Радиолокационный уровнемер УРМД 01

Нижегородский государственный технический университет

им. Р. Е. Алексеева Кафедра «Техника радиосвязи и телевидения»

Отчет по преддипломной практики Студент Белов Ю. Г Проверил Блинов А. С Нижний Новгород, 2012 г.

Аннотация По заказу ОАО «Газпром» разработать радиолокационный измеритель уровня углеводородного сырья и товарной продукции в резервуарах высотой до 20 м со стационарной крышей и плавающим покрытием.

УРМД-01 как средство измерения уровня предназначен для работы в составе информационно-управляющих систем (ИУС) с использованием интерфейса RS-485.

В стадии завершения — эксплуатационные испытания уровнемера на объектах ОАО «Газпром» и получение разрешения Госгортехнадзора РФ на серийный выпуск и применение.

Введение

В НИИИС будет разработан радиолокационный уровнемер УРМД-01 5 миллиметрового (мм) диапазона длин волн для резервуарного парка углеводородного сырья и продуктов их переработки.

Принцип работы уровнемера основан на излучении непрерывного ЛЧМ сигнала и измерение параметров принимаемого отраженного сигнала.

Уровнемер УРМД-01 как средство измерения уровня предназначен для работы как автономно, так и в составе ИУС с использованием интерфейса RS-485. Аналогом УРМД-01 по техническим характеристикам является уровнемер RTG 2940 SAAB.

Общая характеристика подразделения 36 400

Научно-исследовательский отдел разработки контрольно-измерительной и имитационной аппаратуры (НИО 36 400) является структурным подразделением научно-исследовательского отделения СВЧ-устройств и систем спутниковой навигации (36 000). НИО 36 400 возглавляет начальник отдела, Бабковский Александр Петрович, который назначается на должность и освобождается от должности приказом директора института по представлению заместителя главного конструктора по оборонной тематике СКТИ и ТМ — начальника научно-технического комплекса систем спецконтроля, траекторных измерений и телемеханики (НТК СКТИ и ТМ) и согласованию с заместителем директора института по научной работе — главным конструктором по оборонной тематике.

Основными задачами НИО 36 400 являются:

— моделирование и разработка:

— сбор и систематизация научно-технической информации:

а) мониторинг состояния разработки и изготовления ЭКБ для АСН в России и за рубежом;

б) мониторинг состояния разработки нормативной базы для разработки АСН (ОТТ, ГОСТ…);

в) мониторинг состояния разработки имитаторов сигналов спутниковых радионавигационных систем;

— проведение научно-исследовательских работ (НИР) по обоснованию принципов построения и определению тенденций и направлений совершенствования и развития радиотелеметрических систем спецконтроля (РТС СК);

— проведение НИР и ОКР по созданию контрольно-проверочной, имитационной и приемно-регистрирующей аппаратуры РТС СК;

— проведение НИР и ОКР по созданию комплекса радиосредств, обеспечивающих сбор, передачу телеметрической информации и речевую связь на объектах ОАО ГАЗПРОМ и топливно-энергетического комплекса (ТЭК);

— разработка методов, программ и методик подтверждения заданных ТЗ тактико-технических характеристик разрабатываемой аппаратуры;

— внедрение в разработки передового отечественного и зарубежного опыта в области радиотелеметрических систем спецконтроля;

— внедрение разработанных приборов в серийное производство, осуществление авторского надзора;

— участие в проведении испытаний разработанных приборов и вводе их в эксплуатацию;

— реализация политики института в области качества.

НИО 36 400 выполняет следующие основные функции:

разработка технических заданий (ТЗ) на новые системы, приборы и устройства для них, согласование и утверждение ТЗ у руководства института и Заказчика;

проведение исследовательских работ по изысканию новых технических решений для обоснования выбранных параметров;

проведение анализа применяемой контрольно-измерительной аппаратуры и определение направлений перспективных исследований и разработок;

разработка технико-экономических предложений по созданию новой контрольно-измерительной аппаратуры;

участие в проведении испытаний разработанных в НТК СКТИ и ТМ приборов и СВЧ устройств, их макетирование в составе бортовых комплексов и приемно-регистрирующей аппаратуры;

изучение, обобщение и применение передового опыта, достижений науки, техники и новейших технологий в соответствующих областях;

проведение экспертизы аналогичных разработок смежных подразделений и организаций, максимальное использование достижений в области создания контрольно-измерительной аппаратуры, работа со смежными организациями по договорам;

разработка средств защиты и осуществление мероприятий по ПД ИТР и ТЗИ в процессе выполнения НИР и ОКР;

проведение НИР и ОКР в сроки, установленные тематическими планами и ежеквартальными планами ОСП и У;

изучение и обобщение передового опыта, достижений науки, техники и технологии в области разработки приемо-передающей аппаратуры;

внедрение разрабатываемых приборов в серийное производство и осуществление авторского надзора по изготовлению и эксплуатации приборов;

обеспечение качества работ и соблюдение требований документации системы менеджмента качества;

проведение мероприятий по повышению качества разработок;

разработка средств защиты и осуществление мероприятий по ПД ИТР и ТЗИ в процессе выполнения НИР и ОКР.

сигнал радиолокационный уровнемер углеводородный Техническое задание Уровнемер УРМД-01 разработан по ТЗ ОАО «Газпром» и АК «Транснефть», учитывающей в полной мере особенности резервуарного парка указанных отраслей промышленности. Основные технические характеристики УРМД-01 представлены в таблице 1.

Таблица 1

Требования по диапазону измерения (1…21 м) и допускаемой погрешности измерения оказывают определяющее влияние на энергетические характеристики уровнемера и на требуемую стабильность параметров его составных частей. В частности, требование по допускаемой погрешности измерений в режиме «коммерческого учета» не более ±2 мм (относительное значение погрешности на максимуме диапазона измерения порядка 10−4) вызывает необходимость стабилизации внутренних параметров уровнемера, например, девиации частоты на уровне относительной стабильности (2…5)*10−5, для этой цели в состав схемы уровнемера включен первичный высокостабильный эталон. Однако, даже при использовании эталона на базе кварцевого резонатора с относительной стабильностью 2*10−6 1/град.С обеспечение требуемой стабильности в диапазоне температур от минус 45ОС до плюс 60ОС возможно только при термостатировании части узлов уровнемера с допуском на стабильность температуры не более 5ОС.

Требование в части обеспечения непрерывного оперативного самотестирования исправного состояния (в том числе индикацию недопустимого загрязнения антенны) с выдачей команды ИСПРАВНОСТЬ в одном из разрядов выходной информации вызывает необходимость охвата схемы уровнемера системой регистрации внезапных отказов с введением в состав схемы уровнемера дополнительных элементов.

Весьма жестким является требование в части введения устройства встроенного контроля, обеспечивающего самоконтроль уровнемера в эксплуатации без демонтажа с резервуара, при этом методика самоконтроля должна подтверждать соответствие УРМД-01 требованиям по допустимой погрешности измерения. Для реализации этого требования в состав уровнемера предусмотрено включение переключателя «работа-контроль» и контрольной линии задержки, имитирующей задержку сигнала на несущей частоте, при этом требование к стабильности линии задержки (вторичного эталона) соизмеримы с требованиями, предъявляемыми к стабильности первичного эталона.

Основными особенностями и достоинством разработанного уровнемера являются:

— высокая точность измерения уровня;

— встроенный самоконтроль функционирования;

— высокая надежность и стабильность измерения уровня в широком диапазоне температур, напряжения питания и при агрессивном характере окружающей среды;

— простота эксплуатации, не требующая периодической поверки с использованием метрологически аттестованных стендов.

Краткое описание принципа действия ЛЧМ-дальномера В любых радиолокационных системах измерение дальности основано на измерении (прямом или косвенном) времени запаздывания между излучением зондирующего сигнала и приходом отраженного от цели сигнала.

При использовании частотной модуляции наиболее приемлемым по схемотехническим соображениям и обеспечению минимальной погрешности измерения дальности считается использование линейной частотной модуляции (ЛЧМ) зондирующего сигнала. Принцип работы ЛЧМ-дальномера, работающего на одну приемо-передающую антенну, иллюстрируется упрощенной схемой, приведенной на рис. 1.

Рисунок 1. Упрощенная схема ЛЧМ-дальномера Формирование зондирующего сигнала дальномера осуществляется в ЧМ-передатчике. Модулятор обеспечивает управление несущей частотой передатчика и представляет собой генератор линейно-изменяющегося напряжения (ГЛИН).

Зондирующий сигнал от передатчика через дуплексер (устройство, обеспечивающее одновременную работу передатчика и приемника) подается в антенну и излучается в направлении цели. Одновременно часть сигнала передатчика через дуплексер поступает на смеситель.

Отраженный от цели сигнал принимается антенной и через дуплексер подается на смеситель. В смесителе осуществляется преобразование частот зондирующего и принимаемого сигналов. В результате запаздывания в тракте распространения частоты зондирующего и принимаемого сигнала приобретают сдвиг на частоту биений, которая выделяется на выходе смесителя. При стабильных частоте модуляции и величине девиации частоты передатчика (разность частот передатчика в начале и в конце периода модуляции) частота биений пропорциональна времени запаздывания сигнала и, соответственно, измеряемой дальности.

Выходной сигнал смесителя усиливается усилителем биений и подается на измеритель, который осуществляет измерение частоты биений (или полного набега фазы сигнала биений) за период модуляции с учетом значений периода модуляции и девиации частоты.

Связь между указанными параметрами для ЛЧМ-дальномера с односторонней модуляцией ЛИН определяется выражением:

(1)

где fб — частота биений;

f — девиация частоты передатчика;

ТМ — период модуляции;

з — время запаздывания сигнала.

С учетом известной зависимости между дальностью до цели и временем запаздывания

(2)

где — дальность до цели;

с — скорость света;

из (1) и (2) получим

(3)

Принимая во внимание, что величина 2fбТМ представляет собой значение полного набега фазы сигнала биений, из (3) следует, что для получения измеренного значения дальности достаточно измерить полный набег фазы сигнала биений при обеспечении высокой стабильности девиации частоты. Отсюда следуют 2 основных источника погрешности измерения дальности: погрешность измерения набега фазы и нестабильность (или неточность установки при изготовлении) девиации частоты.

Сложность заключается в том, что за период модуляции сигнал биений может содержать нецелое число периодов сигнала биений, и здесь имеют место дополнительные факторы, влияющие на погрешность, несмотря на использование специальных методов измерений.

Структурная схема генератора калибровочного Рисунок 2. Структурная схема генератора калибровочного ГУН — генератор, управляемый напряжением, НОнаправленный ответвитель, ФНЧфильтр нижних частот, ОКГопорный кварцевый генератор, PLLсинтезатор, МКмикроконтроллер, УМусилитель мощности, ПФполосовой фильтр

Используемые программные обеспечения В дипломной работе будут использованы, возможно, такие программные продукты:

1) Microsoft Office 2007 Enterprise

2) MS Visio 2000

3) AWR Design Environment 9.02

4) Mathcad. v14.0.RIP-TBE

5) Electronic Workbench

6) PCAD 2006

7) AutoCAD 2011

Заключение

Будет разработан радиолокационный уровнемер УРМД₀₁ 5 мм диапазона длин волн в полной мере удовлетворяющей требованиям ОАО «Газпром» и АК «Транснефть» .

Планируется начать серийный выпуск для оснащения резервуарного парка указанных отраслей промышленности.

По своим характеристикам уровнемер УРМД-01 не будет уступает лучшим зарубежным аналогам.

1). Радиолокационные средства непрерывного излучения, Н. П. Супряга, М., Воениздат, Москва -1974.

2). Устройство формирование СВЧ сигналов и их компоненты, Л. А. Белов, Москва издательский дом МЭИ 2010.

3). Журнал «Электроника: Наука, Технология, Бизнес», 3 -4/98, Техника и технология, Промышленная электроника.

4). Краткий справочник Hittite Microwave corporation, Москва, 2008.

5). Журнал «Руководство выбора продукции Hittite Microwave corporation», июнь 2011 г.