Способ компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера
Владельцы патента RU 2389982:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к ультразвуковым локационным измерителям уровня жидких и сыпучих продуктов в резервуарах на автозаправочных станциях и нефтебазах, а также в химической, нефтяной, пищевой и других отраслях народного хозяйства. Сущность: способ включает излучение ультразвукового сигнала, его прием, измерение временного интервала между двумя импульсами, его преобразование в цифровой код, измерение не менее 3 временных интервалов, в которых мгновенное значение амплитуды принятого ультразвукового сигнала превышает пороговый уровень. По изменению длительности этих временных интервалов вычисляют временную координату начала эхо-импульса и используют ее при расчете расстояния. Технический результат: компенсация погрешности измерения ультразвукового уровнемера, обусловленная наличием неконтролируемого временного интервала между началом эхо-импульса и срабатыванием порогового устройства. 3 ил.
Изобретение относится к ультразвуковым локационным измерителям уровня жидкости и сыпучих продуктов в резервуарах на автозаправочных станциях и нефтебазах, а также в химической, нефтяной, пищевой и других отраслях народного хозяйства.
Известен способ компенсации погрешностей акустических локационных уровнемеров (патент РФ №2129703, МПК G01F 23/28, опубл. 27.04.1999), включающий излучение и прием ультразвуковых импульсов, формирование реперного и измерительного временных интервалов, их цифровое преобразование соответственно с помощью синхро- и счетных импульсов и индикацию расстояния от акустического датчика до измеряемого уровня.
Недостатком известного способа является низкая точность измерения, обусловленная невозможностью учета временного интервала между началом отраженного ультразвукового импульса и моментом срабатывания порогового устройства, который может изменяться в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с изменяющимся коэффициентом затухания.
Известен способ компенсации погрешностей акустических локационных уровнемеров (заявка РФ №2006109659, МПК (2006.01) G01B 17/00, опубл. 10.10.2007), включающий излучение ультразвукового сигнала, прием ответного сигнала и измерение времени двунаправленного прохождения ультразвукового импульса от излучателя до отражателя и обратно, причем измеряют временной интервал между пиком максимальной амплитуды первого ответного сигнала и пиком максимальной амплитуды противоположной полярности второго ответного сигнала, который прямо пропорционален измеряемой длине.
Недостатком известного способа является низкая точность и стабильность измерения, обусловленная изменением формы как первого, так и второго ответных сигналов при волноводном распространении, которыми являются трубы, и возможным отсутствием второго ответного сигнала в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с большим коэффициентом затухания.
Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего снижение погрешности и повышение стабильности измерений в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с большим коэффициентом затухания.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, включающем излучение ультразвукового сигнала, прием ответного сигнала, измерение временного интервала между двумя сигналами и вычисление расстояния до отражающей поверхности производят путем умножения скорости распространения ультразвука в контролируемой среде на измеренный временной интервал.
Согласно изобретению после приема ответного сигнала производят его детектирование и преобразование в цифровой код, затем измеряют не менее трех временных интервалов, в которых мгновенное значение амплитуды ответного сигнала превышает пороговый уровень, и по величине порогового значения и изменению длительности этих временных интервалов определяют временную координату начала ответного сигнала и используют ее при расчете расстояния до отражающей поверхности.
Измерение не менее 3 временных интервалов, в которых мгновенное значение амплитуды ответного сигнала превышает пороговый уровень, позволяет определить временную координату начала ответного сигнала, что позволяет компенсировать погрешность измерения ультразвукового уровнемера. Использование 3 временных интервалов позволяет определить начало ответного сигнала с погрешностью не более λ/2. Уменьшение количества временных интервалов приводит к увеличению погрешности определения начала ответного сигнала, при использовании двух временных интервалов погрешность составит 2λ. Исключение второго ответного сигнала, которого может не быть в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с большим коэффициентом затухания, из процесса измерения повышает стабильность измерения.
На фиг.1 представлена диаграмма, иллюстрирующая предлагаемый способ.
На фиг.2 представлена схема устройства, иллюстрирующая предлагаемый способ.
На фиг.3 представлены осциллограммы.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит блок управления и индикации 1, выход которого соединен с генератором 2 и входом блока формирования временного интервала 3. Генератор 2 подключен к излучателю 4. Приемник 5 соединен с усилителем 6, выход которого связан с входом порогового устройства 7. К другому входу порогового устройства 7 подключен источник опорного напряжения 8 (ИОН) и блок управления и индикации 1. Выход порогового устройства 7 подключен к входу блока измерения временных интервалов 9 и входу блока формирования временного интервала 3, выход которого подключен к блоку управления и индикации 1. К другому входу блока измерения временных интервалов 9 подключен кварцевый генератор 10. Выход блока измерения временных интервалов 9 подключен к блоку управления и индикации 1.
Блок управления и индикации 1 может быть выполнен на микроконтроллере ATMEGA16 и семисегментных индикаторах типа DA56-11SRWA, для подсчета временного интервала используется внутренний таймер-счетчик. Блок формирования временного интервала 3 выполнен на стандартной микросхеме К1554ТМ2. В качестве порогового устройства 7 использован компаратор К521СА3. Генератор 2 может быть выполнен по схеме с разрядом накопительной емкости на тиристорах типа КУ104Г. Приемник 5 и излучатель 4 могут быть изготовлены из любой пьезокерамики, например ЦТС-19. Усилитель 6 может быть выполнен на операционном усилителе, например К544УД2. Источник опорного напряжения 8 выбран типовым REF 192 фирмы ANALOG DEVICES в стандартном включении, блок измерения временных интервалов 9 может быть выполнен на типовых двоичных реверсивных счетчиках с задержкой переключения меньшей частоты кварцевого генератора 10, например К1554ИЕ7, кварцевый генератор 10 может быть выполнен на типовой микросхеме, OSC 120 MHz.
Устройство работает следующим образом.
Блок управления и индикации 1 вырабатывает импульс запуска для ультразвукового генератора 2, этим же импульсом блок формирования временного интервала 3 устанавливается в состояние логической единицы. Генератор 2 возбуждает излучатель 4. Излученный ультразвуковой импульс распространяется по контролируемой среде и принимается приемником 5, усиливается усилителем 6 и поступает на вход порогового устройства 7. На второй вход порогового устройства 7 подается напряжение с источника опорного напряжения 8 (ИОН) U1. Как только напряжение на выходе усилителя 6 превысит напряжение U1, выход порогового устройства 7 переключится в состояние логической 1, которая сбрасывает блок формирования временного интервала 3 в состояние логического нуля (точка t1, фиг.1). Таким образом, на выходе блока формирования временного интервала 3 получится импульс, длительность которого равна времени (t1-t0). Блок управления и индикации 1 осуществляет вычисление этого временного интервала с помощью внутреннего таймера-счетчика. Как только напряжение на выходе усилителя 6 станет меньше U1, выход порогового устройства 7 сброситься в ноль и на его выходе получается первый временной интервал Δt1, переключение выхода порогового устройства 7 будет происходить до тех пор, пока амплитудное значение сигнала на выходе усилителя 6 будет превышать пороговое напряжение U1 и на его выходе будут формироваться временные интервалы Δt2, Δt3 и т.д. Блок измерения временных интервалов 9 производит измерение длительности импульсов, появляющихся на выходе порогового устройства 7. Блок управления и индикации 1 считывает данные с блока измерения временных интервалов 9, с источника опорного напряжения 8 (ИОН) и в соответствии с программой рассчитывает временную координату начала ответного сигнала. Используя эту координату, определяет расстояние до отражающей поверхности и производит индикацию этого расстояния.
В качестве примера рассмотрим определение расстояния предлагаемым способом. В воде на расстоянии 250 см от излучателя 4 был установлен приемник 5. Частота ультразвуковых сигналов составляла 600 кГц, соответственно длина волны λ равнялась 2,5 мм, а период колебаний Т равнялся 1,67 мкс. Излучение и прием ультразвуковых сигналов производили с помощью устройства, реализующего предлагаемый способ, и для сравнения наблюдали с помощью осциллографа GDS820G на выходе усилителя 6 (фиг.3, верхняя осциллограмма) и на выходе порогового устройства 7 (фиг.3, нижняя осциллограмма).
Временные интервалы на выходе порогового устройства, измеренные блоком измерения временных интервалов, имели длительности
Δt1=0,18 мкс, Δt2=0,55 мкс, Δt3=0,66 мкс.
Пороговое напряжение равнялось 0,5 В. По этим данным блок управления и индикации 1, в соответствии с алгоритмом, рассчитывает координаты 3 точек экстремумов [А(у1, х1), В(у2, х2), С(у3, х3)] по уравнениям:
в результате расчета блок управления и индикации 1 получает следующие значения координат:
у1=0,53; у2=0,979; у3=1,55;
х1=1700,9; х2=1702,57; x3=1704,24.
По этим координатам блок управления и индикации 1 составляет систему трех квадратных уравнений с тремя неизвестными:
Решает эту систему уравнений и находит коэффициенты а1, b1 и с1 и подставляет их в уравнение огибающей:
у=a1x2+b1x+c1
Затем, в соответствии с программой, находит точку пересечения огибающей с осью абсцисс, путем приравнивания уравнения к нулю и нахождения его решения:
a1x2+b1x+c1=0
Временная координата точки пересечения, определенная по этому уравнению, равна:
х=1697,67 мкс.
Измеренное осциллографом GDS 820G время tp составило 1698 мкс.
Ошибка измерения уровня Δh составила:
Δh=С*(1698-1697,67)=(1,5*106)*(0,33*10-6)=0,66 мм,
где С - скорость распространения ультразвука в воде.
Таким образом, экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня не превышает λ/2.
Способ компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, включающий излучение ультразвукового сигнала, его прием, измерение временного интервала между двумя сигналами и вычисление расстояния до отражающей поверхности путем умножения скорости распространения ультразвука в контролируемой среде на измеренный временной интервал, отличающийся тем, что после приема ответного сигнала производят преобразование его в цифровой код, затем измеряют не менее трех временных интервалов, в которых мгновенное значение амплитуды ответного сигнала превышает пороговый уровень и по величине порогового значения и изменению длительности этих временных интервалов определяют временную координату начала ответного сигнала и используют ее при расчете расстояния до отражающей поверхности.
