[發(fā)明專利]高精度低功耗雷達(dá)液位儀系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710065051.2
• 申請日: 2007-04-02
• 公開（公告）號: CN101281052A
• 公開（公告）日: 2008-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周建明
• 申請（專利權(quán)）人: 周建明
• 主分類號: G01F23/22
• 分類號: G01F23/22;G01S13/88;H04B3/00;H04L29/06;H03K3/00;H03K5/01
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及高精度低功耗雷達(dá)測距系統(tǒng)，該系統(tǒng)涵蓋了數(shù)字信號處理、微波收發(fā)系統(tǒng)、超寬帶信號產(chǎn)生和低功耗解決方案技術(shù)領(lǐng)域，利用TDR原理精確測量發(fā)射脈沖和回波脈沖的時間差，得到目標(biāo)距離。該系統(tǒng)可應(yīng)用于石油、水利等高精度測距領(lǐng)域。

二、背景技術(shù)

雷達(dá)液位儀大多數(shù)采用傳統(tǒng)的雷達(dá)體制——線性調(diào)頻連續(xù)波體制，這種體制適用于短距離大功率測距的場合，不需要復(fù)雜的數(shù)字信號處理，結(jié)構(gòu)簡單。目前在國外有一些公司或者國內(nèi)研究所研制雷達(dá)液位儀，如SAAB、KROHNE和HYControl公司。近年來俄羅斯西姆技術(shù)創(chuàng)新公司研制并生產(chǎn)了一系列采油井測試儀，其中GA?I-1型聲波脈沖發(fā)生器(回聲儀)、SUDOS微型液位2示功儀、SU2DOS微型井下液位儀、SUDOS組合液位2示功儀和SID2DOS自動示功儀在油井液面監(jiān)測和抽油泵工作狀況測試等方面得到廣泛的應(yīng)用和推廣，并在遼河油田采油井現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用成功，該儀器是具有世界先進(jìn)水平的井下測距儀。

雷達(dá)液位儀。通常測量的最小距離小于1米，最大的測量距離可達(dá)到60米，測量誤差為小于5mm，分辨率為±0.1％測量值，提供RS-232和RS-485接口和計算機(jī)通信，有兩次表顯示，使用的頻率為10GHz，環(huán)境溫度為-20度～50度。在國內(nèi)如北京航天智控工程公司，也一直致力于雷達(dá)液位儀的研究，也有自己的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的性能指標(biāo)相對于國外的雷達(dá)液位儀來說差距很大，但是國外的產(chǎn)品價格都很貴，對于一般的民用很難達(dá)到普及。在這種背景之下開發(fā)高性能、低價格的雷達(dá)液位儀是很有意義的。

隨著我國石油化工工業(yè)的發(fā)展，迫切要求將現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到高壓儲罐的液位測量中、提高液位測量的精度、測量可靠性及自動化測量水平。當(dāng)前用于我國液位測量的玻璃板液位儀、磁翻板液位儀、靜壓液位儀等，其測距精度低、穩(wěn)定性差，功耗大，并且要求定期維護(hù)，超聲波液位儀測距精度低，浮子液位儀技術(shù)已經(jīng)老化。而目前進(jìn)口的雷達(dá)價格昂貴，這給國內(nèi)用戶帶來很大的經(jīng)濟(jì)壓力，并且國外的儀表維修困難。綜上所述智能雷達(dá)液位儀具有很高的研究價值。為了增強(qiáng)我國在液位儀領(lǐng)域的技術(shù)水平，開發(fā)了智能雷達(dá)液位儀，該液位儀設(shè)計先進(jìn)、性能優(yōu)異，在測距精度、智能化和低功耗方面有所突破，其主要指標(biāo)達(dá)到了國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平，可以替代同類進(jìn)口產(chǎn)品，希望該產(chǎn)品能夠得到廣泛的推廣，為我國石油化工工業(yè)提供先進(jìn)的測量儀表，為我國國民經(jīng)濟(jì)作出貢獻(xiàn)。

三、發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)一部高精度低功耗液位測距系統(tǒng)，其通信接口兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的HART協(xié)議，系統(tǒng)功耗符合本質(zhì)安全的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，能夠應(yīng)用于石油工業(yè)和水利領(lǐng)域的高精度液位測量中。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗的要求，本發(fā)明對系統(tǒng)中采用的器件進(jìn)行低功耗和高性能的優(yōu)選，對系統(tǒng)的高精度和低功耗要求進(jìn)行了綜合的考慮，設(shè)計了專門的系統(tǒng)控制電路和信號處理機(jī)。該系統(tǒng)由三個模塊組成：HART協(xié)議模塊、距離測量模塊和測量線，HART模塊提供了符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的HART協(xié)議的通信和4-20mA的電流輸出信號、與計算機(jī)的接口和計算機(jī)上的人機(jī)交互軟件，系統(tǒng)采用兩線制的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了本質(zhì)安全的要求，系統(tǒng)與上位機(jī)的通信通過電源線進(jìn)行。距離測量模塊完成距離的精確測量和與上位機(jī)的通信。該智能雷達(dá)液位儀提供了單纜、雙纜、同軸電纜和喇叭天線四種測距形式。

為了達(dá)到高精度高分辨率的測距指標(biāo)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種基于階躍恢復(fù)二極管和肖特基二極管產(chǎn)生超寬帶信號的技術(shù)方案，超寬帶窄脈沖的寬度小于400pS，幅度為1.5V。超寬帶信號的產(chǎn)生是智能雷達(dá)液位儀的關(guān)鍵技術(shù)之一，脈沖寬度越窄，測距的精度和分辨率越高，階躍恢復(fù)二極管是窄脈沖產(chǎn)生的核心器件，但階躍恢復(fù)二極管產(chǎn)生的窄脈沖波形振鈴比較大，電路中用肖特基二極管對窄脈沖信號進(jìn)行整形，整形輸出的信號工整，提高了接收信號的信噪比。

為了實(shí)現(xiàn)高精度高分辨率的測距，測距精度為5mm，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種基于雙DDS的時間比例放大技術(shù)，提出了用雙DDS實(shí)現(xiàn)精確定時電路，具體的實(shí)現(xiàn)方法是控制兩路DDS產(chǎn)生頻率差為4Hz和100Hz的兩路高精度時鐘，這兩路DDS采用同樣的時鐘信號，通過預(yù)先設(shè)置兩路DDS相位累加器的初始相位并同時觸發(fā)兩路DDS的相位累加器，可以嚴(yán)格控制兩路時鐘的起始相位和頻率差，為時間比例放大技術(shù)提供了條件。