Проект: Разработка гибридной интегральной схемы измерительного блока импульсного уровнемера

Ранее в рамках программы СТАРТ Фонда содействия инновациям был разработан прототип устройства измерения уровней, в основе которого лежат схемотехнические решения, основанные на зарубежной элементной базе. В связи с текущей политической и экономической ситуацией, их доступность снизилась, при этом на рынке не имеется аналогов с удовлетворяющими техническими характеристиками. В частности, одним из таких узлов является измерительный блок. В рамках текущего конкурса будет выполнена разработка измерительного блока, состоящего из узлов генерации, приёма и оцифровки сигнала. Блок будет представлять собой самостоятельное устройство, выполненное в виде гибридной интегральной схемы (ГИС), состоящей из микросборки, включающей интегральные схемотехнические решения цифровой и СВЧ-схемотехники, и внешних габаритных аналоговых и цифровых компонентов. Состав измерительного блока: – узел генерации, обеспечивающий формирование импульсных сигналов суб-наносекундной длительности; – СВЧ-тракт, включающий делитель мощности, линии задержки, переходы и др. элементы тракта, обеспечивающие передачу сгенерированного сигнала в сенсорный элемент (измерительный зонд) и передачу отраженного сигнала к приёмнику для дальнейшей оцифровки; – узел приёма, обеспечивающий преобразование (выборку, хранение, фильтрацию, усиление) входного сигнала для его дальнейшей оцифровки. – узел синхронизации, обеспечивающий синхронную работу остальных узлов и режим стробоскопической выборки; – узел обработки, обеспечивающий оцифровку преобразованного сигнала, его обработку и хранение, а также взаимосвязь с внешними устройствами по цифровым протоколам. В результате устройством будут обеспечиваться следующие функциональные возможности: – генерация импульсных сигналов суб-наносекундной длительности; – приём и оцифровка сигнала; – хранение результатов измерения и обработки; – взаимодействие с внешними устройствами по определенному в ходе выполнения проекта протоколу. Разработанная ГИС устройства будет применена для использования в составе уровнемера, разрабатываемого в рамках проекта. Кроме того, устройство может быть применено как элемент целого спектра измерительных устройств, начиная с лабораторных приборов (например, стробоскопические осциллографы), заканчивая приборами промышленного назначения, такие анализаторы кабельных сетей водного, воздушного и космического транспорта, устройства поточного контроля параметров нефтепродуктов, устройства контроля параметров почвы в сельскохозяйственных комплексах и др.

Актуальность проекта обусловлена следующими причинами: 1) Отсутствие на рынке измерителей уровня многослойных сред российского производства; 2) Проблемами, возникающими в ходе эксплуатации зарубежных уровнемеров, применяемых для измерения уровней многослойных сред, а именно: - необходимость в априорных сведениях о параметрах слоёв многослойной среды. Например, для определения положения границы раздела сред нефть-вода при использовании микроволнового способа измерения должна быть известна диэлектрическая проницаемость нефти и газообразной среды. Параметры задаются на основе справочных значений для текущего месторождения, при этом не учитываются колебания параметров в краткосрочных и долгосрочных промежутках времени. - наличие эмульсии, параметры которой не предсказуемы. Эмульсия образуется из-за особенностей сырья текущих месторождений и технологических процессов освоения скважин. Следствием возникновения эмульсии является постоянное использование дополнительного оборудования и персонала для повторной калибровки уровнемеров. Отсутствие постоянного контроля приводит к необходимости сброса нефти, остановке процесса добычи и большим экономическим убыткам. 3) Отсутствие на российском и зарубежном рынках элементной базы для быстрого проектирования рефлектометрического оборудования. Присутствие на рынке доступных рефлектометрических средств, которые могут быть положены в основу измерительных устройств, может привести к появлению спектра российских измерительных устройств лабораторного и промышленного назначения, таких, как стробоскопические осциллографы, анализаторы кабельных сетей водного, воздушного и космического транспорта, устройства поточного контроля параметров нефтепродуктов, устройства контроля параметров почвы в сельскохозяйственных комплексах и др.

Предметом разработки является рефлектометрический измерительный блок, выполненный в виде гибридной интегральной схемы. В ходе проекта будут разработаны генераторы импульсных сигналов, СВЧ-смесители, узлы синхронизации с высокой точностью установки частот и другие СВЧ-узлы. Разработанный измерительный блок будет являться ключевой составной частью измерителя уровней многослойных сред и позволит реализовать инновационные методы измерения, предложенные в кандидатской диссертации "Способ и устройства определения структуры и параметров многослойных сред на основе модифицированного TDR-метода"

Методы разработки, включая аналитический обзор, электростатическое и электродинамическое моделирование, проектирование с использованием современных САПР, макетирование и прототипирование.

Научная и техническая новизна проекта (уровнемера) заключается в: 1) предложенном новом способе измерения: В стандартном импульсном методе измерения (TDR) тестовый сигнал распространяется по измерительному зонду, часть сигнала отражается от границ раздела и возвращается к устройству, которое по разнице времени между тестовым и отраженным сигналом определяет расстояние до границы раздела. При распространении сигнала в многослойной среде тестовый сигнал отражается от каждой из границ раздела, и формируется рефлектограмма объекта. Для определения расстояния должны быть известны скорости распространения сигнала в каждом из слоёв, или их диэлектрическая проницаемость. Новый способ измерения отличается от стандартного метода TDR использованием активного сенсора (измерительного зонда), в конструкцию которого включены элементами с управляемыми параметрами. Тестовый сигнал в таком зонде отражается и от границ раздела сред, и от управляемых элементов, причем степень отражения сигнала зависит от установленных параметров этих элементов. Изменение параметров элементов позволяет получать различные рефлектограммы объектов, а их анализ позволяет определить структуру объекта, количество слоёв, положение границ раздела и диэлектрические параметры слоёв. Все параметры могут быть получены без процедуры настройки оборудования. 2) предложенных вариантах реализации устройств; Реализация предложенного способа требует разработки активных сенсоров (измерительных зондов) и устройств, их использующих. Предложены и исследованы способы реализации на основе полупроводниковых элементов. В процессе выполнения проекта планируется разработка новых способов реализации для различных областей применения. 3) предложенных алгоритмах обработки полученных в результате измерения данных. Автоматическая интерпретация рефлектограмм объектов, в особенности сложных многослойных сред. В ходе проекта выполнен процесс автоматизации интерпретации рефлектограмм для стандартного метода TDR, в том числе для многослойных сред и реализованы алгоритмы для предложенного метода измерения. Научная новизна подтверждается: 1) полученным патентом на изобретение "Способ измерения уровней многослойных сред и устройство для его осуществления", №2723978, дата регистрации: 18.06.2020 г.; 2) успешно защищенной диссертацией на степень кандидата технических наук "Способ и устройства определения структуры и параметров многослойных сред на основе модифицированного TDR-метода" (24.12.2019 г.)

Коллектив имеет опыт в области создания измерительных устройств, в том числе СВЧ-диапазона. Конкурсы и гранты Проект по разработке импульсного уровнемера является финалистом международных конкурсов технических проектов и был многократно поддержан из различных источников, среди них: 1) По программе УМНИК Фонда содействия инновациям; 2) По программе СТАРТ Фондом содействия инновациям. В 2022 г. по результатам программы СТАРТ-1 разработан прототип устройства измерения уровней многослойных сред. 3) Проект "TDR-уровнемер для измерения уровней многослойных сред" является финалистом международного конкурса "Инновационная радиоэлектроника" (2020 г.) 4) Принято участие финале международного российско-китайского конкурса "Innovation Awards". Данный проект был особо отмечен как наиболее интересный китайским экспертным жюри (https://tusur.ru/ru/novosti-i-meropriyatiya/novosti/prosmotr/-/novost-komanda-sbi-tusura-stalatretiey-v-finale-rossiysko-kitayskogo-konkursa-innovation-awards) 5) Выполнена НИР по договору №20/21 от 19.07.2021 г. по экспериментальному исследованию прототипа измерения уровней. На текущий момент проект поддерживается в рамках программы развития передовой инженерной школы «Электронное приборостроение и системы связи» им. А.В. Кобзева, проект «Разработка контрольно-измерительной аппаратуры СВЧ-диапазона для анализа параметров материалов, монолитных интегральных схем и устройств на их основе». Научные работы (патенты, публикации) 1) По теме проекта в 2019 г. успешно защищена диссертация на соискание степени кандидата технических наук "Способ и устройства определения структуры и параметров многослойных сред на основе модифицированного TDR-метода". Ссылка с открытым доступом: https://postgraduate.tusur.ru/system/file_copies/files/000/001/634/original/Тренкаль.pdf 2) Патент на изобретение: предложенный способ измерения уровней многослойных сред, а также варианты реализации устройства защищены патентом на изобретение "Способ измерения уровней многослойных сред и устройство для его осуществления" №2723978, дата регистрации: 18.06.2020 г. 3) Получены 4 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ; 4) По теме опубликовано более 20 научных работ, в том числе индексируемые в Scopus, WoS, входящие в перечень ВАК.

В качестве комерциализируемого устройства выступает устройство измерения уровней для многослойных сред на основе предложенного способа измерения. На рынке присутствуют широкий ряд производителей измерителей уровня из различных стран: Германия (VEGA, Siemens, KROHNE и др.); США (Emerson Electric, AMETEK, Magnetrol и др.); Швейцария (Endress+Hauser, ABB), Россия (ООО «Контакт-1», ООО «СКБ Приборы и системы», ООО «НПО «РИЗУР», ООО НПП «СЕНСОР» и др.) Устройства измерения уровней для многослойных сред ограничиваются поплавковым, ультразвуковым и радиоволновым методами измерения. Недостатками поплавковых уровнемеров являются наличие подвижных частей, и, как следствие, невозможность применения в средах, образующих налипание или отложение осадка на поплавок или буек; необходимость подбора плотности поплавка под слои, расположенные над и под поплавком и др. К недостаткам ультразвуковых уровнемеров можно отнести: зависимость показаний уровня от параметров измеряемых жидкостей (температуры, влажности, давления, концентрации), невысокое пространственное разрешение, сложность получения узкой диаграммы направленности. Радиоволновые методы лишены перечисленных недостатков, что приводит к постепенному переходу рынка на устройства данного типа. В связи с этим будут рассмотрены измерители уровней из данной категории. Компании, имеющие решения, способные проводить измерение уровней многослойных жидкостей: VEGA (серия Vegaflex), Krohne (серия Optiflex), Emerson (серия Rosemount 3300, 5300), Honeyway (серия Smartline), Magnetrol (серия Eclipse), Endress+Hauser (серия Levelflex FMP), ABB (серия MT5000). Все решения основаны на методе импульсной рефлектометрии. Точность измерения уровня верхней границы раздела для всех устройств лежит в диапазоне от 2 до 3 мм. Точность определения внутренней границы раздела сред: Vegaflex-83, Optiflex-8200 - 5 мм; остальные - 25 мм. Заявленная точность предлагаемого устройства: 3 мм для верхней границы раздела, 5 мм для внутренних границ раздела, является сопоставимой с лучшими мировыми аналогами. При этом основным конкурентным преимуществом является возможность определения диэлектрических параметров слоёв, чего нет ни у одного из аналогов. Это позволяет обеспечивать заявленную точность устройства в условиях отклонения фактических диэлектрических параметров среды от задаваемых устройству, что обеспечивает независимость процедуры измерения разрабатываемого устройства от параметров среды. Еще одним преимуществом разрабатываемого устройства является возможность беспроводной передачи результатов измерения, чего нет у большинства аналогов. Исключения - Rosemount5300 и Levelflex FMP-57, в которых данная возможность предоставляется путем подключения дополнительного оборудования. Следует отметить, что ни у одного из представленных приборов нет функционала определения диэлектрической проницаемости слоёв многослойной жидкости, что является важнейшей особенностью разрабатываемого продукта.