[go: up one dir, main page]

RU2410650C2 - Method to measure level of material in reservoir - Google Patents

Method to measure level of material in reservoir Download PDF

Info

Publication number
RU2410650C2
RU2410650C2 RU2008143623/28A RU2008143623A RU2410650C2 RU 2410650 C2 RU2410650 C2 RU 2410650C2 RU 2008143623/28 A RU2008143623/28 A RU 2008143623/28A RU 2008143623 A RU2008143623 A RU 2008143623A RU 2410650 C2 RU2410650 C2 RU 2410650C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
frequency
level
phase
measurement
Prior art date
Application number
RU2008143623/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008143623A (en
Inventor
Борис Аванесович Атаянц (RU)
Борис Аванесович Атаянц
Валерий Степанович Паршин (RU)
Валерий Степанович Паршин
Виктор Витольдович Езерский (RU)
Виктор Витольдович Езерский
Original Assignee
ООО "Предприятие "Контакт-1"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ООО "Предприятие "Контакт-1" filed Critical ООО "Предприятие "Контакт-1"
Priority to RU2008143623/28A priority Critical patent/RU2410650C2/en
Publication of RU2008143623A publication Critical patent/RU2008143623A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2410650C2 publication Critical patent/RU2410650C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Measurement Of Levels Of Liquids Or Fluent Solid Materials (AREA)

Abstract

FIELD: measurement equipment.
SUBSTANCE: invention relates to the field of measurement equipment and may be used to measure level of liquid or loose materials, and also to measure distance. The invention concept is as follows: method to measure level of material in reservoir consists in the fact that inside zone with higher error of measurement caused by availability of interference reflector, formation of likelihood function logarithm (LFL) values is carried out, having multiextremal nature, and local extremum of LFL is found, corresponding to actual value of level, by variation of delay time of reference signal within the limits that correspond to two limits of measured level, which differ from value of level predicted by previous measured values, by not more than half of wave length of carrying oscillation towards both sides. In case of such formation of borders, one and the same extremum of LFL is continuously monitored, corresponding to actual status of medium level. Phase of reference signal for calculation of LFL is determined using previously measured phase-frequency characteristic of metering device, or is accepted as equal to phase of maximum spectral component of differential frequency signal calculated at the border of zone with higher error of measurement. Using produced value of delay time of reflected signal corresponding to maximum of LFL, distance to material surface is calculated. To determine borders of zones with higher error of measurement, preliminary practice is arranged, when position of all interference reflectors is determined on empty reservoir, and two borders of zones with higher error are specified in neighbourhood of each one, differing from distance to according interference reflector by tripled value of element of frequency modulated signal resolution with specified deviation of frequency.
EFFECT: increased accuracy of level measurement with availability of interference signals caused by reflections from elements of reservoir design.
11 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может применяться для прецизионного измерения уровня жидких материалов.The invention relates to the field of measurement technology and can be used for precision level measurement of liquid materials.

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.Known radar method of measuring the level [1], including measuring the propagation time of radio waves emitted in the direction to the surface of the medium and reflected from it, and calculating the measured propagation time of radio waves of the distance to the surface of the medium. The specified method does not allow to measure the level with sufficient accuracy in the presence of interfering reflections caused by the design features of the tank with liquid material, since interfering reflections distort the waveform and thereby lead to a large error in measuring the delay time.

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 πN+φ пропорционально изменению расстояния. Здесь N - целое число периодов СРЧ, содержащееся в периоде модуляции, φ - число, соответствующее оставшейся части периода, то есть начальная фаза СРЧ. Таким образом, определение расстояния сводится к подсчету числа N, измерению фазы φ и вычислению расстояния.A known method of measuring distance, implemented in the device [2], which consists in the fact that they emit a frequency-modulated signal in the direction of the contents of the tank, receive, after the propagation time, the reflected signal and mix it with part of the emitted signal to obtain a differential frequency signal (RFM) . The phase of this signal is used to measure the distance to the surface of the controlled medium, provided that the difference frequency itself is kept constant by controlling the modulation period. In this case, the phase of the signal of the difference frequency when measuring the distance will continuously change within 2 πN + φ in proportion to the change in distance. Here N is the integer number of periods of the RHF contained in the modulation period, φ is the number corresponding to the remainder of the period, that is, the initial phase of the RHF. Thus, the determination of the distance is reduced to counting the number N, measuring the phase φ and calculating the distance.

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.The disadvantage of this method is the inability to measure the level with a given accuracy in the presence of interfering reflections caused by structural elements of the tank, since the presence of interference greatly changes the phase of the signal and leads to a large error.

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.Also known is a method of measuring distance [3], including: generating and emitting a probe signal with periodic frequency modulation in the initial frequency modulation range; receiving an echo signal, isolating part of the probe signal and mixing it with a received echo signal; calculation of the spectrum according to the RMS obtained for half the modulation period and determination of its center frequency; calculating the distance from the measured center frequency of the RMS and the number of minimum distance intervals that fit into the measured distance, corresponding to the number of periods of the RMS at the half modulation period; reducing the initial range of frequency modulation to obtain an integer number of distance intervals corresponding to an integer number of periods of the RF system at the half-period of modulation and the maximum spectral component corresponding to the measured distance and calculating the frequency distance of this maximum spectral component of the RF system.

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.The disadvantage of this method is the impossibility of measuring the level with high accuracy near the interfering reflectors, since the main and side lobes of the interference spectrum distort the shape of the main lobe of the signal spectrum and thereby cause a large error in determining the true position of the extremum of the spectrum.

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 π/2 (сигналов квадратур), которые после аналого-цифрового преобразования подаются на микропроцессор.The closest solution to the set of essential features (prototype) is a level measurement method [4] with a radar oriented to the maximum of the echo signal from the measured surface and including radiation from a sequence of microwave signals in which discrete angular frequencies are uniformly distributed over the scanned frequency range. The signal reflected from the measured surface is mixed with a part of the emitted signal to obtain two differential frequency signals phase-shifted relative to each other by an angle π / 2 (quadrature signals), which, after analog-to-digital conversion, are fed to the microprocessor.

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.Processing the sequence of quadrature samples includes the inverse discrete Fourier transform, the use of the MUZIC high resolution method for localizing sources of the most powerful radiation, the selection of echo signals in the time domain, and ultimately obtaining the distance to the measured level.

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.The disadvantage of this method is the insufficiently high accuracy of level measurement in the presence of interfering reflections caused by reservoir structural elements and inhomogeneities of the antenna-waveguide path due to their mutual influence on the useful signal. An analysis of the description and patent claims allows us to conclude that the high resolution method of the MUZIC type or other methods that improve the frequency resolution can increase the measurement accuracy at a distance near the interfering reflector compared to methods based on determining the position of the maximum spectral component, for example [ 3]. However, the main reason for insufficient accuracy in the presence of interfering reflections remains - this is the mutual influence of the spectra of the useful and interfering signals, leading to a distortion of the ratios of the intensities of the spectral components of the useful and interfering reflectors and, as a result, to confusing the useful and false reflectors when they are localized, which causes a large level measurement error , manifested in an abrupt change in the measurement results.

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.The purpose of the invention is to reduce the error of level measurement in the presence of interfering reflections from reservoir structural elements, provided that the reflection from the useful reflector exceeds the amplitude of the reflection from the interfering reflector and the position of the material level changes from one measurement cycle to another by no more than half the carrier wavelength fluctuations.

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.This goal is achieved by the fact that in the method of measuring the level of material in the tank, including forming a measuring device of a probing signal of the radio frequency range with a linear stepwise periodic frequency modulation with known values of the carrier frequency and frequency deviation, the radiation of the generated probing signal in the direction of the probed material, receiving a reflected signal, after its propagation time, mixing the reflected signal with part of the probing signal, isolating the signal p value of the difference frequency, obtaining samples of the difference frequency signal using an analog-to-digital converter, calculating by the processor using the fast Fourier transform of the spectrum the product of the samples of the difference frequency signal and the samples of the weight function, for example, the Blackman function, rough determination of the distance to the material from a preliminary estimate of the frequency of the maximum spectral component, refinement of the indicated distance by estimating the difference frequency corresponding to the maximum spectral component found by the continuous-discrete Fourier transform and varying the difference frequency within one frequency discrete spectrum in the vicinity of the preliminary estimate of the frequency of the maximum spectral component in both directions, determine the boundaries of the zones with increased measurement error in an empty tank, an additional processor generates a reference signal in the form of digital readings according to known values of the carrier frequency of the probing frequency modulated signal and its frequency deviation, as well as according to the specified values of time change the delay of the reference signal, its amplitude and phase, determine the logarithm of the likelihood function by finding a negative value of the average square of the difference of the received samples of the difference frequency signal and the samples of the generated reference signal, find the exact value of the delay time of the reference signal by maximizing the obtained value of the logarithm of the likelihood function by converting the shape of the reference signal by using different values of the delay time of the reference signal in the specified predicted limit x and calculating the measured level of the material found on the exact value of the delay time corresponding to a local maximum of the logarithm of the likelihood function.

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.Preferably, the predetermined predicted limits of the delay time of the reference signal are set to be equal to the delay times of the reflected signal corresponding to two boundaries of the measured level positions, differing from the level predicted from the previous measured values, by no more than half the wavelength of the carrier oscillation of the probe signal in both directions.

Предпочтительно предсказание значения уровня произвести по меньшей мере по двум предыдущим результатам измерения с учетом скорости их изменения.Preferably, the level value is predicted from at least two previous measurement results taking into account the rate of change.

Целесообразно при проведении первого измерения предсказанное значение положения уровня принимать равным текущему значению, полученному на основе непрерывно-дискретного преобразования Фурье.It is advisable, when conducting the first measurement, to take the predicted value of the level position equal to the current value obtained on the basis of a continuously discrete Fourier transform.

В способе амплитуда эталонного сигнала должна быть равна амплитуде сигнала разностной частоты.In the method, the amplitude of the reference signal must be equal to the amplitude of the difference frequency signal.

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.Preferably, during the first measurement, the phase of the reference signal is determined from the previously measured phase characteristic of the measuring device, taking into account the distance to the material found using the continuously discrete Fourier transform in the current measurement period.

Целесообразно фазу эталонного сигнала определить по предварительно измеренной фазовой характеристике измерительного устройства с учетом предыдущего измеренного расстояния до материала.It is advisable to determine the phase of the reference signal from the previously measured phase characteristic of the measuring device, taking into account the previous measured distance to the material.

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.It is advisable, during the first measurement, to determine the phase of the reference signal at the boundary of the zone with an increased measurement error near (in the vicinity) of the interfering reflector of the tank, by the phase of the maximum spectral component of the spectrum of the signal of the difference frequency, found when refining the distance to the material using a continuously discrete Fourier transform, reduced by an amount equal to the difference in the total phase incursion of the reflected signal at the carrier frequency during the propagation of the specified signal and an integer periods of the reflected signal that fit into the full phase incursion, and the full phase incursion is determined by the known carrier frequency of the probe signal and the reflected signal delay calculated by the position of the material level obtained using the continuously discrete Fourier transform for the current measurement period.

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.It is preferable to determine the phase of the reference signal at the boundary of the zone with an increased measurement error near (in the vicinity) of the interfering reflector of the tank, by the phase of the maximum spectral component of the spectrum of the difference frequency signal found at the stage of accurate frequency estimation using the continuously discrete Fourier transform, reduced by an amount equal to the difference in the total phase incursion of the reflected signal at the carrier frequency during the propagation of the signal and an integer number of periods of the reflected signal that fit into SG phase shift, the full phase shift determined by a known carrier frequency signal emitted by the probe and the echo delay calculated according to the position of the material level measured at the previous measurement period.

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.To determine the boundaries of the zone with increased error, it is advisable to record the difference frequency signal on an empty tank, calculate the spectrum of the difference frequency signal using the fast Fourier transform, find the frequencies corresponding to all local maximums of the spectrum exceeding the specified threshold value, and refine the frequencies of the found local extrema using continuously discrete Fourier transform, calculate the distance to the interfering reflectors by the found frequencies and calculate the near and far boundaries of the zones with yshennoy error as a sum or difference respectively calculated distances to interfering reflectors and three times the value of the signal used resolution element with frequency modulation.

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.It is preferable to obtain the threshold value of the spectrum of the difference frequency signal as a given fraction, for example, -20 dB, from the local maximum of the specified spectrum corresponding to the reflection from the edge of the antenna of the measuring device.

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.Thus, when forming boundaries in the claimed method, there is a constant tracking of the same local maximum LFP corresponding to the true value of the delay time of the reference signal. Based on the obtained value of the delay time of the reflected signal corresponding to the maximum of the LFP, the distance to the surface of the medium is calculated. The local LFP maximum to be monitored is selected at the boundary of the zone with increased measurement error when this maximum is global and corresponds to the true value of the delay time. Two options are applicable to determine the phase of the reference signal. In one embodiment, the phase of the reference signal is determined by the pre-measured phase characteristic of the measuring device, taking into account the position of the material level measured in the previous measurement cycle. In another embodiment, the phase of the reference signal is determined by the phase of the reflected signal at the zone boundary with an increased measurement error near the interfering reflector.

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".The inventive method of measuring the level of material in the tank has a combination of features unknown from the prior art for methods of this purpose, which allows us to conclude that the criterion of "novelty".

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.To prove the inventive step, it is necessary to take into account that the known level measurement method [4], based on the high resolution method of the MUZIC type, allows to increase the resolution and, accordingly, the measurement accuracy in a certain area near the interfering reflection in comparison with methods based on determining the maximum position spectral component, for example [3]. However, the main reason for the lack of accuracy in the presence of interfering reflections remains - this is the mutual influence of the spectra of the useful and interfering signals, causing incorrect transmission of the ratios of the readings of the spectrum of the useful and interfering reflectors, and the presence of spurious amplitude modulation and non-linear distortions of the RMS. Due to the incorrect transmission of the amplitude ratios in the known measurement method, the useful and interfering reflectors are mixed up when the useful reflector is localized by the maximum spectral component, as a result, a large error in the measurement of distance in the form of individual error spikes occurs. Moreover, the greater the noise level, the more this phenomenon manifests itself.

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.The claimed method does not have this drawback, since when it changes the level inside the zone with an increased measurement error, starting from any of its boundaries, a constant tracking of the same local maximum LFP corresponding to the true position of the level is performed. The interfering reflector distorts the shape of the envelope of the local maxima of the LFP, but does not change their position on the axis of the delay time, if it does not exceed the useful reflector in amplitude. Therefore, the measurement error is significantly reduced at all points of the zone with a high measurement error near the interfering reflector, including directly near the interfering reflector, where the known method leads to increased error. Moreover, the measurement results are slightly affected by the noise level.

Указанные отличия не следуют явным образом из доступных научно-технических источников, что позволяет сделать вывод о соответствии заявленного технического решения критерию изобретения - "Изобретательский уровень".These differences do not follow explicitly from available scientific and technical sources, which allows us to conclude that the claimed technical solution meets the criteria of the invention - "Inventive step".

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.These differences lead to the appearance of a qualitatively new property of the claimed method - the ability to measure the level of the material in the presence of interfering reflections. This new property improves the accuracy of measurements.

Осуществление заявленного способа поясняется с помощью чертежей, показанных на фиг.1-6.The implementation of the claimed method is illustrated using the drawings shown in figures 1-6.

На фиг.1 изображено устройство для измерения уровня при наличии мешающих отражателей в резервуаре.Figure 1 shows a device for measuring the level in the presence of interfering reflectors in the tank.

На фиг.2 изображена блок-схема программы обработки сигнала в режиме измерения уровня.Figure 2 shows a block diagram of a signal processing program in the level measurement mode.

На фиг.3 изображена блок-схема программы обработки сигнала при выполнении обучения.Figure 3 shows a block diagram of a signal processing program when performing training.

На фиг.4 изображены зависимости погрешности измерения расстояния на основе преобразования Фурье и предложенным способом, полученные путем моделирования процесса измерения на компьютере.Figure 4 shows the dependence of the error of distance measurement based on the Fourier transform and the proposed method, obtained by modeling the measurement process on a computer.

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.Figure 5 shows the dependence of the error of distance measurement based on the Fourier transform and a known method based on the high resolution method MUSIK obtained by simulating the measurement process on a computer.

На фиг.6 изображены погрешности измерения расстояния на основе преобразования Фурье и предложенного способа, полученные экспериментальным путем.Figure 6 shows the errors of distance measurement based on the Fourier transform and the proposed method, obtained experimentally.

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.The device for measuring the level contains a driver (Ф) 1 of the signal, the output of which is connected to the input of the microwave amplifier (UHF) 2, a directional coupler (HO) 3, the output of the microwave amplifier 2 is connected to the input of HO 3, the circulator (C) 4, the input of which connected to the first output of the directional coupler 3, the antenna (A) 5 connected to the first output of the circulator 4, a mixer (Cm) 6, the inputs of which are connected to the second outputs of the directional coupler 3 and the circulator 4, and the output is connected through series-connected amplifier (Y) 7 and analog-to-digital the forming (ADC) 8 with the first input of the processor (PR) 9. The second output of generator 1 is connected to a second input of the processor 9, the first output of the processor 9 is connected to a second input of the ADC 8 and the second output of the processor is the output device.

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÷Тмод/2, где Тмод - 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.The method of measuring the level of material in the tank is as follows. Shaper 1 generates a sounding radio frequency signal with a linear stepwise periodic frequency modulation. This signal, after amplification in the microwave amplifier 2, enters through the directional coupler 3 and circulator 4 into the antenna 5 and is emitted in the direction of the material being monitored. The proposed method of level measurement uses frequency modulation according to a triangular law. The level measurement occurs when using the MFR obtained in the interval 0 ÷ T mod / 2, where T mod is the period of frequency modulation. After the propagation time, the reflected signal is received by the antenna 5 and from the second output of the circulator 4 is fed to the first input of the mixer 6. The second input of the mixer 6 receives a part of the emitted signal from the second output of the directional coupler 3. The RF from the output of the mixer through the amplifier 7 is fed to the input of the ADC 8. The second input of the ADC 8 receives control pulses from the first output of the processor 9. Using the ADC, digital samples of the RMS are obtained u (k) k = 0, ..., N-1. The RMS samples are digitally fed to the first input of processor 9. A second packet of processor 9 receives a packet of synchronizing pulses corresponding to half the modulation period from the second output of former 1. The result of measuring the level of material in the tank is fed to the second output of processor 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 R1,k, R2,k, k=1, …, K, которые найдены в режиме измерения (обучения) на пустой емкости и таблицы значений φ(Rn), 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

Figure 00000001
, n=0, …, N-1 этого сигнала, умноженного на отсчеты весовой функции W(k), k=0, …, N-1 (например, весовой функции Блэкмана):A block diagram of the processor in the mode of measuring the level of material shown in figure 2. In block 10, the necessary variables are initialized. This is zeroing the sign of the first measurement Perv, entering from the reprogrammable ROM the number K of zones with increased measurement error and their boundaries R 1, k , R 2, k , k = 1, ..., K, which were found in the measurement (training) mode on an empty tank and a table of values φ (R n ), n = 1, ..., L of the phase characteristic of the measuring device. In block 11, the digital samples u (k) k = 0, ..., N-1 RMS are input during one half-period of modulation. The moments of input of the RMS samples are set by the synchronizing signal supplied to the second input of the processor 9 from the shaper 1. Next, in block 12, a rough estimate of the RMS frequency is performed, for which a discrete spectrum is calculated using the fast Fourier transform
Figure 00000001
, n = 0, ..., N-1 of this signal multiplied by the samples of the weight function W (k), k = 0, ..., N-1 (for example, the Blackman weight function):

Figure 00000002
, n=0, …, N-1,
Figure 00000002
, n = 0, ..., N-1,

находят номер отсчета nмакс спектральной составляющей с максимальной амплитудой

Figure 00000003
и соответствующее значение дискретной частоты ωnмакс=4πnмакс/Tмод.find the reference number n max spectral component with maximum amplitude
Figure 00000003
and the corresponding value of the discrete frequency ω nmax = 4πn max / T mod .

Затем делают уточненную оценку разностной частоты. Для этого вычисляют непрерывно-дискретное преобразование Фурье СРЧ, умноженного на отсчеты весовой функции:Then make an accurate estimate of the difference frequency. To do this, calculate the continuously-discrete Fourier transform of the RMS, multiplied by the samples of the weight function:

Figure 00000004
Figure 00000004

варьируют значение частоты ω в диапазоне от (ωiмакс - 4π/Тмод) до (ωiмакс+4π/Тмод) в окрестности грубой оценки частоты ωiмакс с шагом Δω, задающим погрешность оценки частоты, и находят положение ωмакс максимума модуля спектра

Figure 00000005
. По полученному значению разностной частоты ωмакс вычисляют текущую i-ю оценку расстояния
Figure 00000006
до материала:vary the value of the frequency ω in the range from (ω imax - 4π / T modes ) to (ω imax + 4π / T modes ) in the vicinity of a rough estimate of the frequency ω imax with a step Δω setting the error in the frequency estimate and find the position ω max of the spectrum modulus
Figure 00000005
. Based on the obtained value of the differential frequency ω max calculate the current i-th distance estimate
Figure 00000006
before material:

Figure 00000007
,
Figure 00000007
,

где с - скорость распространения электромагнитной волны внутри резервуара; ΔF - девиация частоты при ЧМ, и вычисляют фазу

Figure 00000008
, соответствующую максимуму спектра.where c is the propagation velocity of the electromagnetic wave inside the tank; ΔF is the frequency deviation at FM, and the phase is calculated
Figure 00000008
corresponding to the maximum of the spectrum.

В блоке 13 сравнивают полученную оценку расстояния

Figure 00000006
с границами зон с повышенной погрешностью измерения R1,k, R2,k, k=1, …, K и проверяют, находится ли уровень материала в одной из зон с повышенной погрешностью измерения вблизи соответствующего мешающего отражателя:In block 13, the obtained distance estimate is compared.
Figure 00000006
with the boundaries of zones with increased measurement error R 1, k , R 2, k , k = 1, ..., K and check whether the material level is in one of the zones with increased measurement error near the corresponding interfering reflector:

R1,k≤Ri≤R2,k.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 φ(ωмакс), соответствующей максимуму модуля спектра. Если измерение в зоне повышенной погрешности не первое, то в блоке 16 по М≥2 значениям

Figure 00000009
, m=1, …, М, хранящимся в буфере последних результатов измерения, производится предсказание расстояния для установки границ поиска точного положения уровня материала:If the material level is within one of the zones with increased measurement error, the transition to block 14, where the sign Perv_izm of the first measurement in the zone with increased measurement error is checked. If Perv_izm = 0, which corresponds to the first measurement in the zone with increased measurement error, then in block 15 the inverse of the sign of the first measurement is Perv_izm = 1, zeroing the buffer of the last measurement results and storing the phase φ (ω max ) corresponding to the maximum of the spectrum modulus. If the measurement in the zone of increased error is not the first, then in block 16 according to M≥2 values
Figure 00000009
, m = 1, ..., M, stored in the buffer of the last measurement results, the distance is predicted to set the search boundaries for the exact position of the material level:

Figure 00000010
,
Figure 00000010
,

где Ri - текущее i-e предсказанное значение расстояния;

Figure 00000011
- предыдущее измеренное значение расстояния, хранящееся в буфере последних измеренных результатов;
Figure 00000012
- средняя скорость изменения измеряемого расстояния; tизм - интервал времени между двумя последовательными измерениями уровня.where R i is the current ie the predicted distance value;
Figure 00000011
- previous measured value of the distance stored in the buffer of the last measured results;
Figure 00000012
- the average rate of change of the measured distance; t ISM is the time interval between two consecutive level measurements.

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 Ri:Then, in block 17, the phase of the reference signal is set. In the first variant of the formation of the reference signal, the phase is set by interpolating the values of the phase characteristic of the measuring device taking into account the predicted distance R i :

Figure 00000013
Figure 00000013

где Rn-1 и Rn - такие значения аргументов из таблицы для фазовой характеристики, что Rn-1≤Ri≤Rn.where R n-1 and R n are the argument values from the table for the phase characteristic such that R n-1 ≤R i ≤R n .

Во втором варианте формирования эталонного сигнала фаза эталонного сигнала определяется по фазе максимального отсчета спектра СРЧ φ(ωмакс), запомненной в блоке 15 на границе зоны с повышенной погрешностью измерения вблизи (в окрестности) мешающего отражателя резервуара:In the second variant of the formation of the reference signal, the phase of the reference signal is determined by the phase of the maximum readout of the RMS spectrum φ (ω max ) stored in block 15 at the boundary of the zone with an increased measurement error near (in the vicinity) of the interfering reflector of the tank:

Figure 00000014
Figure 00000014

где

Figure 00000015
ω0=2πF0, F0 - известная несущая частота СВЧ-сигнала с ЧМ,Where
Figure 00000015
ω 0 = 2πF 0 , F 0 is the known carrier frequency of the microwave signal with FM,

Int(·) - операция вычисления целой части числа.Int (·) is the operation of calculating the integer part of a number.

При проведении первого измерения при нахождении фазы используется расстояние Ri, найденное по оценке разностной частоты с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье на текущем периоде измерения.When conducting the first measurement when finding the phase, the distance R i is used , which is found by estimating the difference frequency using the continuously discrete Fourier transform in the current measurement period.

В блоке 18 амплитуда эталонного сигнала задается примерно равной амплитуде принятого СРЧ:In block 18, the amplitude of the reference signal is set approximately equal to the amplitude of the received MFR:

Figure 00000016
Figure 00000016

В блоке 19 определяются границы tз1=2Rм1/c, tз2=2Rм2/c диапазона варьирования времени задержки tз эталонного сигнала. Границы соответствуют временам задержки, соответствующим двум положениям уровня материала Rм1, Rм2, отличающимся от предсказанного значения Ri на половину длины волны несущего колебания λ0:In block 19, the boundaries t z1 = 2R m1 / s, t z2 = 2R m2 / s of the range of variation of the delay time t z of the reference signal are determined. The boundaries correspond to the delay times corresponding to two positions of the material level R m1 , R m2 , different from the predicted value of R i by half the wavelength of the carrier oscillation λ 0 :

Figure 00000017
Figure 00000017

Figure 00000018
Figure 00000018

Затем в этом блоке производится формирование N отсчетов эталонного сигнала с известными параметрами частотной модуляции, заданными амплитудой и фазой и временем задержки tз в пределах [tз1, tз2]:Then, in this block, N samples of the reference signal are generated with the known frequency modulation parameters specified by the amplitude and phase and delay time t s within [t s1 , t s2 ]:

Figure 00000019
k=0, …, N-1,
Figure 00000019
k = 0, ..., N-1,

формирование ЛФП Λ [5]:the formation of LFP Λ [5]:

Figure 00000020
Figure 00000020

и варьирование времени задержки эталонного сигнала tз в указанных пределах с шагом δt, задающим погрешность измерения, с целью поиска времени задержки tзмакс, соответствующего максимуму ЛФП.and varying the delay time of the reference signal t s within the specified limits with a step δt setting the measurement error, in order to find the delay time t zmax corresponding to the maximum of the LFP.

В блоке 20 по найденному значению времени задержки эталонного сигнала, соответствующего максимуму ЛФП, производятся вычисление точного расстояния

Figure 00000021
и запись его в буфер последних результатов измерения.In block 20, based on the found value of the delay time of the reference signal corresponding to the maximum LFP, the exact distance is calculated
Figure 00000021
and writing it to the buffer of the last measurement results.

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.Then, the calculation result is output in block 21 and returned to block 11 to enter a new array of RMS samples, etc. the level measurement procedure is repeated cyclically.

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 φэт=φ(ωмакс), определенной в блоке 12, переход к блоку 18 и выполнение дальнейших вычислений в порядке, описанном выше.If the level is not in the zone with increased measurement error or it has left it, then in block 22 the characteristic of the first measurement Perv_izm = 0 is zeroed and the phase of the reference signal is set equal to the phase of the maximum spectral component φ et = φ (ω max ) defined in block 12, proceeding to block 18 and performing further calculations in the manner described above.

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

Figure 00000022
, 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 Sант, соответствующего отражению от кромки антенны и вычисление порогового значения:The measurement process (training) on an empty tank is performed according to the block diagram of the program shown in figure 3. In block 23, the RMS is recorded on an empty tank; in block 24, the spectrum is calculated
Figure 00000022
, n = 0, ..., N-1 of the RF system using the FFT. In block 25, in the region of the first four discrete spectral components of the RMS spectrum, a local maximum S ant corresponding to the reflection from the antenna edge is searched and a threshold value is calculated:

Sпор= aSант,S then = a S ant ,

где а - уровень порогового значения по отношению к уровню отражения от кромки антенны (например, а=-20 дБ).where a is the level of the threshold value with respect to the level of reflection from the edge of the antenna (for example, a = -20 dB).

В блоке 26 осуществляются поиск максимумов спектра

Figure 00000022
, n=5, …, N-1, превысивших пороговое значение Sпор, определение их количества K, номеров отсчетов максимумов nмакс,k k=1, …, K и расчет дискретных частот ωnмакс,k=4πnмaкc,k/Tмoд, k=1, …, K, соответствующих этим максимумам.In block 26, the maximums of the spectrum are searched
Figure 00000022
, n = 5, ..., N-1, which exceeded the threshold value of S then , determining their number K, numbers of maximum samples n max, k k = 1, ..., K and calculating discrete frequencies ω nmax, k = 4πn max, k / T mod , k = 1, ..., K, corresponding to these maxima.

В блоке 27 производятся уточнение найденных дискретных частот с помощью непрерывно-дискретного преобразования Фурье, аналогично работе процессора в режиме измерения уровня и расчет расстояний Rмеш,k, k=1, …, K, соответствующих мешающим отражателям.In block 27, the discrete frequencies found are refined using the continuously discrete Fourier transform, similar to the processor’s operation in the level measurement mode, and the distances R mesh, k , k = 1, ..., K, corresponding to interfering reflectors, are calculated.

В блоке 28 производится определение K пар границ R1,k, R2,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:In block 28, K pairs of boundaries R 1, k , R 2, k , k = 1, ..., K of zones with an increased measurement error are determined as the difference and the sum of the distances to the interfering reflectors and the triple value of the resolution element for the used FM signal:

Figure 00000023
Figure 00000023

Figure 00000024
k=1, …, K.
Figure 00000024
k = 1, ..., K.

В блоке 29 происходит запись полученных значений границ зон с повышенной погрешностью измерения в перепрограммируемое ПЗУ и выход из режима обучения.In block 29, the obtained values of the boundaries of the zones with an increased measurement error are recorded in the reprogrammable ROM and exit the learning mode.

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.In the proposed method, when the level inside the zone changes with an increased measurement error near the interfering reflector, the position of the same local maximum of the LFP is constantly monitored. The capture of this maximum occurs at the boundary of the zone with an increased measurement error, when the influence of the interfering reflector is practically not significant. Therefore, at this point, the indicated maximum is global, corresponding to the true distance to the level of the material, i.e. measurement is based on the maximum likelihood method, which is optimal when measured against a background of white normal noise [5]. When a material level moves along a zone with an increased measurement error due to the influence of an interfering reflector, the LFP envelope is distorted, as a result, the captured maximum is no longer global, but its position still corresponds to the true material level position, provided that the interfering reflection does not exceed the useful amplitude signal. This fact can significantly reduce the error in measuring the level of the material.

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.Modeling the level measurement process showed the high efficiency of the proposed method for measuring the level of material in the tank. So, figure 4 shows the dependence of the measurement error of the distance inside the zone with increased measurement error near the interfering reflector for two measurement methods. In figure 4, the arrow indicates the position of the interfering reflector. A thin solid line shows the error for a method based on the Fourier transform. The thick solid line shows the error for the proposed method. All graphs were obtained under the same measurement conditions for a carrier frequency of 10 GHz, a frequency deviation of 1 GHz, a noise level of 50 dB, and the formation of 1024 samples of a modeled RPS.

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.In figure 5, the arrow still indicates the position of the interfering reflector. A thin solid line shows the error for a method based on the Fourier transform. The thick solid line shows the error for the known method. At a certain distance from the interference, the known method really allows to significantly reduce the measurement error. However, there is a zone near the interfering reflector in which localization of the useful reflector by the maximum spectral component in the MUSIK method leads to a confusion of the useful and interfering reflectors due to incorrect transmission of the ratio of the intensities of the spectral components of these reflectors in the calculation of the spectrum. As a result, large sharp throws of the distance measurement error are observed, significantly exceeding the error provided by the measurement method based on the Fourier transform.

Сравнение фиг.4 и 5 показывает, что предлагаемый способ измерения обеспечивает существенное снижение погрешности измерения вблизи мешающего отражателя по сравнению с известными способами.A comparison of FIGS. 4 and 5 shows that the proposed measurement method provides a significant reduction in the measurement error near the interfering reflector in comparison with known methods.

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.Figure 6 shows the error of distance measurement obtained experimentally on a real, commercially available level gauge with the above FM parameters. The thin line shows the error for the method based on the Fourier transform, and the thick solid line shows the error for the proposed method. Figure 6 also shows the undoubted advantage of the proposed method of level measurement.

Источники информацииInformation sources

1. Теоретические основы радиолокации. /Под ред. Я.Д.Ширмана М., Сов. Радио, 1970.1. Theoretical foundations of radar. / Ed. Y.D. Shirman M., Sov. Radio, 1970.

2. Марфин В.П., Кузнецов Ф.В. СВЧ уровнемер. // Приборы и системы управления. 1979, №11. С.28-29.2. Marfin V.P., Kuznetsov F.V. Microwave level gauge. // Devices and control systems. 1979, No. 11. S.28-29.

3. Патент РФ №2234717, G01S 13/34, 04.03.2003.3. RF patent No. 2234717, G01S 13/34, 03/04/2003.

4. Патент США 5504490. МКИ G01S 13/08.4. US patent 5504490. MKI 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.5. Tikhonov V.I., Kharisov V.N. Statistical analysis and synthesis of radio engineering devices and systems. - M .: Radio and communications, 1991 .-- 608 p.

Claims (11)

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.1. The method of measuring the level of material in the tank, including the formation of a probing signal of the radio frequency range with a linear stepwise periodic frequency modulation with known values of the carrier frequency and frequency deviation, the radiation of the generated probing signal in the direction of the probed material, receiving the reflected signal after its propagation time, mixing the reflected signal with part of the probing signal, extracting the difference frequency signal, obtaining the samples drove the difference frequency using an analog-to-digital converter, calculating by the processor using the fast Fourier transform of the spectrum of the product of the samples of the difference frequency signal by the samples of the weight function, for example, the Blackman function, rough determination of the distance to the material from a preliminary estimate of the frequency of the maximum spectral component, refinement of the specified distance by estimation of the difference frequency corresponding to the maximum spectral component found by calculating the continuously discrete transform Fourier transform and variation of the difference frequency within the same frequency discrete spectrum in the vicinity of a preliminary estimate of the frequency of the maximum spectral component in both directions, characterized in that they determine the boundaries of the zones with increased measurement error in an empty tank, the processor additionally generates a reference signal in the form of digital samples, according to the known values of the carrier frequency of the probing frequency-modulated signal and its frequency deviation, as well as the specified values of the delay time e the coupon signal, its amplitudes and phases determine the logarithm of the likelihood function, finding the negative mean square of the difference between the received samples of the differential frequency signal and the samples of the generated reference signal, find the exact value of the delay time of the reference signal by maximizing the obtained value of the logarithm of the likelihood function by converting the shape of the reference signal by using different time values delays of the reference signal within predetermined predicted limits and calculate and measure the material level found by the exact value of the delay time corresponding to a local maximum of the logarithm of the likelihood function. 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.2. The method according to claim 1, characterized in that the predetermined predicted limits of the delay time of the reference signal are equal to the delay times of the reflected signal, corresponding to two boundaries of the measured level, differing from the level predicted from the previous measured values, by no more than half wavelength of the carrier oscillation of the probe signal in both directions. 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.3. The method according to claim 2, characterized in that the level value is predicted by at least two previous measurement results, taking into account the rate of change. 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.4. The method according to claim 2, characterized in that during the first measurement, the predicted value of the level position is taken equal to the current value obtained based on the Fourier transform. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что амплитуда эталонного сигнала равна амплитуде сигнала разностной частоты.5. The method according to claim 1, characterized in that the amplitude of the reference signal is equal to the amplitude of the difference frequency signal. 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.6. The method according to claim 1, characterized in that during the first measurement, the phase of the reference signal is determined by the pre-measured phase characteristic of the measuring device, taking into account the distance to the material found using the continuous-discrete Fourier transform in the current measurement period. 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.7. The method according to claim 1, characterized in that the phase of the reference signal is determined by the previously measured phase characteristic of the measuring device, taking into account the previous measured distance to the material. 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.8. The method according to claim 1, characterized in that during the first measurement, the phase of the reference signal is determined at the boundary of the zone with increased measurement error near the interfering reflector of the tank, by the phase of the maximum spectral component of the spectrum of the difference frequency signal, found when refining the distance to the material using continuous-discrete Fourier transform, reduced by an amount equal to the difference of the total phase incursion of the reflected signal at the carrier frequency during the propagation of the specified signal and the whole the number of periods of the reflected signal that fit into the full phase incursion, and the full phase incursion is determined by the known carrier frequency of the probe signal and the reflected signal delay calculated by the position of the material level obtained using the continuously discrete Fourier transform for the current measurement period. 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.9. The method according to claim 1, characterized in that the phase of the reference signal is determined at the boundary of the zone with increased measurement error near the interfering reflector, by the phase of the maximum spectral component of the spectrum of the difference frequency signal, found at the stage of accurate frequency estimation using a continuously discrete Fourier transform , reduced by an amount equal to the difference between the total phase incursion of the reflected signal at the carrier frequency during the propagation of the signal and an integer number of periods of the reflected signal, falling in full on phase ege, the full phase shift is determined from the known carrier frequency of the emitted signal and the reflected signal delay calculated according to the position of the level of the material, measured at the previous measurement period. 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.10. The method according to claim 1, characterized in that to determine the boundaries of the zone with increased error, record the difference frequency signal on an empty tank, calculate the spectrum of the difference frequency signal using a fast Fourier transform, find the frequencies corresponding to all local spectrum maxima that exceed a predetermined threshold value, the frequencies of the local extrema found are refined using the continuously discrete Fourier transform, the distance to the interfering reflectors is calculated from the found frequencies, and the near and the far boundary of zones with increased error as, respectively, the difference or the sum of the calculated distances to the interfering reflectors and the triple value of the resolution element of the used signal with frequency modulation. 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. 11. The method according to claim 10, characterized in that the threshold value of the spectrum of the differential frequency signal is obtained as a given fraction, for example, 20 dB, from the local maximum of the specified signal spectrum corresponding to reflection from the edge of the antenna of the measuring device.
RU2008143623/28A 2008-11-01 2008-11-01 Method to measure level of material in reservoir RU2410650C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008143623/28A RU2410650C2 (en) 2008-11-01 2008-11-01 Method to measure level of material in reservoir

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008143623/28A RU2410650C2 (en) 2008-11-01 2008-11-01 Method to measure level of material in reservoir

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008143623A RU2008143623A (en) 2010-05-10
RU2410650C2 true RU2410650C2 (en) 2011-01-27

Family

ID=42673508

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008143623/28A RU2410650C2 (en) 2008-11-01 2008-11-01 Method to measure level of material in reservoir

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2410650C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2655746C1 (en) * 2017-08-07 2018-05-29 ООО предприятие "КОНТАКТ-1" Method of level measurement and radio range station with frequency modulation
RU2658558C1 (en) * 2017-07-03 2018-06-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar
US10180342B2 (en) * 2014-10-01 2019-01-15 Honeywell International Inc. Level finding using multiple search steps

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113049061B (en) * 2021-03-04 2024-02-13 国家石油天然气管网集团有限公司华南分公司 A high-precision distance estimation method for oil tank level gauges
CN113362312B (en) * 2021-06-11 2024-03-08 中海石油(中国)有限公司 Method for detecting azimuth and width of discontinuous limit of reservoir

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504490A (en) * 1994-04-05 1996-04-02 Thomson-Csf Radar method and device for the measurement of distance
RU2154285C1 (en) * 1999-07-12 2000-08-10 ГУП Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Radar for range measurement ( versions )
US6249244B1 (en) * 1999-07-29 2001-06-19 Endress + Hauser Gmbh + Co. Apparatus for the determination of the fill state of material in a container
RU2241241C2 (en) * 2002-09-16 2004-11-27 Смутов Александр Иванович Continuous sounding signal frequency modulation radiolocation method
RU2244268C2 (en) * 2003-03-04 2005-01-10 ООО "Предприятие "Контакт-1" Method of measuring level of material in reservoir
RU2309428C1 (en) * 2006-03-27 2007-10-27 Общество с ограниченной ответственностью Предприятие "Контакт-1" Method of measurement of distance by means of range finder characterized by continuous radiation of frequency-modulated radio waves (versions)

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5504490A (en) * 1994-04-05 1996-04-02 Thomson-Csf Radar method and device for the measurement of distance
RU2154285C1 (en) * 1999-07-12 2000-08-10 ГУП Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" Radar for range measurement ( versions )
US6249244B1 (en) * 1999-07-29 2001-06-19 Endress + Hauser Gmbh + Co. Apparatus for the determination of the fill state of material in a container
RU2241241C2 (en) * 2002-09-16 2004-11-27 Смутов Александр Иванович Continuous sounding signal frequency modulation radiolocation method
RU2244268C2 (en) * 2003-03-04 2005-01-10 ООО "Предприятие "Контакт-1" Method of measuring level of material in reservoir
RU2309428C1 (en) * 2006-03-27 2007-10-27 Общество с ограниченной ответственностью Предприятие "Контакт-1" Method of measurement of distance by means of range finder characterized by continuous radiation of frequency-modulated radio waves (versions)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10180342B2 (en) * 2014-10-01 2019-01-15 Honeywell International Inc. Level finding using multiple search steps
RU2658558C1 (en) * 2017-07-03 2018-06-21 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method for measuring a distance to a controlled environment with a waveguide lfm radar
RU2655746C1 (en) * 2017-08-07 2018-05-29 ООО предприятие "КОНТАКТ-1" Method of level measurement and radio range station with frequency modulation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008143623A (en) 2010-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11029187B2 (en) Fill level reflectometer having a variable measurement sequence
US6646587B2 (en) Doppler radar apparatus
JP4293194B2 (en) Distance measuring device and distance measuring method
US9746366B2 (en) Radar level gauging
US6052080A (en) Rangefinder
RU2410650C2 (en) Method to measure level of material in reservoir
CN113805166B (en) Target tracking and ranging method and system of radar level gauge
RU2553272C1 (en) Method of measuring range and radial velocity in radar station with probing composite pseudorandom chirp pulse
RU2352909C1 (en) Method for radiolocating measurement of vessel hull vibration and device for its realisation
CN107390210B (en) Digital processing method of beat signal in material level measurement
JP6164918B2 (en) Radar equipment
RU2399888C1 (en) Method of measuring level of material in reservoir
RU2486540C1 (en) Simulator of false radar target during linear frequency-modulated signal probing
RU2491572C1 (en) Method of providing constant range resolution in pulse radar station with quasirandom phase modulation
RU59262U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THE PLACE OF DAMAGE TO ELECTRIC TRANSMISSION LINES AND COMMUNICATIONS
RU2244268C2 (en) Method of measuring level of material in reservoir
Kaminski et al. K-band FMCW radar module with interferometic capability for industrial applications
Nguyen et al. A high-resolution short-range X-band FMCW radar system for ranging applications
RU2431155C1 (en) Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves
RU2423723C1 (en) Method of measuring distance using radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions)
RU2221258C1 (en) Procedure to measure range to several targets by pulse doppler radars with medium pulse repetition rate
RU2434242C1 (en) Method of measuring distance and radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions)
JP2013113723A (en) Radar system
RU2330298C2 (en) Method for detection of damage point in power transmission and communication lines and device for its implementation
RU2654215C1 (en) Method of measuring distance by range finder with frequency modulation

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121102