Радіохвильові методи вимірювання рівня

При реалізації радіохвильових методів вимірювання рівня рідин та сипких

матеріалів вимірювання проводять у повітрі. Радіохвильові рівнеміри поділяються на дві групи. Принцип дії першої групи грунтується на вимірю- ванні часового зсуву між падаючою хвилею і хвилею, яка відбивається від поверхні розподілу двох середовищ «повітря – контрольоване за рівнем середо-вище». Принцип дії іншої – на залежності власних коливань резонатору, який

утворює ємність з контрольованою за рівнем речовиною, від кількості та властивостей речовини, що заповнює резонатор.

Застосування першої групи приладів, а їх називають радіолокаційними (радарами – в перекладі із англійської означає радіо знаходження та визначення відстані до об’єкта), для вимірюванні рівня рідин або сипучих матеріалів грунтується на явищі відбиття електромагнітних хвиль від границі розподілу двох середовищ із різними швидкостями їхнього поширення в цих середовищах. Прототипом радарного рівнеміра є радіовисотоміри (вимірювачі відстані), які використовувались спочатку у військовій (авіаційній) промисловості. В цих приладах для оцінки відстані використовувалось вимірювання запізнення прийнятого радіосигналу відносно випромінюваного. Але пряме використовування відпрацьованих у військовій промисловості рішень у народному господарстві було не можливим із-за великої вартості та низької надійності вакуумних генераторів надвисокої частоти (НВЧ – генера-торів), які використовувались для випромінювання НВЧ радіо-хвиль. Ситуація різко змінилась після появи відносно дешевих напівпровідникових НВЧ - генераторів на діодах Ганна, на ЛПД - діодах та транзисторах.

Принцип дії всіх відомих радарних рівнемірів ґрунтується на вимірюванні часу розповсюдження радіохвилі від антени рівнеміра до поверхні продукту, рівень до якого вимірюється, і назад, при відомій швидкості її розповсюдження. Відомо, що швидкість поширення електромагнітних хвиль (фазова швидкість,

м/с) у середовищі залежить від властивостей середовища:

ν = √¯(1/ε_аּμ_а),(1)

де ε_а= εּε₀ — абсолютна діелектрична проникність середовища, Ф/м;

μ_а= μּμ₀ - абсолютна магнітна проникність середовища, Гн/м.

Як правило, застосовується локація через газ, тому що при цьому чутливий елемент не піддається впливу вимірюваного рідкого або сипкого середовища. Крім того, діелектричні проникності практично всіх газів близькі до одиниці, внаслідок цього показання рівнемірів практично не залежать від властивостей середовища, що заповнює ємність.

Найбільш простим, з точки зору реалізації на перший погляд, виглядає імпульсний метод, суть якого у вимірюванні часу запізнення прийнятого імпульсу відносно випромінюваного. Але при його реалізації виникають наступні труднощі: 1) випромінюваний імпульс повинен бути достатньо короткий, щоб закінчитись раніше, ніж у антену надійде відбитий імпульс, тобто, імпульс повинен мати довжину в одиниці наносекунд і менше і реалізувати його не так просто; 2) випромінюваний радіоімпульс повинен бути достатньо потужним, щоб забезпечувалось необхідне співвідношення сигнал/шум в прийнятому сигналі, а це накладає відповідні вимоги до випромінюючого елементу; 3) задача високоточного вимірювання наносекундних часових інтервалів між випромінюваним і відбитим імпульсами непроста у технічному вирішенні. При цьому, через велику швидкість поширення електромагнітних хвиль у газовому середовищі (практично дорівнює швидкості розповсюдження світла), реалізація радіолокаційного методу, по аналогії з ультразвуковим «ехо-методом», практично не можлива на відносно малих відстанях (рівнях), так як необхідне вимірювання досить малих інтервалів часу, обумовлених часом проходження хвилі від випромінювача до

границі розподілу двох середовищ і назад.

В силу перерахованих факторів, імпульсні методи використовуються у випадках, коли відбиваюча властивість продукту є високою і не вимагається висока точність вимірювання, а діапазон вимірювання рівня великий - десятки,

а іноді й сотні метрів.

Останнім часом найбільше розповсюдження дістають рівнеміри, які використовують безперервне модульоване по частоті радіовипромінювання (технологія FMCW), наприклад, УЛМ-11 (ЗАО «ЛІМАКО», м. Тула). Суть роботи такого рівнеміра в тому, що мікрохвильовий генератор сенсора рівня формує радіосигнал, частота якого змінюється в часі по лінійному закону – лінійний частотно-модульований сигнал. Цей сигнал випромінюється у напрямку продукту, відбивається від нього, і частина сигналу через певний час, який залежить від швидкості світла і відстані, повертається назад у антену. Випромінюваний та відбитий сигнали змішуються в сенсорі рівня і в результаті утворюється сигнал, частота якого дорівнює різниці частот прийнятого і випромінюваного сигналів , і відповідно, відстані від антени до вимірюваного за рівнем продукту. Подальше опрацювання сигналу здійснюється мікропроцесорною системою сенсора, яка здійснює високоточне визначення частоти результуючого сигналу і перерахунку її значення в значення рівня

наповнення резервуару.

Всі радарні рівнеміри складаються із таких основних блоків: антени,

приймаючого – передавального надвисокочастотного (НВЧ) блоку, сигнального процесора та контролера комутації.

Задача антени – формування та випромінювання радіопроменя. Як правило, в якості антени використовується відрізок діелектричного стержня, який погано проводить електричний струм (з питомим опором в межах 10 -10 Ом*см) і який випромінює радіохвилі при його збудженні або хвилеводом, або коаксіальною лінією в сантиметровому чи дециметровому діапазоні довжин хвиль. Така діелектрична антена використовується і як приймач тих же радіохвиль.

Якщо промінь розповсюджується в необмеженому просторі, то являє собою конус, вершина якого співпадає з основою антени. Ширина цього конуса (кут розкриття) обернено пропорційна апертурі (діаметру) антени і обернено пропорційна частоті випромінювання. Це правило є фундаментальним і не залежить від типу антени. Таким чином, необхідний кут розкриття променя, який гарантує його вільне (без відбивання від стінки резервуара) розповсюдження, може бути досягнутий або збільшенням габаритів антени, або збільшенням частоти випромінювання.

Частота випромінювання сучасних радарних рівнемірів лежить в межах від 5

до 90-100 ГГц. Рівнеміри, які працюють на верхній межі частот випромінювання, мають малу за габаритами антену, що дозволяє розташовувати її безпосередньо в корпусі рівнеміра. Це дозволяє усунути один із основних факторів (впливу розміру антени) на точність вимірювання, який не завжди враховується при виборі рівнеміра.

Цей фактор пов'язаний з можливим випаданням конденсату на поверхню

антени (останнє необхідно оцінювати), який різко змінює швидкість розповсюдження радіохвилі в антені, по відношення до швидкості хвилі у відкритому просторі, і викликає додаткову похибку, яка може дорівнювати декілька міліметрів.

Приймаючий – передавальний (НВЧ) блок – основний блок рівнеміра, який

визначає весь його комплекс характеристик від точності до ціни. Він визначає співвідношення між потужністю випромінювання, яка не перевищує із умови техніки безпеки десяту долю міліват, та чутливістю приймача (коефіцієнт шуму), яка складає 8-12 дБ і визначається параметрами вхідних елементів. Блок НВЧ є складнішим радіоелектронним пристроєм як з точки зору його виготовлення так і проектування, при чому складність зростає з ростом частоти випромінювання. Це підтверджується і невеликою кількістю фірм, які виготовляють радарні рівнеміри.

Сигнал з виходу блоку НВЧ проходить подальшу обробку в сигнальному процесорі, основна задача якого виділити із загального сигналу (з шумом, іншими впливаючими факторами) корисну складову прийнятого сигналу, відфільтрувати його та провести перетворення з високою точністю або наносекундного часу запізнення відбитого імпульсу, або різниці частот в приладах FMCW у відстань між антеною та по верхньою продукту. Для вирішення таких задач сучасні швидкісні процесори оснащені алгоритмами дискретного перетворення Фурьє (ДПФ), які найбільше підходять для вирі-шення таких задач перетворення. Контролер комунікації є вузлом, який забезпечує зв’язок рівнеміра з зовнішніми об’єктами.

Принцип дії приладів другої групи - резонансних рівнемірів, призначених для різних цілей і середовищ, полягає у використанні залежності різних резонансних інтегральних характеристик електромагнітних систем з розподіленими параметрами, застосованих як чутливі елементи первинних вимірювальних перетворювачів, від положення рівня вимірюваного середовища щодо цих систем.

Резонансна частота електромагнітних коливань:

ω_рез = √¯(1/LC) . (2)

З формули (2) видно, що при зміні електричних параметрів вимірюваного

перетворювача L і С змінюється його резонансна частота.

У свою чергу зміна цих параметрів залежить від зміни рівня середовища, у

яку можуть бути поміщені перетворювачі, або від рівня, що займе середовище,

перебуваючи всередині перетворювача.

Як чутливі елементи вимірювальних перетворювачів резонансних рівнемірів можуть використовуватися різні пристрої (рис.1).

Схема (рис. 1,а) являє собою відрізок однорідної довгої лінії і використо-

вується в рівнемірах рідких середовищ. Вихідною характеристикою є залежність основної резонансної частоти або повного опору відрізка лінії від рівня рідини Н, що заповнює чутливий елемент. Для сигналізаторів рівня сипучих або рідких середовищ (рис. 1,б) - це високочастотний резонансний контур, величина повного опору якого змінюється при підході до чутливого елемента рівня матеріалу. На (рис. 1,в) показана схема чутливого елемента рівнеміра сипких матеріалів, що являє собою систему високочастотних контурів (аналогічних контуру, показаному на рис. 1б), що виконують роль фільтрів передачі сигналу між вхідною й вихідною лініями. У такий спосіб працює рівнемір за принципом багатопозиційної сигналізації рівня знаступним

перетворенням інформації в безперервний вихідний сигнал.

У схемах, наведених на рис. 1 б і в, вихідною характеристикою є зміна

вхідного повного опору високочастотних контурів.

Діапазон робочих частот високочастотних резонансних рівнемірів - від сотень кілогерц до десятків мегагерц. Високочастотні електромагнітні системи – це відрізки довгої лінії й резонансні контури, використовувані в резонансних рівнемірах, мають ряд позитивних властивостей: незалежність вихідної характеристики - резонансної частоти - від геометричних розмірів чутливого елемента; простота й надійність конструкції; можливість вимірювання рівня середовищ із практично будь-якими електричними властивостями; висока

чутливість та ін. Як вимірювальні прилади або вимірювальні перетворювачі використовуються високочастотні схеми, що містять засоби збудження електромагнітних хвиль первинних вимірювальних перетворювачах - генератори високої частоти, та засоби одержання використовуваної інтегральної характеристики й перетворення її в аналоговий або цифровий сигнал, що несе інформацію про вимірюваний рівень.

Найбільш широко використовується структурна схема резонансного

високочастотного вимірювального перетворювача, застосовувана в сучасних резонансних рівнемірах (рис. 2). Вона складається з генератора високої частоти ГВЧ, частота якого визначається резонансними властивостями первинного вимірювального перетворювача ПП, тобто, залежність частоти генератора від вимірюваного параметра збігається з вихідною характеристикою ПП. Напруга з виходу генератора ГВЧ подається на електронний перетворювач ЕП(у мікроелектронному інтегральному виконанні), що складається із частотоміра

й перетворювача частоти у вихідну напругу U_вих.

Структура високочастотних вимірювальних перетворювачів визначається

головним чином структурою їх первинних вимірювальних перетворювачів.