АВТОНОМНЫЙ ВОЛНОВОЙ УРОВНЕМЕР

AUTONOMOUS WAVE LEVEL GAUGE

Al`bina Rodionova

student, Department of Regional and Sectoral Development Strategies, Volga State University of Technology,

Russia, Yoshkar-Ola

Aleksey Smirnov

scientific adviser, candidate of Technical Sciences, associate professor, Volga State University of Technology,

Russia, Yoshkar-Ola

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматривается принципиальная возможность применения микросхемы IWR1642 в качестве измерительной части уровнемера.

ABSTRACT

This article discusses the fundamental possibility of using the IWR1642 microcircuit as a measuring part of the level gauge.

Ключевые слова: уровень; СВЧ; датчик.

Keywords: level; microwave; sensor.

В настоящее время в технологических процессах практически всех отраслей промышленности широко используются различные резервуары и накопители.

Контроль уровня в них может осуществляться множеством способов, однако до сих пор широко применяется способ, когда оператор определяет уровень, находясь в непосредственной близости от резервуара. Это связано, в первую очередь, с высокой стоимостью оснащения автоматическими уровнемерами резервуаров, особенно для распределенных по большим площадям производств.

Однако в последнее время получают все более широкое распространение технологии, позволяющие существенно снизить затраты на автоматизацию. К ним относятся технологии беспроводной передачи данных, энергоэффективные компоненты, элементы питания большой емкости и промышленного диапазона температур. Все это создает технологическую основу производства дешевых автономных промышленных датчиков.

На данный момент в соответствии с ГОСТ 24802-81. «Приборы для измерения уровня жидкости и сыпучих веществ» существует 29 методов измерения уровня, из которых можно выделить следующие бесконтактные [1]:

- ультразвуковые;

- радиоизотопные;

- лазерные;

- волновые.

Бесконтактные методы позволяют исключить необходимость контакта с веществом, уровень которого измеряется, что обуславливает следующие преимущества:

– возможность измерения уровня агрессивных веществ;

– снижение затрат на монтаж и обслуживание прибора, так как необходима одна точка установки в верхней части резервуара.

Ближайшим аналогом волновому способу измерения уровня является ультразвуковой способ определения уровня. Но первичные сенсоры ультразвуковых уровнемеров имеют большее потребление мощности и меньшую точность. Кроме того, они проигрывают по диапазону измерения.

Радиоизотопные уровнемеры обладают тем преимуществом, что не требуют контакта со средой. Однако значительные колебания плотности продукта и изменения концентрации водорода в нем могут вызвать неприемлемые ошибки измерений. Для использования радиоизотопного метода требуется разрешение на использование и обязательный контроль отсутствия утечек радиации. К тому же радиоизотопные уровнемеры имеют относительно высокую стоимость.

В лазерном уровнемере применяется источник сфокусированного инфракрасного излучения, которое посылается к поверхности среды. Оно отражается от большинства жидких и сыпучих сред. Лазерные уровнемеры хорошо работают в непрозрачных, хорошо отражающих жидкостях или сыпучих средах. Лазерные уровнемеры могут обрабатывать быстрые изменения уровня и могут обеспечивать измерение уровня на больших диапазонах. Однако, для нормальной работы лазерного уровнемера защитное стекло лазерного излучателя должно оставаться чистым. Поэтому данные уровнемеры не могут работать при наличии тумана и запыленности. В дополнение, лазерный луч не может отразиться от поверхности спокойных, прозрачных поверхностей.

До недавнего времени построение волнового уровнемера подразумевало применение модульной структуры, с выделением в отдельные составные части генератора СВЧ, радиопередающей и приемной частей, детектора (вычитающего устройства) и микроконтроллера, реализующего обработку детектированного сигнала, в том числе реализующего функцию преобразования Фурье. Такой подход обуславливал сложность в разработке и настройки уровнемера. Кроме того, такая схема требовала повышенного уровня электропитания, что делало нецелесообразным реализацию уровнемера в автономном виде.

В связи с развитием технологий микроминиатюризации рынок электронных компонентов предлагает «одночиповые» решения, интегрирующие в себе приемо-передающие части волномера, генератор, детектор и микроконтроллер.

Одним из таких решений является микросхема IWR1642 представляющая собой интегрированный однокристальный миллиметровый датчик уровня и позиционируется как решение для маломощных радиолокационных систем промышленного применения [4]. IWR1642 включает в себя приемные и передающие тракты, подсистему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), высокопроизводительный сигнальный процессор для обработки радиолокационных сигналов, а также процессорную подсистему, которая отвечает за конфигурацию, управление и калибровку.

Требуемая мощность источника питания микросхемы и широкий диапазон рабочих температур (от -40 до 105 °C) обуславливают возможность ее применения в автономных промышленных датчиках.

С целью подтверждения принципиальной возможности применения микросхемы в качестве измерительной части уровнемера был проведен ряд экспериментов.

Обобщенная схема эксперимента представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Обобщенная схема эксперимента

В качестве прототипа датчика использована отладочная плата IWR1642BOOST. Простая в использовании оценочная плата для микросхемы микроволнового сенсора IWR1642 с возможностью прямого подключения к микроконтроллерному отладочному набору LaunchPad™. Данная отладочная плата содержит все необходимое для начала разработки программного обеспечения для встроенного в IWR1642 DSP ядра C64x и ядра ARM Cortex-R4F, включая встроенную эмуляцию для программирования и отладки.

Проведены испытания по оценке точности определения уровня жидкости в различных резервуарах и на различных расстояниях от уровня.

На рисунке 2 представлена фотография проведенного эксперимента.

Рисунок 2. Отладочная плата IWR1642BOOST в ходе эксперимента

Эксперимент был проведен для уровней 500-2000 мм. Предварительно определены параметры настройки приемо-передатчика, позволяющие измерять уровень с достаточной точностью. В результате эксперимента достигнута точность +/- 4 мм.

С учетом результатов эксперимента выбор микросхемы IWR1642 в качестве сенсора автономного волнового уровнемера представляется обоснованным.

Список литературы:

1. ГОСТ 24802-81 Приборы для измерения уровня жидкости и сыпучих веществ. Термины и определения. – Введ. 01.07.82. – М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов, 1991. – 7 с.
2. Родионова А.К. Выбор технологии измерений для автономного уровнемера с беспроводной передачей данных по технологии LoRaWan /Инженерные кадры – будущее инновационной экономики России: материалы VI Всероссийской студенческой конференции (Йошкар-Ола, 10-13 ноября 2020 г.): в 8 ч. Часть 4: Информационные технологии – основа стратегического прорыва в современной промышленности. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2020. – С. 152-154.
3. Фрайден Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден ; перевод с английского Ю.А. Заболотной; под редакцией Е.Л. Свинцова. – Москва :Техносфера, 2006. – 592 с.
4. IWR1642 Datasheet (PDF) - Texas Instruments [Электронный ресурс]. – URL: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/1047699/TI1/IWR1642.html (дата обращения: 25.01.2023).