способ измерения уровня материала в резервуаре

Формула изобретения

1. Способ измерения уровня материала в резервуаре, включающий формирование измерительным устройством зондирующего сигнала радиочастотного диапазона с линейной ступенчатой периодической частотной модуляцией с известными значениями несущей частоты и девиации частоты, излучение сформированного зондирующего сигнала в направлении зондируемого материала, прием отраженного сигнала, спустя время его распространения, смешивание отраженного сигнала с частью зондирующего сигнала, выделение сигнала разностной частоты, получение отсчетов сигнала разностной частоты с помощью аналого-цифрового преобразователя, вычисление процессором с помощью быстрого преобразования Фурье спектра произведения отсчетов сигнала разностной частоты на отсчеты весовой функции, например, функции Блэкмана, грубое определение расстояния до материала по предварительной оценке частоты максимальной спектральной составляющей, уточнение указанного расстояния по оценке разностной частоты, соответствующей максимальной спектральной составляющей, найденной расчетом непрерывно-дискретного преобразования Фурье и варьированием разностной частоты в пределах одного частотного дискрета спектра в окрестности предварительной оценки частоты максимальной спектральной составляющей в обе стороны, отличающийся тем, что определяют границы зон с повышенной погрешностью измерения в пустом резервуаре, дополнительно процессором генерируется эталонный сигнал в форме цифровых отсчетов, по известным значениям несущей частоты зондирующего частотно-модулированного сигнала и его девиации частоты, а также по заданным значениям времени задержки эталонного сигнала, его амплитуды и фазы определяют логарифм функции правдоподобия, нахождением отрицательного значения среднего квадрата разности полученных отсчетов сигнала разностной частоты и отсчетов сформированного эталонного сигнала находят точное значение времени задержки эталонного сигнала максимизацией полученного значения логарифма функции правдоподобия преобразованием формы эталонного сигнала путем использования различных значений времени задержки эталонного сигнала в заданных предсказанных пределах и вычисляют измеряемый уровень материала по найденному точному значению времени задержки, соответствующему локальному максимуму логарифма функции правдоподобия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что заданные предсказанные пределы изменения времени задержки эталонного сигнала равны значениям времени задержки отраженного сигнала, соответствующим двум границам положений измеряемого уровня, отличающихся от значения уровня, предсказанного по предыдущим измеренным значениям, не более чем на половину длины волны несущего колебания зондирующего сигнала в обе стороны.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что предсказание значения уровня производят по меньшей мере по двум предыдущим результатам измерения с учетом скорости их изменения.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при проведении первого измерения предсказанное значение положения уровня принимается равным текущему значению, полученному на основе преобразования Фурье.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуда эталонного сигнала равна амплитуде сигнала разностной частоты.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что при проведении первого измерения фазу эталонного сигнала определяют по предварительно измеренной фазовой характеристике измерительного устройства с учетом расстояния до материала, найденного с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье на текущем периоде измерения.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что фазу эталонного сигнала определяют по предварительно измеренной фазовой характеристике измерительного устройства с учетом предыдущего измеренного расстояния до материала.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при проведении первого измерения фазу эталонного сигнала определяют на границе зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи мешающего отражателя резервуара, по фазе максимальной спектральной составляющей спектра сигнала разностной частоты, найденной при уточнении расстояния до материала с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, уменьшенной на величину, равную разности полного набега фазы отраженного сигнала на несущей частоте за время распространения указанного сигнала и целого числа периодов отраженного сигнала, укладывающихся в полном набеге фазы, причем полный набег фазы определяется по известной несущей частоте зондирующего сигнала и задержке отраженного сигнала, вычисляемой по положению уровня материала, полученного с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье на текущем периоде измерения.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что фазу эталонного сигнала определяют на границе зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи мешающего отражателя, по фазе максимальной спектральной составляющей спектра сигнала разностной частоты, найденной на этапе точной оценки частоты с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, уменьшенной на величину, равную разности полного набега фазы отраженного сигнала на несущей частоте за время распространения сигнала и целого числа периодов отраженного сигнала, укладывающихся в полном набеге фазы, причем полный набег фазы определяется по известной несущей частоте излучаемого сигнала и задержке отраженного сигнала, вычисляемой по положению уровня материала, измеренного на предыдущем периоде измерения.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения границ зоны с повышенной погрешностью записывают сигнал разностной частоты на пустом резервуаре, вычисляют спектр сигнала разностной частоты с помощью быстрого преобразования Фурье, находят частоты, соответствующие всем локальным максимумам спектра, превышающим заданное пороговое значение, уточняют частоты найденных локальных экстремумов с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, вычисляют расстояние до мешающих отражателей по найденным частотам и вычисляют ближнюю и дальнюю границы зон с повышенной погрешностью как соответственно разности или суммы вычисленных расстояний до мешающих отражателей и утроенного значения элемента разрешения используемого сигнала с частотной модуляцией.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что пороговое значение спектра сигнала разностной частоты получают как заданную долю, например - 20 дБ, от локального максимума указанного спектра сигнала, соответствующего отражению от кромки антенны измерительного устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может применяться для прецизионного измерения уровня жидких материалов.

Известен радиолокационный способ измерения уровня [1], включающий измерение времени распространения радиоволн, излученных в направлении на поверхность среды и отраженных от нее, и вычисление по измеренному времени распространения радиоволн дальности до поверхности среды. Указанный способ не позволяет измерять уровень с достаточной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных конструктивными особенностями резервуара с жидким материалом, так как мешающие отражения искажают форму сигнала и тем самым приводят к большой ошибке в измерении времени задержки.

Известен способ измерения расстояния, реализованный в устройстве [2], заключающийся в том, что излучают частотно-модулированный сигнал в направлении содержимого резервуара, принимают, спустя время распространения, отраженный сигнал и смешивают его с частью излучаемого сигнала для получения сигнала разностной частоты (СРЧ). Фазу этого сигнала используют для измерения расстояния до поверхности контролируемой среды при условии поддержании постоянной самой разностной частоты путем управления периодом модуляции. При этом фаза сигнала разностной частоты при измерении расстояния будет непрерывно меняться в пределах 2 N+ пропорционально изменению расстояния. Здесь N - целое число периодов СРЧ, содержащееся в периоде модуляции, - число, соответствующее оставшейся части периода, то есть начальная фаза СРЧ. Таким образом, определение расстояния сводится к подсчету числа N, измерению фазы и вычислению расстояния.

Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с заданной точностью при наличии мешающих отражений, вызванных элементами конструкции резервуара, так как наличие помех сильно изменяет фазу сигнала и приводит к большой ошибке.

Также известен способ измерения расстояния [3], включающий: формирование и излучение зондирующего сигнала с периодической частотной модуляцией в начальном диапазоне частотной модуляции; прием эхо-сигнала, выделение части зондирующего сигнала и смешивание его с принятым эхо-сигналом; вычисление спектра по СРЧ, полученному за половину периода модуляции и определение его центральной частоты; вычисление расстояния по измеренной центральной частоте СРЧ и количества минимальных интервалов расстояния, укладывающихся в измеряемом расстоянии, соответствующих числу периодов СРЧ на полупериоде модуляции; уменьшение начального диапазона частотной модуляции до получения целого числа интервалов расстояния, соответствующих целому числу периодов СРЧ на полупериоде модуляции и максимуму спектральной составляющей, соответствующей измеряемому расстоянию и вычислению расстояния по частоте этой максимальной спектральной составляющей СРЧ.

Недостатком способа также является невозможность измерения уровня с высокой точностью вблизи мешающих отражателей, так как основной и боковые лепестки спектра помехи искажают форму основного лепестка спектра сигнала и тем самым вызывают большую ошибку в определении истинного положения экстремума спектра.

Наиболее близким решением по совокупности существенных признаков (прототипом) является способ измерения уровня [4] радаром, ориентированным по максимуму эхо-сигнала от измеряемой поверхности и включающий излучение последовательности микроволновых сигналов, дискретные угловые частоты в которых равномерно распределены по сканируемому диапазону частот. Сигнал, отраженный от измеряемой поверхности, смешивают с частью излучаемого сигнала для получения двух сигналов разностной частоты, сдвинутых относительно друг друга по фазе на угол /2 (сигналов квадратур), которые после аналого-цифрового преобразования подаются на микропроцессор.

Обработка последовательности отсчетов квадратур включает обратное дискретное преобразование Фурье, использование для локализации источников наиболее мощных излучений метода высокого разрешения MUZIC, селекцию эхо-сигналов во временной области и в конечном итоге получение расстояния до измеряемого уровня.

Недостатком способа является недостаточно высокая точность измерения уровня при наличии мешающих отражений, вызванных элементами конструкции резервуара и неоднородностями антенно-волноводного тракта из-за их взаимного влияния на полезный сигнал. Анализ описания и формулы патента позволяют сделать вывод, что метод высокого разрешения типа MUZIC либо другие методы, дающие улучшение разрешения по частоте, позволяют увеличить точность измерения на некотором расстоянии вблизи мешающего отражателя по сравнению со способами, основанными на определении положения максимальной спектральной составляющей, например [3]. Однако основная причина недостаточной точности при наличии мешающих отражений остается - это взаимное влияние спектров полезного и мешающего сигналов, приводящее к искажению соотношений интенсивностей спектральных составляющих полезного и мешающего отражателей и в результате к перепутыванию полезного и ложного отражателей при их локализации, что вызывает большую погрешность измерения уровня, проявляющуюся в скачкообразном изменении результатов измерения.

Цель предлагаемого изобретения - уменьшение погрешности измерения уровня при наличии мешающих отражений от элементов конструкции резервуара при условии, что отражение от полезного отражателя превышает по амплитуде отражение от мешающего отражателя и положение уровня материала изменяется от одного цикла измерения к другому не более чем на половину длины волны несущего колебания.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения уровня материала в резервуаре, включающем формирование измерительным устройством зондирующего сигнала радиочастотного диапазона с линейной ступенчатой периодической частотной модуляцией с известными значениями несущей частоты и девиации частоты, излучение сформированного зондирующего сигнала в направлении зондируемого материала, прием отраженного сигнала, спустя время его распространения, смешивание отраженного сигнала с частью зондирующего сигнала, выделение сигнала разностной частоты, получение отсчетов сигнала разностной частоты с помощью аналого-цифрового преобразователя, вычисление процессором с помощью быстрого преобразования Фурье спектра произведения отсчетов сигнала разностной частоты на отсчеты весовой функции, например функции Блэкмана, грубое определение расстояния до материала по предварительной оценке частоты максимальной спектральной составляющей, уточнение указанного расстояния по оценке разностной частоты, соответствующей максимальной спектральной составляющей, найденной расчетом непрерывно-дискретного преобразования Фурье и варьированием разностной частоты в пределах одного частотного дискрета спектра в окрестности предварительной оценки частоты максимальной спектральной составляющей в обе стороны, определяют границы зон с повышенной погрешностью измерения в пустом резервуаре, дополнительно процессором генерируют эталонный сигнал в форме цифровых отсчетов по известным значениям несущей частоты зондирующего частотно модулированного сигнала и его девиации частоты, а также по заданным значениям времени задержки эталонного сигнала, его амплитуды и фазы, определяют логарифм функции правдоподобия нахождением отрицательного значения среднего квадрата разности полученных отсчетов сигнала разностной частоты и отсчетов сформированного эталонного сигнала, находят точное значение времени задержки эталонного сигнала максимизацией полученного значения логарифма функции правдоподобия преобразованием формы эталонного сигнала путем использования различных значений времени задержки эталонного сигнала в заданных предсказанных пределах и вычисляют измеряемый уровень материала по найденному точному значению времени задержки, соответствующему локальному максимуму логарифма функции правдоподобия.

Предпочтительно заданные предсказанные пределы изменения времени задержки эталонного сигнала выполнить равными значениям времени задержки отраженного сигнала, соответствующим двум границам положений измеряемого уровня, отличающихся от значения уровня, предсказанного по предыдущим измеренным значениям, не более чем на половину длины волны несущего колебания зондирующего сигнала в обе стороны.

Предпочтительно предсказание значения уровня произвести по меньшей мере по двум предыдущим результатам измерения с учетом скорости их изменения.

Целесообразно при проведении первого измерения предсказанное значение положения уровня принимать равным текущему значению, полученному на основе непрерывно-дискретного преобразования Фурье.

В способе амплитуда эталонного сигнала должна быть равна амплитуде сигнала разностной частоты.

Предпочтительно при проведении первого измерения фазу эталонного сигнала определить по предварительно измеренной фазовой характеристике измерительного устройства с учетом расстояния до материала, найденного с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье на текущем периоде измерения.

Целесообразно фазу эталонного сигнала определить по предварительно измеренной фазовой характеристике измерительного устройства с учетом предыдущего измеренного расстояния до материала.

Целесообразно при проведении первого измерения фазу эталонного сигнала определять на границе зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи (в окрестности) мешающего отражателя резервуара, по фазе максимальной спектральной составляющей спектра сигнала разностной частоты, найденной при уточнении расстояния до материала с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, уменьшенной на величину, равную разности полного набега фазы отраженного сигнала на несущей частоте за время распространения указанного сигнала и целого числа периодов отраженного сигнала, укладывающихся в полном набеге фазы, причем полный набег фазы определяют по известной несущей частоте зондирующего сигнала и задержке отраженного сигнала, вычисляемой по положению уровня материала, полученного с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье на текущем периоде измерения.

Предпочтительно фазу эталонного сигнала определять на границе зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи (в окрестности) мешающего отражателя резервуара, по фазе максимальной спектральной составляющей спектра сигнала разностной частоты, найденной на этапе точной оценки частоты с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, уменьшенной на величину, равную разности полного набега фазы отраженного сигнала на несущей частоте за время распространения сигнала и целого числа периодов отраженного сигнала, укладывающихся в полном набеге фазы, причем полный набег фазы определяют по известной несущей частоте излучаемого зондирующего сигнала и задержке отраженного сигнала, вычисляемой по положению уровня материала, измеренного на предыдущем периоде измерения.

Целесообразно для определения границ зоны с повышенной погрешностью записать сигнал разностной частоты на пустом резервуаре, вычислить спектр сигнала разностной частоты с помощью быстрого преобразования Фурье, найти частоты, соответствующие всем локальным максимумам спектра, превышающим заданное пороговое значение, уточнить частоты найденных локальных экстремумов с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, вычислить расстояния до мешающих отражателей по найденным частотам и вычислить ближнюю и дальнюю границы зон с повышенной погрешностью как соответственно разности или суммы вычисленных расстояний до мешающих отражателей и утроенного значения элемента разрешения используемого сигнала с частотной модуляцией.

Предпочтительно пороговое значение спектра сигнала разностной частоты получить как заданную долю, например -20 дБ, от локального максимума указанного спектра, соответствующего отражению от кромки антенны измерительного устройства.

Таким образом, при формировании границ в заявленном способе происходит постоянное слежение за одним и тем же локальным максимумом ЛФП, соответствующим истинному значению времени задержки эталонного сигнала. По полученному значению времени задержки отраженного сигнала, соответствующего максимуму ЛФП, вычисляется дальность до поверхности среды. Выбор локального максимума ЛФП, за которым производится слежение, производится на границе зоны с повышенной погрешностью измерения, когда этот максимум является глобальным и соответствует истинному значению времени задержки. Для определения фазы эталонного сигнала применимы два варианта. В одном из вариантов фаза эталонного сигнала определяется по предварительно измеренной фазовой характеристике измерительного прибора с учетом положения уровня материала, измеренного на предыдущем цикле измерения. В другом варианте фаза эталонного сигнала определяется по фазе отраженного сигнала на границе зоны с повышенной по- грешностью измерения вблизи мешающего отражателя.

Заявляемый способ измерения уровня материала в резервуаре обладает совокупностью признаков, неизвестных из уровня техники для способов подобного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Для доказательства изобретательского уровня необходимо учесть, что известный способ измерения уровня [4], основанный на методе высокого разрешения типа MUZIC, позволяет увеличить разрешающую способность и, соответственно, точность измерения в некоторой зоне вблизи мешающего отражения по сравнению со способами, основанными на определении положения максимальной спектральной составляющей, например [3]. Однако основная причина недостаточной точности при наличии мешающих отражений остается - это взаимное влияние спектров полезного и мешающего сигналов, вызывающее неверную передачу соотношений отсчетов спектра полезного и мешающего отражателей, и наличие паразитной амплитудной модуляции и нелинейных искажений СРЧ. Вследствие неверной передачи амплитудных соотношений в известном способе измерения происходит перепутывание полезного и мешающего отражателей при локализации полезного отражателя по максимальной спектральной составляющей, в результате возникает большая погрешность измерения расстояния в виде отдельных выбросов погрешности. Причем, чем больше уровень шума, тем это явление проявляется чаще.

Заявленный способ не имеет этого недостатка, так как в нем при изменении уровня внутри зоны с повышенной погрешностью измерения, начиная от любой ее границы, производится постоянное слежение за одним и тем же локальным максимумом ЛФП, соответствующим истинному положению уровня. Мешающий отражатель искажает форму огибающей локальных максимумов ЛФП, но не изменяет их положение на оси времени задержки, если он не превышает по амплитуде полезный отражатель. Поэтому погрешность измерения существенно снижается во всех точках зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи мешающего отражателя, в том числе и непосредственно вблизи мешающего отражателя, где известный способ приводит к повышенной погрешности. Причем на результаты измерения слабо влияет уровень шума.

Указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения - "Изобретательский уровень".

Эти отличия приводят к появлению качественно нового свойства заявленного способа - возможности измерения уровня материала при наличии мешающих отражений. Это новое свойство позволяет повысить точность измерений.

Осуществление заявленного способа поясняется с помощью чертежей, показанных на фиг.1-6.

На фиг.1 изображено устройство для измерения уровня при наличии мешающих отражателей в резервуаре.

На фиг.2 изображена блок-схема программы обработки сигнала в режиме измерения уровня.

На фиг.3 изображена блок-схема программы обработки сигнала при выполнении обучения.

На фиг.4 изображены зависимости погрешности измерения расстояния на основе преобразования Фурье и предложенным способом, полученные путем моделирования процесса измерения на компьютере.

На фиг.5 изображены зависимости погрешности измерения расстояния на основе преобразования Фурье и известным способом, основанном на методе высокого разрешения MUSIK, полученные путем моделирования процесса измерения на компьютере.

На фиг.6 изображены погрешности измерения расстояния на основе преобразования Фурье и предложенного способа, полученные экспериментальным путем.

Устройство для измерения уровня содержит формирователь (Ф) 1 сигнала, выход которого соединен со входом усилителя СВЧ (УСВЧ) 2, направленный ответвитель (НО) 3, причем выход усилителя СВЧ 2 подключен ко входу НО 3, циркулятор (Ц) 4, вход которого соединен с первым выходом направленного ответвителя 3, антенну (А) 5, подключенную к первому выходу циркулятора 4, смеситель (См) 6, входы которого соединены со вторыми выходами направленного ответвителя 3 и циркулятора 4, а выход соединен через последовательно соединенные усилитель (У) 7 и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 с первым входом процессора (Пр) 9. Второй выход формирователя 1 соединен со вторым входом процессора 9, первый выход процессора 9 соединен со вторым входом АЦП 8, а второй выход процессора является выходом устройства.

Способ измерения уровня материала в резервуаре осуществляют следующим образом. Формирователь 1 формирует зондирующий радиочастотный сигнал с линейной ступенчатой периодической частотной модуляцией. Этот сигнал после усиления в усилителе СВЧ 2 поступает через направленный ответвитель 3 и циркулятор 4 в антенну 5 и излучается в направлении контролируемого материала. В предлагаемом способе измерения уровня используется частотная модуляция по треугольному закону. Измерение уровня происходит при использовании СРЧ, полученном на интервале 0÷Т_мод/2, где Т_мод - период частотной модуляции. Спустя время распространения отраженный сигнал принимается антенной 5 и со второго выхода циркулятора 4 поступает на первый вход смесителя 6. На второй вход смесителя 6 поступает часть излучаемого сигнала со второго выхода направленного ответвителя 3. СРЧ с выхода смесителя через усилитель 7 поступает на вход АЦП 8. На второй вход АЦП 8 поступают импульсы управления с первого выхода процессора 9. С помощью АЦП получают цифровые отсчеты СРЧ u(k) k=0, ,N-1. Отсчеты СРЧ в цифровой форме поступают на первый вход процессора 9. На второй вход процессора 9 поступает пачка синхронизирующих импульсов, соответствующих половине периода модуляции со второго выхода формирователя 1. Результат измерения уровня материала в резервуаре поступает на второй выход процессора 9.

Блок-схема работы процессора в режиме измерения уровня материала приведена на фиг.2. В блоке 10 производится инициализация необходимых переменных. Это обнуление признака первого измерения Perv, ввод из перепрограммируемого ПЗУ количества К зон с повышенной погрешностью измерения и их границ R_1,k , R_2,k, k=1, , K, которые найдены в режиме измерения (обучения) на пустой емкости и таблицы значений (R_n), n=1, , L фазовой характеристики измерительного прибора. В блоке 11 производится ввод цифровых отсчетов u(k) k=0, , N-1 СРЧ в течение времени одного полупериода модуляции. Моменты ввода отсчетов СРЧ задаются синхронизирующим сигналом, поступающим на второй вход процессора 9 с формирователя 1. Далее в блоке 12 выполняют грубую оценку частоты СРЧ, для чего вычисляют с помощью быстрого преобразования Фурье дискретный спектр , n=0, , N-1 этого сигнала, умноженного на отсчеты весовой функции W(k), k=0, , N-1 (например, весовой функции Блэкмана):

, n=0, , N-1,

находят номер отсчета n_макс спектральной составляющей с максимальной амплитудой и соответствующее значение дискретной частоты _nмакс=4 n_макс/T_мод.

Затем делают уточненную оценку разностной частоты. Для этого вычисляют непрерывно-дискретное преобразование Фурье СРЧ, умноженного на отсчеты весовой функции:

варьируют значение частоты в диапазоне от ( _iмакс - 4 /Т_мод) до ( _iмакс+4 /Т_мод) в окрестности грубой оценки частоты _iмакс с шагом , задающим погрешность оценки частоты, и находят положение _макс максимума модуля спектра . По полученному значению разностной частоты _макс вычисляют текущую i-ю оценку расстояния до материала:

,

где с - скорость распространения электромагнитной волны внутри резервуара; F - девиация частоты при ЧМ, и вычисляют фазу , соответствующую максимуму спектра.

В блоке 13 сравнивают полученную оценку расстояния с границами зон с повышенной погрешностью измерения R _1,k, R_2,k, k=1, , K и проверяют, находится ли уровень материала в одной из зон с повышенной погрешностью измерения вблизи соответствующего мешающего отражателя:

R_1,k R_i R_2,k.

Если уровень материала находится в пределах одной из зон с повышенной погрешностью измерения, происходит переход к блоку 14, где проверяется признак Perv_izm выполнения первого измерения в зоне с повышенной погрешностью измерения. Если Perv_izm=0, что соответствует выполнению первого измерения в зоне с повышенной погрешностью измерения, то в блоке 15 производятся инверсия признака первого измерения Perv_izm=1, обнуление буфера последних результатов измерения и запоминание фазы ( _макс), соответствующей максимуму модуля спектра. Если измерение в зоне повышенной погрешности не первое, то в блоке 16 по М 2 значениям , m=1, , М, хранящимся в буфере последних результатов измерения, производится предсказание расстояния для установки границ поиска точного положения уровня материала:

,

где R_i - текущее i-e предсказанное значение расстояния; - предыдущее измеренное значение расстояния, хранящееся в буфере последних измеренных результатов; - средняя скорость изменения измеряемого расстояния; t_изм - интервал времени между двумя последовательными измерениями уровня.

Затем в блоке 17 производится задание фазы эталонного сигнала. В первом варианте формирования эталонного сигнала задание фазы производится путем интерполяции значений фазовой характеристики измерительного прибора с учетом предсказанного расстояния R_i:

где R_n-1 и R_n - такие значения аргументов из таблицы для фазовой характеристики, что R_n-1 R_i R_n.

Во втором варианте формирования эталонного сигнала фаза эталонного сигнала определяется по фазе максимального отсчета спектра СРЧ ( _макс), запомненной в блоке 15 на границе зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи (в окрестности) мешающего отражателя резервуара:

где ₀=2 F₀, F₀ - известная несущая частота СВЧ-сигнала с ЧМ,

Int(·) - операция вычисления целой части числа.

При проведении первого измерения при нахождении фазы используется расстояние R_i, найденное по оценке разностной частоты с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье на текущем периоде измерения.

В блоке 18 амплитуда эталонного сигнала задается примерно равной амплитуде принятого СРЧ:

В блоке 19 определяются границы t_з1 =2R_м1/c, t_з2=2R_м2/c диапазона варьирования времени задержки t_з эталонного сигнала. Границы соответствуют временам задержки, соответствующим двум положениям уровня материала R_м1, R_м2, отличающимся от предсказанного значения R_i на половину длины волны несущего колебания ₀:

Затем в этом блоке производится формирование N отсчетов эталонного сигнала с известными параметрами частотной модуляции, заданными амплитудой и фазой и временем задержки t _з в пределах [t_з1, t_з2]:

k=0, , N-1,

формирование ЛФП [5]:

и варьирование времени задержки эталонного сигнала t_з в указанных пределах с шагом t, задающим погрешность измерения, с целью поиска времени задержки t_змакс, соответствующего максимуму ЛФП.

В блоке 20 по найденному значению времени задержки эталонного сигнала, соответствующего максимуму ЛФП, производятся вычисление точного расстояния и запись его в буфер последних результатов измерения.

Затем производятся вывод результата расчета в блоке 21 и возврат к блоку 11 для ввода нового массива отсчетов СРЧ и т.д. циклически повторяется процедура измерения уровня.

Если уровень не находится в зоне с повышенной погрешностью измерения или он вышел из нее, то в блоке 22 производятся обнуление признака первого измерения Perv_izm=0 и задание фазы эталонного сигнала, равной фазе максимальной спектральной составляющей _эт= ( _макс), определенной в блоке 12, переход к блоку 18 и выполнение дальнейших вычислений в порядке, описанном выше.

Процесс измерения (обучения) на пустом резервуаре производится по блок-схеме программы, приведенной на фиг.3. В блоке 23 происходит запись СРЧ на пустом резервуаре, в блоке 24 вычисляется спектр , n=0, , N-1 сигнала СРЧ с помощью БПФ. В блоке 25 в области первых четырех дискретных спектральных составляющих спектра СРЧ осуществляется поиск локального максимума S_ант, соответствующего отражению от кромки антенны и вычисление порогового значения:

S_пор= aS_ант,

где а - уровень порогового значения по отношению к уровню отражения от кромки антенны (например, а=-20 дБ).

В блоке 26 осуществляются поиск максимумов спектра , n=5, , N-1, превысивших пороговое значение S_пор, определение их количества K, номеров отсчетов максимумов n _макс,k k=1, , K и расчет дискретных частот _nмакс,k=4 n_мaкc,k/T_мoд, k=1, , K, соответствующих этим максимумам.

В блоке 27 производятся уточнение найденных дискретных частот с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, аналогично работе процессора в режиме измерения уровня и расчет расстояний R_меш,k, k=1, , K, соответствующих мешающим отражателям.

В блоке 28 производится определение K пар границ R_1,k , R_2,k, k=1, , K зон с повышенной погрешностью измерения как соответственно разности и суммы расстояний до мешающих отражателей и утроенного значения элемента разрешения для используемого сигнала с ЧМ:

k=1, , K.

В блоке 29 происходит запись полученных значений границ зон с повышенной погрешностью измерения в перепрограммируемое ПЗУ и выход из режима обучения.

В предлагаемом способе при изменении уровня внутри зоны с повышенной погрешностю измерения вблизи мешающего отражателя происходит постоянное слежение за положением одного и того же локального максимума ЛФП. Захват этого максимума происходит на границе зоны с повышенной погрешностью измерения, когда влияние мешающего отражателя практически не существенно. По этому в этой точке указанный максимум является глобальным, соответствующим истинному расстоянию до уровня материала, т.е. измерение производится на основе метода максимального правдоподобия, являющегося оптимальным при измерении на фоне белого нормального шума [5]. При продвижении уровня материала по зоне с повышенной погрешностью измерения за счет влияния мешающего отражателя искажается огибающая ЛФП, в результате захваченный максимум уже не является глобальным, однако его положение по-прежнему соответствует истинному положению уровня материала при условии, что мешающее отражение не превышает по амплитуде полезный сигнал. Этот факт и позволяет существенно снизить погрешность измерения уровня материала.

Моделирование процесса измерения уровня показало высокую эффективность предлагаемого способа измерения уровня материала в резервуаре. Так, на фиг.4 показана зависимость погрешности измерения расстояния внутри зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи мешающего отражателя для двух способов измерения. На фиг.4 стрелкой обозначено положение мешающего отражателя. Тонкой сплошной линией показана погрешность для способа, основанного на преобразовании Фурье. Толстой сплошной линией показана погрешность для предлагаемого способа. Все графики получены в одинаковых условиях измерения для несущей частоты 10 ГГц, девиации частоты 1 ГГц, уровня шума 50 дБ и формирования 1024 отсчетов смоделированного СРЧ.

На фиг.5 по-прежнему стрелкой обозначено положение мешающего отражателя. Тонкой сплошной линией показана погрешность для способа, основанного на преобразовании Фурье. Толстой сплошной линией показана погрешность для известного способа. На некотором расстоянии от помехи известный способ действительно позволяет существенно снизить погрешность измерения. Однако есть зона вблизи мешающего отражателя, в которой локализация полезного отражателя по максимальной спектральной составляющей в методе MUSIK приводит к перепутыванию полезного и мешающего отражателей вследствие неверной передачи соотношения интенсивностей спектральных составляющих этих отражателей при расчете спектра. В результате наблюдаются большие резкие броски погрешности измерения расстояния, значительно превышающие погрешность, обеспечиваемую способом измерения на основе преобразования Фурье.

Сравнение фиг.4 и 5 показывает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает существенное снижение погрешности измерения вблизи мешающего отражателя по сравнению с известными способами.

На фиг.6 показана погрешность измерения расстояния, полученная экспериментальным путем на реальном, серийно выпускаемом уровнемере с указанными выше параметрами ЧМ. Тонкой линией показана погрешность для способа, основанного на преобразовании Фурье, и толстой сплошной линией - погрешность для предлагаемого способа. На фиг.6 также видно несомненное преимущество предлагаемого способа измерения уровня.

Источники информации

1. Теоретические основы радиолокации. /Под ред. Я.Д.Ширмана М., Сов. Радио, 1970.

2. Марфин В.П., Кузнецов Ф.В. СВЧ уровнемер. // Приборы и системы управления. 1979, № 11. С.28-29.

3. Патент РФ № 2234717, G01S 13/34, 04.03.2003.

4. Патент США 5504490. МКИ G01S 13/08.

5. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. - М.: Радио и связь, 1991. - 608 с.