Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера
Владельцы патента RU 2396521:
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: устройство содержит генератор ультразвуковых импульсов, подключенный к излучателю и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала, блок управления и индикации, выход которого связан с генератором и входом блока формирования временного интервала, источник опорного напряжения, подключенный к входу порогового устройства. Кроме того, устройство содержит кварцевый генератор и блок измерения временных интервалов, входы которого подключены к пороговому устройству и к кварцевому генератору, а выход - к блоку управления и индикации. При этом источник опорного напряжения подключен к входу блока управления и индикации. 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.
Известно устройство компенсации погрешностей акустических локационных уровнемеров (патент РФ №2129703, МПК G01F 23/28, опубл. 27.04.1999), включающее в себя акустический датчик с излучателем, подключенным входом к выходу генератора зондирующих импульсов, и приемником, соединенным выходом через усилитель со входом разделителя реперного и измерительного сигналов, реперный отражатель, расположенный на фиксированном расстоянии от акустического датчика, цифровые преобразователи реперного и измерительного временных интервалов, тактирующие входы которых подключены к соответствующим выходам синхронизатора, а информационные входы - к соответствующим выходам разделителя реперных и измерительных сигналов, блок формирования счетных импульсов, тактирующий вход которого соединен с соответствующим выходом синхронизатора, а выход - со счетным входом цифрового преобразователя измерительного интервала, и блок цифровой индикации расстояния от акустического датчика до измеряемого уровня, содержащее блок стабилизации количества счетных импульсов, включенный между выходом цифрового преобразователя реперного интервала и входом блока формирования счетных импульсов, корректирующая матрица переключателей, подключенная к входам загрузки цифрового преобразователя реперного интервала, блок стабилизации количества счетных импульсов, выполненный в виде сумматора-усреднителя кода, подлежащего преобразованию в частоту в блоке формирования счетных импульсов, между выходом цифрового преобразователя измерительного интервала и входом блока цифровой индикации расстояния от акустического датчика до измеряемого уровня включен дополнительный сумматор-усреднитель кода, при этом тактирующие входы обоих сумматоров-усреднителей кода соединены с соответствующими выходами синхронизатора.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, обусловленная невозможностью учета временного интервала между началом отраженного ультразвукового импульса и моментом срабатывания порогового устройства, которое может изменяться в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с изменяющимся коэффициентом затухания.
Известно устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера (патент на полезную модель РФ №75034, МПК (2006.01) G01F 23/28, опубл. 20.07.2008), выбранное в качестве прототипа, включающее генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем, и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала и блок управления и индикации, источник опорного напряжения, подключенный к пороговому устройству.
Недостатком известного устройства является высокая погрешность измерения, обусловленная отклонением формы огибающей отраженных ультразвуковых импульсов от линейно-нарастающей за счет распространения в волноводе.
В изобретении решается задача создания устройства, обеспечивающего компенсацию погрешности измерения ультразвукового уровнемера.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера так же, как в прототипе, содержит генератор ультразвуковых импульсов, подключенный к излучателю, и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала, блок управления и индикации, выход которого связан с генератором и входом блока формирования временного интервала, источник опорного напряжения, подключенный к входу порогового устройства.
Согласно изобретению устройство дополнительно содержит кварцевый генератор и блок измерения временных интервалов, входы которого подключены к пороговому устройству и к кварцевому генератору, а выход - к блоку управления и индикации, при этом источник опорного напряжения подключен к входу блока управления и индикации.
Предложенная схема устройства компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера позволяет компенсировать погрешность измерения ультразвукового уровнемера.
На фиг.1 представлена схема устройства.
На фиг.2 представлена диаграмма, иллюстрирующая принцип работы предлагаемого устройства.
На фиг.3 представлен пример осциллограмм эхо-импульса и импульного сигнала с изменяемой длительностью на выходе порогового устройства.
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 MГц.
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 с помощью предлагаемого устройства. 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 заявляемого устройства и для сравнения наблюдали сигналы 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 трех точек экстремумов [A(y1, х1), В(у2, х2), С(у3, x3)] по уравнениям:
x1=t1+Δt1/2, x2=t1+2T+Δt2/2, x3=t1+4T+Δt3/2,
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.
Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, содержащее генератор ультразвуковых импульсов, подключенный к излучателю, и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала, блок управления и индикации, выход которого связан с генератором и входом блока формирования временного интервала, источник опорного напряжения, подключенный к входу порогового устройства, отличающееся тем, что дополнительно содержит кварцевый генератор и блок измерения временных интервалов, входы которого подключены к пороговому устройству и к кварцевому генератору, а выход - к блоку управления и индикации, при этом источник опорного напряжения подключен к входу блока управления и индикации.
