Модулированным излучением

(FMCW – frequency modulated con-

tinuous wave) и импульсным излучением сигнала.

Технология FMCW реализует косвенный метод измерения расстоя- ния. Уровнемер излучает микроволновый сигнал, частота которого изме- няется непрерывно по линейному закону между двумя значениями f 0 и f 1 (рис. 5.16). Отраженный от поверхности контролируемой среды (жидкость, сыпучий материал) сигнал принимается той же антенной и обрабатывает- ся. Его частота сравнивается с частотой сигнала, излучаемого в данный

момент времени. Значение разности частот (Δ f) прямо пропорционально

расстоянию до поверхности (l).

Принцип очень прост, но на пути его практической реализации су- ществует множество технических и технологических проблем. Одной из важнейших, непосредственно влияющих на точность измерения, является обеспечение высокой линейности изменения частоты сигнала и особенно ее температурной стабильности, поскольку уровнемеры, как правило, предназначены для эксплуатации в очень широком температурном диапа- зоне.

f, ГГц

f max

 

f1

Δ f

f0

 

 

f min

 

 

t0 t1 t

Δ t

Рис. 5.16. Принцип измерения расстояния при использовании

технологии FMCW:

излученный сигнал;

отраженный сигнал

 

 

Идеальными для уровнемера FMCW являются условия, когда по- верхность контролируемой среды имеет достаточно большую площадь, на ней отсутствуют какие-либо возмущения, а сам резервуар полностью сво- боден от каких-либо внутренних конструктивных элементов. Однако ре- альные условия разительно отличаются от идеальных и привносят допол- нительные проблемы, связанные с образованием большого числа паразит-

ных эхо-сигналов от эле-

 

f, ГГц

f max

 

 

f min

 

 

а б в г

 

t

ментов конструкции, не- ровностей поверхности (особенно при контроле сыпучих материалов) и т.п. (рис. 5.17).

Кроме того, приём и передача сигнала осу- ществляются одновре- менно. В результате на входе приёмника уровне-

мера присутствует слож-

Рис. 5.17. Паразитные отражения при ис-

пользовании технологии FMCW:

а – излученный сигнал; б, в – паразитные эхо-

сигналы; г – полезный отраженный сигнал

 

ная смесь сигналов с очень большим разбросом по амплитуде. Для выде-

ления частот эхо-сигналов применяется алгоритм, основанный на методе быстрого преобразования Фурье. Для его реализации требуются значи- тельные вычислительные ресурсы и относительно продолжительное время. Выделять полезный эхо-сигнал и игнорировать остальные позволяет спе- циальное программное обеспечение, установленное на сервисном компью- тере или встроенное в уровнемер.

В радарах импульсного типа используется метод определения рас- стояния, основанный на непосредственном измерении времени прохожде- ния СВЧ - импульса от излучателя до контролируемой поверхности и об- ратно. В результате для отраженного сигнала применение процедуры бы- строго преобразования Фурье не требуется. Однако время прохождения сигналом дистанции в несколько метров составляет всего единицы наносе- кунд. Поэтому для обеспечения измерения столь малых значений с тре- буемой точностью все-таки требуется применение специальных методов обработки сигнала. Для этого обычно используется преобразование СВЧ - сигнала в сигнал промежуточной частоты ультразвукового диапазона. По- сле такого преобразования к обработке сигналов радарного уровнемера могут быть легко применимы методы и алгоритмы, используемые в ульт- развуковых приборах контроля уровня. Радарные уровнемеры импульсно- го типа обладают рядом преимуществ перед устройствами, использующи- ми технологию FMCW. Во-первых, принимаемые эхо-сигналы вне зависи- мости от природы их источника разнесены во времени, что обеспечивает их более простое разделение. Во-вторых, среднее энергопотребление им- пульсных уровнемеров составляет единицы мкВт (пиковая мощность при излучении СВЧ-импульса составляет около 1 мВт), что позволяет использовать для их подключения двухпроводную схему с питанием от измерительной цепи со стандартным токовым сигналом 4-20 мА; в приборах, работающих по технологии FMCW, энергопотребление существенно выше из-за непрерывного характера излучения, а также постоянно выполняемой математической обработки эхо-сигнала. И, в- третьих, в импульсных уровнемерах электроника для выполнения первичной обработки сигнала проще, а сама обработка выполняется исключительно аппаратными средствами; в результате благодаря меньшему числу комплектующих надёжность прибора получается потенциально выше.

Конструкция одного из типов ра-

1 дарного уровнемера представлена на рис. 5.18. Одним из самых важных

2 элементов радарного уровнемера явля- ется его антенная система. Именно от антенны зависит, какая часть излучён-

3 ного сигнала достигнет поверхности

4 контролируемого материала и какая часть отражённого сигнала будет при-

5 нята и передана на вход электронного

6 блока для последующей обработки. В радарных системах контроля уровня преимущественно используются ан-

Рис. 5.18. Конструкция радарно-

го уровнемера:

1 – электронный блок; 2 – дисплей;

3 – распределительная коробка;

4 - кабельные вводы; 5 – крепеж-

ное приспособление; 6 – антенна

тенны пяти типов: рупорная; стержне- вая; трубчатая; параболическая; пла- нарная.

Стержневая и рупорная антенны

(рис. 5.19, а,б) наиболее широко ис-

пользуются в составе приборов, пред-

назначенных для контроля уровня в технологических установках. Трубча- тые антенны (рис. 5.19, в) применяются в тех случаях, когда выполнение измерения посредством рупорной или стержневой антенны связано с очень большими трудностями или просто невозможно, например, при наличии пены, сильного испарения или высокой турбулентности контролируемой жидкости.

Параболические и планарные антенны (рис. 5.19, г,д) используются исключительно в составе систем коммерческого учета нефтепродуктов.

При контроле уровня в закрытых емкостях, а это наиболее частое применение радарных уровнемеров, антенна, находясь внутри резервуара, подвергается воздействию всех неблагоприятных факторов, которые там только могут присутствовать.

К ним относятся и высокое давление, и высокая температура, и аг- рессивные испарения, и пыль, и т.д. Безусловно, конструкция антенны и материалы, используемые для ее изготовления, должны всему этому ус- пешно противостоять. Кроме того, конструкция самих резервуаров отлича- ется огромным разнообразием и потому способна создать массу проблем при установке уровнемера.

 

 

г

 

 

а б в д

 

 

Рис. 5.19. Типы антенн радарных уровнемеров:

а – стержневая; б – рупорная; в – трубчатая;

г – параболическая; д – планарная