ЖУРНАЛ «СТА» №4/2002

щих на точность измерения, является обеспечение высокой линейности из- менения частоты сигнала и особенно ее температурной стабильности, посколь- ку уровнемеры, как правило, предна- значены для эксплуатации в очень ши- роком температурном диапазоне. Идеальными для уровнемера FMCW являются условия, когда поверхность контролируемой среды имеет достаточ- но большую площадь, на ней отсутству- ют какиелибо возмущения, а сам ре- зервуар полностью свободен от ка- кихлибо внутренних конструктивных элементов. Однако реальные условия разительно отличаются от идеальных и привносят дополнительные проблемы, связанные с образованием большого числа паразитных эхосигналов от эле- ментов конструкции, неровностей по- верхности (особенно при контроле сы- пучих материалов) и т.п. (рис. 2). Кроме того, приём и передача сигнала осуще- ствляются одновременно. В результате на входе приёмника уровнемера при- сутствует сложная смесь сигналов с очень большим разбросом по амплиту- де. Для выделения частот эхосигналов применяется алгоритм, основанный на методе быстрого преобразования Фу- рье. Для его реализации требуются зна- чительные вычислительные ресурсы и относительно продолжительное время. Результатом преобразования является частотный спектр принятого сигнала, в котором относительная амплитуда каждой частотной составляющей (U) пропорциональна мощности конкрет- ного эхосигнала, а величина частотно- го сдвига пропорциональна расстоя- нию источника этого эхосигнала от излучателя (рис. 3). Выделять полезный эхосигнал и игнорировать остальные позволяет специальное программное обеспечение, установленное на сервис- ном компьютере или встроенное в уровнемер. Главная проблема заключа- ется в том, что каждому эхосигналу в частотном спектре соответствует не одиночная частота, а интервал частот, ограниченный некоторой огибающей. Это вносит дополнительную погреш- ность в определение расстояния. В радарах импульсного типа использу- ется метод определения расстояния, ос- нованный на непосредственном измере- нии времени прохождения СВЧим- пульса от излучателя до контролируе- мой поверхности и обратно. В результа- те для отраженного сигнала примене- ние процедуры быстрого преобразова- ния Фурье не требуется. Однако время прохождения сигналом дистанции в несколько метров составляет всего еди- ницы наносекунд. Поэтому для обеспе- чения измерения столь малых значений с требуемой точностью всетаки требу- ется применение специальных методов обработки сигнала. Для этого обычно используется преобразование СВЧсигнала в сигнал промежуточной частоты ультразвукового диапазона. Так, например, в радарных уровнемерах фирмы Endress+Hauser с несущей час- тотой 6,3 ГГц промежуточная частота равна 70 кГц, а частота повторения им- пульсов с 3,6 МГц уменьшается до 44 Гц [2]. После такого преобразования к об- работке сигналов радарного уровнеме- ра могут быть легко применимы мето- ды и алгоритмы, используемые в ульт- развуковых приборах контроля уровня. Радарные уровнемеры импульсного типа обладают рядом преимуществ пе- ред устройствами, использующими тех- нологию FMCW. Вопервых, принима- емые эхосигналы вне зависимости от природы их источника разнесены во времени, что обеспечивает их более простое разделение. Вовторых, среднее энергопотребление импульсных уров- немеров составляет единицы мкВт (пи- ковая мощность при излучении СВЧимпульса составляет около 1 мВт), 61 СТА 4/2002 www.cta.ru В З АПИС Н УЮ К НИЖК У ИНЖЕ Н Е РА лось довольно частое техническое об- служивание этих систем, связанное с необходимостью удаления различного рода отложений и загрязнений, по- скольку все перечисленные системы являются контактными по своей при- роде. Уровнемеры же, основанные на радарном методе измерения, оказались практически свободными от всех этих недостатков. Именно это обстоятельст- во и обеспечило их широкое примене- ние в самых различных отраслях про- мышленности. П РИНЦИП ДЕЙСТВИЯ В настоящее время в радарных систе- мах контроля уровня применяются преимущественно две технологии: с непрерывным частотномодулирован- ным излучением (FMCW — frequency modulated continuous wave) и импульс- ным излучением сигнала [1]. Технология FMCW еще с 30х годов прошлого века широко применялась в радиовысотомерах военных и граждан- ских самолетов. Она же после соответ- ствующей адаптации была использова- на в первых радарных уровнемерах фирмы SAAB. Эта технология реализу- ет косвенный метод измерения рассто- яния. Уровнемер излучает микроволно- вый сигнал, частота которого изменя- ется непрерывно по линейному закону между двумя значениями f 1 и f 2 (рис. 1). Отраженный от поверхности контроли- руемой среды (жидкость, сыпучий ма- териал и т.п.) сигнал принимается той же антенной и обрабатывается. Его ча- стота сравнивается с частотой сигнала, излучаемого в данный момент времени. Значение разности частот (f d ) прямо пропорционально расстоянию до по- верхности ( l ). Принцип очень прост, но на пути его практической реализации существует множество технических и технологических проблем. Одной из важнейших, непосредственно влияю- Рис. 2. Паразитные отражения при использовании технологии FMCW Рис. 3. Частотный спектр эхо-сигнала