Разработка и расчет структурной схемы уровнемера

Структурная схема является наглядным отображением теоретического представления о разрабатываемом устройстве и об алгоритме работы, как его аппаратной, так и программной частей вместе. Эта схема проектируется на основании описанных ранее теории измерения уровня и способа измерения задержки СКИ сигналов в уровнемере на основе стробоскопической обработки сигнала.

В составе устройства можно выделить три части:

1) СВЧ-часть, куда входят: генератор СВЧ, вентиль, передающая и приёмная антенны, малошумящий усилитель, амплитудный детектор, приёмопередающий модуль «Пикор-1»;

2) часть формирования и обработки сигнала: аналого – цифровой преобразователь (АЦП), цифровой сигнальный процессор (ЦСП), микропроцессор (МП), микроконтроллер (МК), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), оперативная память (ОЗУ), электрическое перепрограммируемое запоминающее устройство(ЭПЗУ).

3) внешний интерфейс: клавиатура, индикатор, интерфейс RS-485.

Итак, разработку структурной схемы целесообразно начать с передающей части уровнемера. Что касается приемной части, то здесь разработка будет двигаться от приемной антенны вглубь устройства.

Итак, первый элемент приемной части СВЧ-блока – это приемная антенна. Так как условия эксплуатации уровнемера заранее неизвестны, то есть неизвестен, в том числе, и коэффициент отражения измеряемой среды, то уровень отраженного сигнала может колебаться в некотором интервале.

Для того, чтобы обеспечить его постоянство и усилить сигнал с антенны, необходимо применить малошумящий усилитель СВЧ – диапазона. Для того, чтобы мы используем малошумящий усилитель MAY615G. Он выполнен в виде встраиваемого модуля (по отдельному заказу может быть выполнен в виде отдельного устройства с интерфейсами управления USB, Ethernet) на базе HMC963LC4 Hittite. Технические характеристики усилителя:

– увеличивает сигнал в диапазоне от 1 до 15 ГГц;

– уровень собственных шумов -3дБ;

– коэффициент усиления 22дБ;

– напряжение питания – 3.5В;

– потребляемая мощность -0.3Вт.

Основу СВЧ части составляет приёмопередающий модуль «Пикор-1».

Такой модуль является базовым и его технические характеристики приведены ниже [20]:

– длительность зондирующих импульсов 300 пс;

– частота повторения импульсов от 1,5 до 100 МГц;

– спектральная плотность мощности при частоте повторения импульсов 48 МГц от -65 до -60 дБм/МГц;

– спектр излучаемого сигнала по уровню -3 дБ 2,85–10 ГГц;

– разрешающая способность до 4 мм;

– потребляемая мощность менее 150 мВт.

Данным приемо-передающим модулем генерируются СКИ сигналы с формой 1-й производной функции Гаусса без заполнения несущей. Изменение частоты повторения импульсов в широких пределах позволяет регулировать спектральную плотность мощности с уменьшением её уровня на 3 дБ при уменьшении частоты повторения импульсов в 2 раза. Таким образом, крайне малая спектральная плотность излучаемой мощности позволяет работать практически на уровне шумов, не мешая другим радиосредствам в широкой полосе частот, что дает вторичное освоение радиочастотного диапазона.

Именно структура ППМ определяет необходимость использования двух антенн, так как у него отдельные вход и выход. Передающая и приемная антенны располагаются в непосредственной близости друг от друга, уровнемер будет использовать импульсное излучение и отраженная волна будет попадать в передающий тракт. Чем больше размер антенны, тем более сильный и узконаправленный сигнал она излучает и, в тоже время, тем лучше прием отраженного сигнала. Такими нужными параметрами обладает рупорная антенна. Она удобна для больших емкостей, позволяет работать с широким спектром сред по диэлектрической проницаемости, применима в сложных условиях и обеспечивает диапазон измерения до 35…40 м.

Для разработанного базового приемо-передающего модуля было написано прикладное программное обеспечение, позволяющее использовать импульсный уровнемер в различных областях и условиях внешней среды.

На генератор СВЧ с ППМ «Пикор-1» поступают импульсный сигнал, который необходимо промодулировать. Для этого используется СВЧ генератор Для того чтобы избежать этого побочного явления, на выходе СВЧ генератора нужно установить невзаимное устройство, например, вентиль (ФПВН-67Б), который обеспечивает беспрепятственное прохождение волны в прямом направлении и почти полное ее отсутствие в обратном, то есть защищает генератор от обратного воздействия, обеспечивая защиту системы от сбоя.

Амплитудный детектор (АД) – это последовательная совокупность выпрямителя и сглаживающего фильтра. Амплитудный детектор преобразует высокочастотный сигнал в видеоимпульсный сигнал.

Для того, чтобы принять информацию от модуля в процессор, то есть обеспечить их синхронизацию, необходимо использование аналого – цифрового преобразователя (АЦП). Это первый блок в части формирования и обработки сигнала. Он отделяет аналоговую часть уровнемера от цифровой.

После того как сигнал дискретизирован, его можно подвергнуть цифровой обработке, для чего необходим цифровой сигнальный микропроцессор (ЦСП). Также он возглавляет процедуры управления АЦП.

В зависимости от типа выбранного микропроцессора, потребуется использовать блок внешней памяти для хранения текста программы (ПЗУ), а также для хранения временных данных (ЭППЗУ), таких как информация о калибровке, форме сосуда и т.д.

Для организации процедуры эффективного обмена данными с ЭВМ, а также для выдачи результатов измерений на индикатор, целесообразно применить в качестве буфера какой-либо микроконтроллер.

Структурная схема импульсного уровнемера на основе стробоскопического метода обработки сигналов приведена на рисунке 4.1.

Рисунок 4.1 – Структурная схема импульсного уровнемера на основе стробоскопического метода обработки сигналов