. Відмінністю є формування опорного сигналу, який у відомих пристроях отримують з передавального сигналу з допомогою аттенюатора і спрямованого відгалужувача. У цьому пристрої опорний сигнал - це частина передавального сигналу, яка прямо просочується від вібратора 10 на вібратор 11, минаючи волноводную лінію 12.

В точці розташування вібратора 11 утворюється суміш опорного і відбитого від границі шару 15 сигналів, яка за пов'язаної лінії 6 через СВЧ гермоввод 9 і надходить у приймач 7.

Точка положення вібратора 11 є нульовою точкою дальності (відстані), від якої відраховується рівень, вимірюваний до межі шару середовища 15.

Поле однопроводной хвилеводної лінії 12 сконцентровано навколо лінії, при малих втратах у провіднику самої ВЛ воно слабо розсіюється, тому виникає велика избитбстоятельство може бути використано для простого і ефективного резистивного узгодження ліній зв'язку з ВЛ, приймачем і передавачем, без шкоди для обробки сигналів (якість обробки навіть підвищується).

Активні вібратори 10 і 11 і їх протифазні пасивні еквіваленти 10а і 11а - навантаження - повинні бути узгоджені в широкій смузі частот, і можуть мати, наприклад, форму трикутних пластин. Місце розташування активних вібраторів 10 і 11 знаходиться в точці збудження (живлення) лінії 12 і підбирається по максимуму узгодження ВЛ і приймача. Досліди показали, що в смузі частот від 1 ГГц до 10 ГГц оптимальна точка збудження знаходиться в межах одиниць сантиметрів від початку (п'яти) лінії 12.

В якості пов'язаних ліній 5 і 6 використовується добре відомі двопровідні лінії, які володіють практично необмеженою смугою пропускання сигналів аж до терагерц і вільно заданим хвильовим опором. Поле пов'язаної лінії зосереджено в основному між провідниками лінії, і за межами лінії різко зменшується, що дозволяє зробити на базі пов'язаної лінії компактні (малорозмірні) СВЧ гермовведення 8, 9, розраховані на високі тиск і температуру.

Вибір ЧС методу радіолокаційного пристрою дозволяє практично виключити вплив зазначених вище проблем (3) і (4), властивих импѼо визначити зону випромінювання, у межах якій зосереджена основна енергія поля. Якщо торкатися ВЛ пальцем руки, то в точці дотику відбувається сильне відображення, і виникає помилкове уявлення, що майже все поле концентрується біля поверхні провідника лінії. Такий же результат можна побачити, якщо надіти на вісь ВЛ металеву пластинку діаметром 1-2 див. В той же час у ряді посібників по застосуванню радарних рівнемірів вказується допустима відстань між хвилеводної лінією і стінкою резервуара не ближче 10-20 сантиметрів.

Пропонуються способи оцінки істотною для вибору конструкції зони випромінювання. Як показано на фіг.2, до ВЛ 12 наближається металевий лист 16 (або сама ВЛ до металевої поверхні 16); також - діелектричний лист 17 або поверхню 17. У першому випадку, наблизивши ВЛ до металу 16, виявимо вплив металу на відстані h ~ 2-3 см від поверхні ВЛ, у другому випадку виявимо вплив протяжної діелектричної поверхні на відстані 10 см і більше (h>10 см). Ще більш помітний вплив діелектриків можна виявити, помістивши ВЛ, як показано на фіг.3, всередину, наприклад, азбестової труби 18 довжиною 1 метр і внутрішнім діаметром 10-15 см - відбитий сигнал в блоці 1 пропадає. У випадку з метання лінії, як у звичайних коаксіальних кабелів, і може бути цілком допустимим.

Таким чином, наприклад, при вимірюванні глибини занурення судна, ВЛ можна розташовувати на відстані одиниці сантиметрів від корпусу судна, а при вимірі рівня заповнення зерна в бетонному силосі відстань від ПЛ до стінки силосу має бути не менше 20 див. Аналогічні прийоми відносяться до верхньої майданчику кріплення ВЛ.

Бібліографія

1. Патент США US 7467548 В2.

2. Патент США US 7636059 В1.

3. Патент США US 7775106.

4. Заявка США US 2012/0319891 А1.

Радіолокаційний хвилеводних рівнемір, що містить приемопередающий блок, що включає блок обробки, модулятор, передавач і приймач, який відрізняється тим, що містить волноводную лінію, розташовану всередині резервуара і прикріплену до металевої поверхні, що передає та прийомні пов'язані лінії, з'єднані з передавачем і приймачем відповідно, що проходять через СВЧ гермовведення і закінчуються вібраторами, збудливими волноводную лінію, яка монтується як окрема підвіска з вантажем, який може бути відбивачем або поглиначем.



 

Схожі патенти:

Спосіб вимірювання рівня рідини в ємності

Винахід може бути використаний для високоточного вимірювання рівня діелектричної рідини, що знаходиться в ємності, наприклад для вимірювання рівня нафтопродуктів. Технічним результатом є збільшення чутливості і точності вимірювань. У пропонованому способі вимірювання рівня рідини розміщують ємності з діелектричною рідиною вертикально хвилеводних резонатор, рівень x рідини в якому дорівнює її рівня в ємності, збуджують у ньому електромагнітні коливання і вимірюють їх резонансну частоту. Електромагнітні коливання збуджують у всьому обсязі резонатора, у якого нижня частина має зменшене поперечний переріз, на резонансній частоті fn(x) типу коливань, для якого fn(x) вище критичної частоти fnкр нижньої частини хвилеводу зменшеного перерізу для хвилі даного типу, при значенні x, меншим деякого значення x1, при якому fn(x1) вище fnкp, і вимірюють fn(x), а при значенні x, більшому x1, при якому fn(x1) нижче fnкр, збуджують електромагнітні коливання в обсязі резонатора, крім його нижній частині зменшеного перерізу, на резонансній частоті fk(x) типу коливань, для якого fk(x) вище критичної частоти fkкр верхньої частини хвилеводу для хвилі даного типу, причому fk�

Вимірювальний пристрій, пристрій управління і вимірювальний прилад для вимірювання рівня наповнення

Винахід відноситься до галузі вимірювальної техніки, зокрема, стосується вимірювального пристрою для вимірювання рівня наповнення, вимірювання розділового шару або визначення властивостей наповнювача матеріалу, який складається з: першого хвилеводного пристрої з пристроєм введення для проведення першого вимірювання і заміряють пристрої для проведення другого виміру, що являє собою друге хвилеводне пристрій з другим пристроєм введення, при цьому пристрої введення служать для присвоювання потенціалу і опорного потенціалу і мають розв'язку потенціалів. Також винахід включає в себе пристрій управління, вимірювальний прилад для вимірювання рівня наповнення, спосіб експлуатації вимірювального пристрою, компьютерочитаемий носій інформації, застосування вимірювального пристрою для вимірювання емульсії і застосування вимірювального пристрою для визначення властивостей середовища. Технічний результат полягає в реалізації зазначених вище пристроїв та їх призначення. 7 н. і 8 з.п. ф-ли, 16 іл.

Безконтактний радіохвильовий спосіб визначення рівня рідини в ємності

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використане для високоточного визначення рівня рідини, що знаходиться в якій-небудь ємності, зокрема для вимірювання рівня води, нафтопродуктів, зріджених газів і інших рідин. Пропонується спосіб вимірювання рівня рідини, при якому в бік поверхні рідини по нормалі до неї випромінюють електромагнітні хвилі з першої частотою, приймають відображені електромагнітні хвилі і вимірюють першу різниця фаз випромінюваних і прийнятих електромагнітних хвиль. Після цього у бік поверхні рідини по нормалі до неї випромінюють електромагнітні хвилі з другої частотою, приймають відображені електромагнітні хвилі і вимірюють другу різниця фаз випромінюваних і прийнятих електромагнітних хвиль, за виміряними значеннями першої та другої різниці фаз судять про рівень рідини в ємності. Технічним результатом цього винаходу є підвищення точності вимірювання. 1 іл.

Спосіб визначення рівня рідкого металу в технологічній ємності

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і призначене для вимірювання рівня електропровідної рідини в різних відкритих ємностях. Зокрема, воно може бути застосоване для визначення рівня рідкого металу в технологічних ємностях металургійного виробництва. Пропонується спосіб визначення рівня рідкого металу в технологічній ємності, що надходить до неї з іншої технологічної ємності у вигляді струменя, при якому збуджують поздовжні електромагнітні коливання у відкритому СВЧ резонаторі, сформованому сукупністю металевого дзеркала над поверхнею рідкого металу і цією поверхнею. При цьому струмінь рідкого металу подають через отвір у центральній частині металевого дзеркала, при цьому радіус кривизни металевого дзеркала можна порівняти з відстанню між ним і поверхнею рідкого металу, а в сформованому відкритому СВЧ резонаторі поздовжні електромагнітні коливання збуджують з азимутальним індексом не менше 20 на фіксованій резонансній частоті і знаходять її значення, по якому судять про рівень рідкого металу. Технічним результатом цього винаходу є розширення області застосування. 4 іл.

Спосіб вимірювання рівня рідини в ємності

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використане для високоточного визначення рівня діелектричної рідини, що знаходиться в якій-небудь ємності. Зокрема, воно може бути застосоване для вимірювання рівня нафтопродуктів, зріджених газів та ін. Пропонується спосіб вимірювання рівня рідини в ємності, при якому розміщують ємності з діелектричною рідиною вертикально хвилеводних резонатор, рівень x рідини в якому дорівнює її рівня в ємності, збуджують у ньому електромагнітні коливання і вимірюють їх резонансну частоту. На резонансній частоті fn(x) збуджують у всьому обсязі резонатора електромагнітні коливання типу, для якого fn(x) вище критичної частоти fnкр для хвилі даного збуджуваного типу в хвилеводі, при значенні x, меншим деякого значення x1, при якому fn(x1) вище fnкр, і вимірюють fn(x), а при значенні x, більшому x1, при якому fn(x1) нижче fnкр, збуджують у всьому обсязі резонатора на резонансній частоті fk(x) електромагнітні коливання типу, для якого fk(x) вище критичної частоти fkкр для хвилі даного збуджуваного типу в хвилеводі, зі зміною значення fn(x1) до значення fk(x1) при х=х1, і вимірюють fk(x). Конструктивні параметри резонатора можуть бути в�

Радіохвильове фазовий пристрій для визначення рівня рідини в ємності

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використане для безконтактного і дистанційного визначення товщини плоских діелектричних матеріалів. Радіохвильове фазовий пристрій для визначення рівня рідини містить генератор СВЧ фіксованої частоти, приєднаний через перший дільник потужності, основний висновок спрямованого відгалужувача і циркулятор до приймально-передавальної антени для випромінювання електромагнітних хвиль у бік поверхні рідини по нормалі до неї і прийому відбитих електромагнітних хвиль. Пристрій також містить перший змішувач випромінюваних і прийнятих електромагнітних хвиль, до першого й другого входів якого підключені відповідно допоміжний висновок спрямованого відгалужувача і висновок циркулятора через другий дільник потужності, другий змішувач, перший дільник частоти на N і другий дільник частоти на N. При цьому перший і другий входи другого змішувача з'єднані відповідно за перший та другий дільники частоти на N з другими виходами першого і другого дільника потужності, а вихід другого змішувача з'єднаний з обчислювальним блоком. Технічний результат - підвищення точності пристрою. 1 іл.

Пристрій для вимірювання кількості речовини в металевій ємності

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використано для вимірювання обсягів металевих порожнин довільної форми, а також для вимірювання кількості (об'єму, маси) містяться в таких порожнинах речовин, що займають довільне положення в обсязі ємності, у тому числі і мають многосвязную конфігурацію. Область застосування даного пристрою включає проведення вимірювань кількості речовини в ємності в умовах невагомості і на транспортних засобах, коли немає горизонтальної межі розділу середовищ, тобто коли завдання вимірювання кількості неможливо звести до задачі вимірювання рівня речовини в ємності. Пропоноване пристрій для вимірювання кількості речовини в металевій ємності містить датчик у вигляді порожнини ємності, яка служить об'ємним резонатором, до якого приєднані генератор електромагнітних коливань, модульовані по частоті в діапазоні [f1, f2], і послідовно сполучені детектор і реєстратор числа типів коливань, порушуваних в ємності. Пристрій містить додатково не менше одного підключеного до ємності генератора електромагнітних коливань, модульовані по частоті, причому діапазон зміни частоти кожного з цих генера�азонов зміни частоти інших генераторів. Кожен з генераторів може бути приєднаний до ємності з допомогою відповідної лінії зв'язку. Пристрій може містити суматор потужності, до входів якого підключені всі генератори, а вихід якого підключено до ємності з допомогою однієї лінії зв'язку. 3 іл.

Безконтактний радіохвильової спосіб вимірювання рівня рідини в ємності

Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використане для високоточного визначення рівня рідини, що знаходиться в якій-небудь ємності. Спосіб полягає в тому, що у бік поверхні рідини по нормалі до неї випромінюють частотно-модульовані за лінійним законом електромагнітні хвилі, приймають відображені електромагнітні хвилі, потім виділяють сигнал биттів на виході змішувача між падаючими і відбитими електромагнітними хвилями, виробляють пряме безперервне вейвлет-перетворення сигналу биттів за час періоду модуляції, в отриманому вейвлет-спектрі сигналу биттів знаходять точки локальних екстремумів, екстраполюють їх прямою лінією, знаходять точку перетину цієї лінії з віссю ординат масштабних коефіцієнтів - a, отриманого коефіцієнту за допомогою функції перетворення, побудованої для використовуваного вейвлету, визначають різницеву частоту, по якій судять про рівень рідини в ємності. Технічний результат - підвищення точності вимірювання рівня рідини в ємностях. 4 іл.

Спосіб визначення висоти шару сипкого матеріалу

Винахід відноситься до галузі вимірювальної техніки і може бути використано в системах управління технологічними процесами

Пристрій для визначення висоти шару речовини

Винахід відноситься до галузі вимірювальної техніки і може бути використано в системах управління технологічними процесами
Up!