автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Радиоволновой фазовый уровнемер для контроля жидких и сыпучих материалов

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 радиоволновыми 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 ПОГРЕШНОСТИ 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.

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 приемно-передающего 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 расстояния параметров антенн, переотражений между конструктивом РЛУ и плоской поверхностью материала, уровень которых контролируется, а также рассеивающих свойств самой поверхности. Ввиду простоты СВЧ тракта фазового РЛУ, стоимость его, по сравнению с частотными и импульсными РЛУ, значительно ниже. Таким образом, разработка фазового РЛУ является актуальной задачей для обеспечения широкого внедрения в промышленные ТП простых в эксплуатации, относительно недорогих средств, реализующих бесконтактные методы измерения уровня различных материалов.

Цель диссертационной работы: исследование фазового метода измерения расстояния на частоте модуляции до плоской поверхности жидких и сыпучих материалов для контроля их уровня и разработка РЛУ, реализующего допустимую погрешность при минимальной стоимости уровнемера.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

Выводы

1. Создан макетный образец фазового РЛУ, при экспериментальных исследованиях которого нашли подтверждение основные теоретические результаты работы.

2. При выпуске новых образцов фазовых РЛУ необходимо выполнить их градуировку - установить соответствие между показаниями прибора и истинным значением измеряемого параметра.

3. Градуировку фазового РЛУ необходимо производить по зеркально отражающей поверхности на расстояниях, где расчетная погрешность минимальна.

4. При оценке погрешностей по полученным математически моделям для обеспечения корректности расчетов необходимо придерживаться предложенной методики.

5. При эксплуатации фазовых РЛУ необходимо учитывать то, что метод является интегральным и устанавливать РЛУ соответствующим образом, кроме этого необходимо провести градуировку прибора непосредственно на месте его эксплуатации.

Заключение

Диссертационная работа посвящена анализу влияния на погрешность измерения расстояния при контроле уровня фазовыми РЛУ параметров антенн, их взаимовлияния, переотражений между поверхностью уровня и конструктивом уровнемера. Также в работе разработана структурная схема фазового РЛУ на основе которой создан макетный образец и проведены его экспериментальные исследования.

При выполнении работы получены следующие основные результаты:

1. Проведена классификация и анализ методов и средств контроля уровня жидких и сыпучих материалов, обоснована область применения современных уровнемеров.

2. Разработаны математические модели для оценки влияния на погрешность измерения расстояния при контроле уровня фазовым РЛУ параметров антенн, их развязки и переотражений для зеркально и диффузно отражающих поверхностей уровня.

3. Проведена классификация и анализ погрешностей измерения расстояния при контроле уровня фазовым РЛУ, выработаны рекомендации по их снижению.

4. Осуществлен синтез структурной схемы фазового РЛУ, на основе которой создан макетный образец.

5. Разработана методика получения градуировочных характеристик для калибровки фазовых РЛУ.

6. Проведены экспериментальные исследования макетного образца фазового РЛУ, работающего по методу измерения расстояния на частоте модуляции, подтвердившие основные результаты математического моделирования.

7. Предложена инженерная методика расчета погрешностей измерения уровня фазовым РЛУ.

1. Справочник проектировщика АСУ ТП/ ГЛ. Смилянский, Л.З. Амлинский, В Я. Баранов, и др.; Под ред. ГЛ. Смилянского. М.: Машиностроение, 1983.-527с.

2. Бриндли К. Измерительные преобразователи. М. : Энергоатомиздат, 1991 -144 с.

3. Каминский М.Л., Каминский В.М. Монтаж приборов и систем автоматизации. -М.: Высш.шк.; Изд. Центр "Академия", 1997. 304 с.

4. Можегов Н. А. Автоматические средства измерений объема, уровня и пористости материалов. М., Энергоатомиздат, 1990. - 120с.

5. АСУ процессами дозирования/ А. А. Денисов, B.C. Нагорный, М.М. Телемтаев, В.П. Воеводин-Л.: Машиностроение, 1985.~223с.

6. Об измерении уровня топлива в резервуарах автозаправочных станций/Марков Ю.А., ЗуевП.И., ВласовЮ.В., МингазеевР.Х.// Приборы и системы управления-1996 .-№6 .-С. 29-31.

7. VEGA Grieshaber KG (1999, December, 1). Branch information paper industry. WWW document., URL http://www.vega-g.de/docu/engl/Branch information paper/ industry.pdf

8. VEGA Grieshaber KG (1999, December, 1 ). Industry information waste incineration. WWW document. URL http://www.vega-g.de/docu/engl/Industry information waste incineration.pdf

9. VEGA Grieshaber KG (1999, December, 1). Industry information sewage plants. WWW document., URL http:/7www.vega-g.de/docu/englAndustry information sewage plants.pdf

10. Radar level gauging in the metals industry. MPC, Metal Process Control AB, 1999. 3p.

11. Umwelt technik (1999, December, 1 ). Intelligent Measurement in Switzerland: Mountain Radar Warns of Floods. WWW document., URL http://www.vega-g. de/docu/engl/Umweit technik.pdf

12. Бобровников Г.Н., Катков А.Г. Методы измерения уровня. M.: Машиностроение, 1977. 168 с.

13. Мелик-П1ахназаров A.M., Маркатун М.Г., Дмитреев В.А. Измерительные приборы со встроенными микропроцессорами. М. : Энергоатомиздат, 1985. 240с.

14. Blickley G.J. Faster, more accurate level sensing needed// Control Engmeermg-1987.-Ж7-С.65-67.

15. Балин U.K., Демченко А.Н. Акустические измерители, сш нализаюры уровня жидкости и системы для их контроля// Современные технологии автоматизации-1999.-№2-С.28-32.

16. Saab Marine Electronics (1999, August 28). Complete Saab TankRadar® G3 System. WWWdocument. URLhttp ://www. saab. tankradar. com/marine/products/sy sg3. htm

17. Сорока M. А. Распределенные сетевые системы измерений новое поколение измерительных решений// Экспресс электроника.-2000.-№2-С.40-41.

18. А.с. 777450 СССР, МКИЗ G 01 F 23/18. Уровнемер/ И.А. Бражников, Н.С.Моргунов и др.// Открытия. Изобретения. 1980. №41.

19. Rotonivo. Level limit switch. UWT Apparate GmbH, 1999. 30p.

20. Engineering guide to level & flow sensors. STI 1/98, 1999. 193p.

21. Vibranivo. Level limit switch. UWT Apparate GmbH, 1998. 16p.

22. UWT-LOT. Continuos level measuring system. UWT Apparate GmbH, 1999. 1 lp.

23. Теплоприбор г.Рязань (2001, сентябрь 23). Преобразователи измерительные уровня буйковые САПФИР-22ДУ-Вн(Ех). WWW документ. URL http://www.teplopribor.ru/rus/Sapfdu.htm

24. Евграфова Н.Н., Коган В.Л. Курс физики. М.: Высш. школа, 1973. 480 с.

25. Прохоров Б.М. Радарные уровнемеры//Приборы и системы управления,-1995-№7-С. 35-38.

26. Министерство энергетики РФ (2001, октябрь 10). Уровнемеры. WWW document. URL http .//www. mte. go v. ru/ntp/newoborud/rka/rka23. htm

27. Dwyer products catalog. Dwyer Instruments Inc., 1998. 256p.

28. Bont. Level gauges, Cocks, Valves. Cesare Bonetti S.p.A., 1999. 25p.

29. Liquid level, flow«& pressure. Sensors overview. Gems Sensors., 1999. 6p.

30. RIEGL General Information (1999, September 12). LASER DISTANCE, LEVEL and SPEED SENSOR LD90-3. WWW document., URL http://www.riegl.co.at/ ld90.htm

31. Accu-Pulse.Engineered for the Challenge ( 1999, July 23). Laser Based Level and Position Indication. WWW document., URL http://www.tnksi.com/pdfs/acu-pulse.pdf

32. Малашин M.C., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем. М.: Высш. школа, 1983. 207с.

33. RIEGL General Information (1998, September 12). Reflectivity of Various Surfaces / Materials. WWWdocument. URLhttp://www.riegl.co.at/reflect.htm

34. Мурашкина T.î-î. Волконно—оптический сигнализатор уровня жидкости// Радиотехника-1995.-№10-С. 34-35.

35. Krohne. The Level and Flow Company (2001, December, 20). Mechanical Level Meters. WWW document.,http://wvvw.kanex-krohne.com/english/products/levelmt/mech/mech.shtml

36. ООО Контакт-1. Перечень выпускаемых приборов (2001, сентябрь 12). Двухканальный сигнализатор уровня серии СУ 100, СУ 200, СУ 200И. WWW документ. URLhttp://www.kontaktl.ryazan.ru/sulOO.html

37. Терморезисторный компенсированный уровнемер/ Бутузов А.И., Безродный М.К., Файнзильберг С.Н. и др.// Известия ВУЗов. Приборостроение,-1970,-Том 1 3; № 1 .-С. 123—126.

38. Level Gauging solution. Continuous level Monitoring systems. Consilium US Inc., 1999. 12p.

39. Vega. Level and Pressure (1999, December, 20). Product Information. Conductive level detection. WWW document., URLhttp ://www. vega-g. de/Menues/Downloads/bae/PIKondukti v. pdf

40. Теплоприбор г.Рязань (2001, сентябрь 23). Уровнемер ультразвуковой РУ-ПТЗ. WWW документ. URL http://www.teplopribor.ru:8101/rus/Rupt3.htm.

41. Викторов В. А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208с.

42. Krohne. The Level and Flow Company (2001, December, 20). Level-Radar Gauges. WWW document., URLhttp://www.kanex-krohne.com/english/products/levelmt/levelradar/levelradar.shtml

43. Low-Cost Radar Gauge Doesn't Skimp on Accuracy// Control Magazine.-l 999-April-P. 25-29.

44. Saab Tank Control (2001, December, 18). Saab TankRadar Pro. WWW document. URL http://www.saab.tankradar.com/stc/prodmenu-pro.htm

45. Rosemount. (2001, December, 25). APEX and APEX Sentry Radar Level Gauges. WWW document. URL http://www.rosemount.com/products/level/mapex.html

46. Vega. Level and Pressure (1999, December, 20). Product Information. Radar WWW document., URL http://www.vega-g.de/Menues/Downloads/bae/PIRadar.pdf

47. ООО Конхакт-1. Перечень выпускаемых приборов (2001, сентябрь 12). Уровнемер радиоволновый БАРС322И. WWW документ. URL www.kontaktl.ryazan.ru/bars302.html

48. Vega. Level and Pressure (2001, December, 25). Product Information. Hydrostatic pressure transmitters. WWW document. URL http://www.vega-g.de/Menues/Downloads/bae/PIHydrostatik.pdf

49. Теплоприбор г.Рязань (2001, сентябрь 23). Преобразователи измерительные взрывозащищенные гидростатического давления САПФИР-22ДГ-Вн(Ех). WWW документ. URL http://www.teplopribor.ru/rus/Sapfdg.htm

50. VEGA Grieshaber KG (1999, December, 20). RolfHauser. Level Measurement-Where now? WWW document. URL http://www.vega-g.de/new/Where now.html

51. Коган И.М. Ближняя радиолокация. M.: Сов. радио, 1973. - 272с.

52. Шелухин О.И. Радиосистемы ближнего действия. М.: Радио и связь, 1989. -240с.

53. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов/Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М. Казаринов и др. М.: Высш. шк., 1990. - 496с.

54. Финкелынтейн М.И. Основы радиолокации. М.: Сов. радио, 1973. - 496с.

55. Сайбель А.Г. Основы радиодальнометрии. М.: Оборонгиз, 1960. - 114с.

56. Vega. Level and Pressure (2001, December, 25). Operating Instruction VEGAPULS 64 and VEGAPULS 81. WWW document. URLhttp ://www. vega-g.de/Menues/Downloads/bae/vegapuls.pdf

57. Product Data Sheet. (2000, September 21). APEX Radar Gauge. W WW document. URL http://www.rosemount.com/products/level/apex.pdf

58. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / В.В. Васин, О.В. Власов, В.В. Григорин-Рябов и др.; -М.: Сов. радио, 1970. 680с.

59. Теоретические основы радиолокации /А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др.; М., Сов. радио, 1978. - 608с.

60. Маковецкий П. В., Васильев В. Г. Отражение радиолокационных сигналов. Лекции. Л.: Типография №8 Союзполиграфпрома, 1975. - 59с.

61. Современная радиолокация (анализ, расчет и проектирование сис jсм). Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1969. - 704с.

62. ЬСюн Р. Микроволновые Антенны. Л.: Судостроение, 1967 г. -520с

63. Антенны сантиметровых волн. Пер. с англ. под ред. д.т.н., проф. Я.Н. Фельда. Т.2. -М.: Сов. радио, 1950 г. -250 с.

64. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М., "Наука", 1971 1108с.

65. Галасюк И.Б., Федотченко В.К., Лопухин В.А. Анализ влияния антенн и развязки между ними на точность измерения расстояний фазовым методом// Известия вузов России. Радиоэлектроника. 1998 г. №2. С.4-12.

66. Галасюк И.Б. Оценка влияния уровня боковых лепестков антенн диаграммы направленности фазового радарного уровнемера на его точностные характеристики// Известия вузов. Приборостроение. 2000 г. Т.43. №7. С.56-62.

67. Электрические измерения неэлектрических величин /A.M. Туричин, П.В. Новицкий, Е.С. Левшина и др.; Л., энергия, 1975. - 576с.

68. Бакулев П.А., Сосновский A.A. Радиолокационные и радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1994 - 296с.

69. Справочник по радиоэлектронике в трех томах. Под общ. ред проф., д.т.н. А. А. Куликовского. Т.З. -М.: Энергия, 1970. 816с.

70. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. М.: Радио и связь, 1993— 184с.

71. Цифровые методы измерения сдвига фаз/A.C. Глинченко, С.С. Кузнецкий, A.M. Фиштейн и др.- М.: Наука, 1979 288 с.

72. Панько С.П. Амплитудно-фазовая погрешность стробоскопического преобразователя// Изв. вузов СССР. Сер. Приборостроение. 1983.-№3- С. 8-11.

73. Соловов В.Я. Фазовые измерения. -М.: Энергия, 1973. 120с.

74. Измерения в электронике: Справочник/ В.А. Кузнецов, В. А. Долгов, В.М. Коневских и др.; М.: Энергоатомиздат, 1987 - 512 с.

75. Винокуров В.И., Каплин С.И., Петелин Й.Г. Электрорадиоизмерения. — М.: Высш. шк, 1986.-351с.

76. Спектор С. А. Электрические измерения физических величин. JL: Энергоатомиздат, 1987 - 320с.

77. Приборно-модульные универсальные автоматизированные измерительные системы: Справочник/' В.А. Кузнецов, В.Н. Строителей, Е.Ю. Тимофеев и др. -М.: Радио и связь, 1993. 304с.

78. Харт X. Введение в измерительную технику. М.: Мир, 1999. - 390с.

79. Analog Devices. Selection Guides RF/IF Products. (2001, December, 25). RF/IF Gain and Phase Detector AD8302. WWW document. URL http://wv\w.analog.com/technology/RFComms/rfif/AD8302PR. pdf

80. Аш Ж., Андре П., Бофрон Ж. Датчики измерительных систем. В двух книгах. Кн.1. -М:. Мир, 1992.-480с.

81. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 6.0 PRO.- М. СК Пресс, 1997.-336с.

82. Кулаичев А.П. Компьютерный контроль процессов и анализ сигналов. В трех томах. Т.З. -М.: НПО "Информатика и компьютеры", 1999. -287с.