Радиоволновой фазовый уровнемер для контроля жидких и сыпучих материалов

• Автор: Галасюк, Игорь Борисович
• Шифр специальности: 05.11.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 147 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ УРОВНЯ
1.1. Задачи измерения и контроля уровня
1.1.1. Построение современных подсистем учета количества веществ
1.2. Способы измерения уровня
1.3. Классификация и анализ методов измерения уровня
1.3.1. Электромеханические датчики уровня
1.3.2. Оптоэлектронные датчики уровня
1.3.3. Электрические датчики уровня
1.3 .4. Акустические датчики уровня
1.3.5. Радиоволновые датчики уровня
1.3 .6. Радиоизотопные датчики уровня
1.3.7. Гидростатические датчики уровня
1.4. Анализ характеристик современных средств измерения уровня
1.5. Анализ методов измерения уровня радиоводновыми локационными уровнемерами
1.5.1. Особенности условий работы радиоволновых локационных уровнемеров
1.5.2. Анализ частотного метода измерения расстояния при контроле уровня
1.5.3. Анализ импульсного метода измерения уровня
1.5.4. Анализ фазового метода измерения уровня
ВЫВОДЫ
2. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ В СЛУЧАЕ ЗЕРКАЛЬНО ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
2.1. Модели отражающих поверхностей при измерении уровня
2.2. Модель диаграмм направленности антенн уровнемера
2.3. Разработка математической модели влияния параметров фазового РЛУ на погрешность измерения уровня для случая зеркально отражающей поверхности
ВЫВОДЫ
3. АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ В СЛУЧАЕ ДИФФУЗНО ОТРАЖАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ
3.1. Разработка математической модели влияния параметров фазового РЛУ на погрешность измерения уровня для случая зеркально отражающей поверхности
3 .2. Влияние уровня боковых лепестков на погрешность измерения
3.3. Оценка погрешностей двухчастотного фазового метода измерения
расстояний
ВЫВОДЫ
4. АНАЛИЗ СУММАРНОЙ ПОГ РЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ ФАЗОВЫМ РЛУ. СИНТЕЗ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ
4.1. Погрешности измерения уровня в фазовом РЛУ
4.2. Потенциальная точность измерения уровня фазовым РЛУ
4.3. Влияние нестабильности частоты модулирующего генератора на погрешность измерения уровня
4.4. Методы построения фазометров с время-импульсным преобразованием
4.5. Анализ погрешностей измерения сдвигов фаз
4.5.1. Амплитудная составляющая погрешности
4.5.2. Погрешность квантования временных интервалов
4.6. Общая погрешность иизмерения уровня фазовым РЛУ
4.7. Синтез структурной схемы фазового РЛУ
ВЫВОДЫ
5. ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МАКЕТНОГО ОБРАЗЦА ФАЗОВОГО РЛУ
5.1. Исследование макетного образца фазового РЛУ
5.2. Методика градуировки фазового РЛУ
5.3. Методика расчета погрешности измерения уровня фазовым РЛУ
5.4. Методика эксплуатации фазовых РЛУ
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
В современных промышленных технологических процессах (ТП) необходим контроль количественных характеристик (массы, объема) и расхода веществ в различных местах хранения - бункерах, баках, резервуарах, колодцах.
Данные о количестве вещества в подавляющем большинстве случаев получают косвенно, в результате обработки измеренных значений расстояния от базовой поверхности до поверхности границы раздела газовой среды, в частности, воздуха и вещества. Традиционно эта операция измерения расстояния называется измерением уровня, а приборы, реализующие эту операцию, уровнемерами.
Параметры вещества и окружающей среды ограничивают выбор методов и средств измерения уровня. В настоящее время в ТП внедряются средства, реализующие бесконтактные методы измерения. К ним, в частности, относятся радиоволновые локационные уровнемеры (РЛУ) диапазона сверхвысоких частот (СВЧ). Погрешности измерения уровня приборами этого класса практически не зависят от таких характеристик среды (канала) распространения электромагнитной волны, параметры которой несут информацию об уровне, как запыленность, разница температур по протяженности канала и т.п.
Принцип работы серийно выпускаемых РЛУ основан на частотном и реже импульсном методе измерения расстояния. Для технической реализации этих методов характерны сложные схемотехнические решения и высокая стоимость элементной базы тракта СВЧ и обработки сигнала, сложность настройки регулировки всего прибора, что объясняется малостью измеряемых расстояний (единицы, десятки метров) и требуемой погрешностью измерений (единицы сантиметров, миллиметры).
Высокая стоимость изделий, обусловленная, в основном, стоимостью приемнопередающего тракта СВЧ, сложность которого, в свою очередь, связана с методом определения расстояния, тормозит широкое внедрение РЛУ в промышленные ТП. Вместе с тем, в серийно выпускаемых РЛУ не применяется фазовый метод измерения расстояния на частоте модуляции зондирующего излучения, традиционно используемый в уровнемерах оптического диапазона длин волн. Это связано с недостаточной изученностью возможностей метода при измерении малых расстояний до протяженных поверхностей. Не смотря на то, что методы и средства измерения фазовых сдвигов исследованы достаточно полно, практически не исследовано влияние на погрешность измерения расстоя-

поступающий на вход ПИП 6. На другой вход преобразователя подается сигнал источника опорного напряжения 7. При изменении уровня жидкости от условного нулевого значения световой луч пересекает элемент 3 раньше или позже. При этом изменяется фаза сигнала элемента 3, которая зависит от положения контролируемой поверхности. ПИП 6 преобразует смещение по фазе сигнала элемента 3 в аналоговый сигнал, амплитуда которого пропорциональна отклонению уровня от нулевого значения. При использовании в качестве сканатора 5 оптической призмы зависимость скорости перемещения луча в поле сканирования от угла поворота призмы, а также зависимость фазы сигнала элемента 3 от уровня имеет синусоидальный характер. Поэтому для получения на выходе ППП 6 линейной зависимости амплитуды аналогового сигнала от уровня в источнике опорного напряжения 7 используют синусоидальные напряжения соответствующей частоты.
Измеритель настраивают таким образом, что при условно нулевом значении уровня сигнал на элементе 3 появляется точно в середине периода опорного напряжения, что соответствует фазе опорного напряжения <р=180°. Амплитуда опорного напряжения, регистрируемая в этот момент на выходе ПИП 6, равна нулю. При изменении уровня контролируемой жидкости сигнал появляется раньше или позже (при понижении уровня - раньше), что соответствует фазе опорного напряжения <р<180° или ф>180°.
Тазе как кривая опорного напряжения имеет такие же характеристики, что и зависимость скорости перемещения светового луча от угла поворота призмы, амплитуда опорного напряжения, регистрируемого на выходе преобразователя, пропорциональна только отклонению уровня и не зависит от характеристики сканирующего элемента.
На рис. 1.7, в) показано устройство, основанное на преломляющей способности светового пучка. Применение волоконных световодов позволяет значительно уменьшить шаг дискретизации. Световой поток от источника света 1 по излучающему световоду 8 поступает в резервуар, проходит контролируемый столб жидкости и, преломившись на границе раздела жидкой и газообразной сред, воспринимается входными торцами волоконно-оптических световодов 9. С изменением уровня на величину ЛИ происходит осевое смещение преломленного светового пучка, который воздействует на различные входные торцы световодов 9. Таким образом в ПИП 6 поступает информация об уровне или объеме контролируемого вещества.
Используя различные варианты расположения входных торцевых частей оптических волокон приемного световода (например, по прямой, кривой, ломаной или преры-