Способ компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора

Авторы патента:

Сорокин Павел Владимирович (RU)

Костина Мария Алексеевна (RU)

Солдатов Алексей Иванович (RU)

Солдатов Андрей Алексеевич (RU)

G01F23/28 - путем измерения параметров электромагнитных или звуковых волн, направленных непосредственно в жидкие или сыпучие тела

Владельцы патента RU 2748137:

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (RU)

Использование: 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. Сущность: способ компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора включает измерение временных интервалов между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением U1 и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением U2, превышающим пороговое напряжение U1 первого порогового устройства, преобразование этих временных интервалов в цифровой код, расчет временного интервала между срабатыванием первого порогового устройства и началом эхо-импульса из выражения: Δt = , где (t₂–t₁) – временной интервал между срабатыванием первого и второго пороговых устройств, определение временного интервала распространения ультразвукового импульса в контролируемой среде из выражения t_p=t₁-Δt, и определение расстояния до отражающей поверхности путем умножения временного интервала t_p на скорость распространения ультразвука в контролируемой среде и индикацию этого расстояния. При определении временных интервалов между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением U1 и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением U2 плавно уменьшают уровни пороговых напряжений U2 и U1 до тех пор, пока длительности этих временных интервалов скачкообразно не уменьшатся на величину не менее 3/4T, где T – период зондирующего сигнала, полученные при этом значения временных интервалов t₂ и t₁ используют для определения расстояния до отражающей поверхности. Технический результат: снижение погрешности измерений. 2 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 [RU 2358243 C1, МПК G01F23/28 (2006.01), опубл. 10.06.2009], включающий измерение временных интервалов между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением U1 и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением U2, превышающим пороговое напряжение U1 первого порогового устройства, преобразование этих временных интервалов в цифровой код, расчет временного интервала между срабатыванием первого порогового устройства и началом эхо-импульса из выражения

Δt = ,

где (t₂-t₁) – временной интервал между срабатыванием первого и второго пороговых устройств,

определение временного интервала распространения ультразвукового импульса в контролируемой среде из выражения

и определение расстояния до отражающей поверхности путем умножения временного интервала на скорость распространения ультразвука в контролируемой среде и индикацию этого расстояния.

Этот способ имеет низкую точность измерения. Погрешность достигает λ/2, где λ –длина волны ультразвукового импульса.

Техническим результатом изобретения является создание способа, обеспечивающего снижение погрешности измерений.

Предложенный способ компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора, так же как в прототипе, включает измерение временных интервалов между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением U1 и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением U2, превышающим пороговое напряжение U1 первого порогового устройства, преобразование этих временных интервалов в цифровой код, расчет временного интервала между срабатыванием первого порогового устройства и началом эхо-импульса из выражения

Δt = ,

где () – временной интервал между срабатыванием первого и второго пороговых устройств,

Согласно изобретению при определении временных интервалов между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением U1 и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением U2 плавно уменьшают уровни пороговых напряжений U2 и U1 до тех пор, пока длительности этих временных интервалов скачкообразно не уменьшатся на величину не менее , где – период зондирующего сигнала, полученные при этом значения временных интервалов и используют для определения расстояния до отражающей поверхности.

Такое определение временных интервалов и позволяет более точно определить временную координату ответного сигнала, и соответственно уменьшить погрешность измерения ультразвукового локатора.

На фиг. 1 показана схема устройства для осуществления предложенного способа.

На фиг. 2 представлены диаграммы эхо-сигнала, пороговые напряжения U1 и U2, а также временные интервалы между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств.

Способ осуществляли с помощью устройства для определения уровня жидкости, которое содержит блок управления и индикации 1, выход которого соединен с генератором ультразвуковых импульсов 2 и первым входом первого триггера 3 (фиг. 1). Генератор ультразвуковых импульсов 2 подключен к ультразвуковому излучателю 4. Ультразвуковой приемник 5 соединен с усилителем 6, выход которого подключен к входам первого 7 и второго 8 пороговых устройств. К другому входу первого порогового устройства 7 подключен выход первого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1). Выход второго источника опорного напряжения 10 (ИОН 2) подключен к входу второго порогового устройства 8. Выход первого порогового устройства 7 подключен к второму входу первого триггера 3. Выход второго порогового устройства 8 подключен к первому входу второго триггера 11. Блок управления и индикации 1 соединен с выходом второго триггера 11. Выход первого триггера 3 подключен к входу блока управления и индикации 1, который подключен к входам первого 9 (ИОН1) и второго 10 (ИОН2) источников опорного напряжения. Выход первого порогового устройства соединен со вторым входом второго триггера 11.

Блок управления и индикации 1 может быть выполнен на микроконтроллере ATMEGA16 и индикаторах DA56-11SRWA, в котором для подсчета временных интервалов используются два внутренних таймера-счетчика. Первый 3 и второй 11 триггеры выполнены на стандартных микросхемах К1554ТМ2. В качестве первого 7 и второго 8 пороговых устройств использованы микросхемы К521СА3. Генератор ультразвуковых импульсов 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, из ЦТС-19. Усилитель 6 может быть выполнен на операционном усилителе, например, 544УД2. Первый 9 и второй 10 источники опорного напряжения могут быть выполнены на цифро-аналоговом преобразователе DAC8531.

Устройство для определения уровня жидкости поместили в ванну размером 2000 х 200 х 200 мм. Ванну заполнили водой до уровня 1800 мм. При определении уровня жидкости блок управления и индикации 1 выработал импульс запуска для генератора ультразвуковых импульсов 2. Этим же импульсом первый триггер 3 установился в состояние логической единицы. Генератор ультразвуковых импульсов 2 передал импульс возбуждения на излучатель 4. Излученный ультразвуковой импульс распространился по воде до верхнего уровня, от которого произошло отражение и был принят приемником 5 и усилен усилителем 6. Сигнал с выхода усилителя 6 поступил на вход первого 7 и второго 8 пороговых устройств. На второй вход порогового устройства 7 подали напряжение от первого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1) . Выходное напряжение первого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1) , соответствовало цифровому коду, поступившему от блока управления и индикации 1. Как только напряжение на выходе усилителя 6 превысило напряжение , выход первого порогового устройства 7 переключился в состояние логической 1, которая сбросила первый триггер 3 в состояние логического нуля (точка на фиг. 2), а второй триггер 11 установился в состояние логической единицы. Одновременно сигнал с выхода усилителя 6 поступил на вход второго порогового устройства 8, на другой вход которого подано напряжение , от источника опорного напряжения 10 (ИОН 2), выходное напряжение которого соответствовало цифровому коду, поступившему от блока управления и индикации 1. Второе пороговое устройство 8 переключилось в состояние логической единицы, когда входное напряжение превысило напряжение , (точка на фиг. 2). Логическая единица на выходе второго порогового устройства 8 установила второй триггер 11 в состояние логического нуля. Таким образом, на выходе первого триггера 3 сформировался импульс, длительность которого равна времени (-), а на выходе второго триггера 8 импульс длительностью (-).

В начале пороговое напряжение от первого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1) равнялось 1,1 вольта, напряжение второго источника опорного напряжения 10 (ИОН 2) равнялось 2,2 вольта, период колебаний ультразвуковой волны Т = 8 мкс, временной интервал (-) равнялся 1216 мкс. Затем блок управления и индикации 1 уменьшил напряжение до 1,09 вольта, временной интервал (-) равнялся 1215,6 мкс. Затем блок управления и индикации 1 уменьшил напряжение до 1,04 вольта, измеренный временной интервал равнялся 1209 мкс. Изменение временного интервала составило

Это больше, чем .

При этом временной интервал (-) составил 15 мкс.

Затем блок управления и индикации 1 уменьшил напряжение до 2,19 вольта, измеренный временной интервал (-) равнялся 14,6 мкс. Затем блок управления и индикации 1 уменьшил напряжение до 2,12 вольта, измеренный временной интервал (-) равнялся 8 мкс. Изменение временного интервала составило

Это больше, чем .

Расчетный временной интервал распространения ультразвукового импульса составил:

Расчетный уровень воды составил:

Ошибка измерения уровня ∆h составила:

Экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня не превышает λ/6.

Способ компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора, включающий измерение временных интервалов между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением U1 и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением U2, превышающим пороговое напряжение U1 первого порогового устройства, преобразование этих временных интервалов в цифровой код, расчет временного интервала между срабатыванием первого порогового устройства и началом эхо-импульса из выражения

Δt = ,

где (t₂-t₁) - временной интервал между срабатыванием первого и второго пороговых устройств,

t_p=t₁-Δt,

и определение расстояния до отражающей поверхности путем умножения временного интервала t_p на скорость распространения ультразвука в контролируемой среде и индикацию этого расстояния, отличающийся тем, что при определении временных интервалов между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением U1 и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением U2 плавно уменьшают уровни пороговых напряжений U2 и U1, до тех пор, пока длительности этих временных интервалов скачкообразно не уменьшатся на величину не менее 3/4Т, где Т – период зондирующего сигнала, полученные при этом значения временных интервалов t₂ и t₁ используют для определения расстояния до отражающей поверхности.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к радиолокационным системам. Система содержит корпус замкнутого объема с агрессивной средой внутри и блок электронный для управления и обработки информации, территориально удаленный от корпуса замкнутого объема на определенное расстояние.

Система радарного уровнемера и способ, использующий моделирование траектории распространения сигнала // 2727855

Группа изобретений относится к системе радарного уровнемера и к способу определения уровня заполнения резервуара (танка) продуктом. Способ определения уровня заполнения резервуара продуктом содержит этапы, на которых генерируют и посылают передаваемый сигнал, обеспечивают распространение передаваемого сигнала по траектории его распространения в направлении поверхности продукта, причем данная траектория имеет прилегающий к трансиверу первый участок, для которого параметры распространения сигнала известны, и второй участок, прилегающий к первому участку, принимают отраженный сигнал, образованный в результате отражений от границ скачков импеданса, пересекаемых передаваемым сигналом, в том числе от поверхности продукта, на основе временного сдвига между передаваемым и отраженным сигналами определяют первое измерительное соотношение, на основе первого измерительного соотношения и известных параметров распространения сигнала определяют второе измерительное соотношение и на основе второго измерительного соотношения определяют уровень заполнения.

Система регистрации объема загружаемого материала, имеющая несколько радиолокационных датчиков // 2725696

Изобретение касается системы измерения уровня наполнения для регистрации топологии поверхности загружаемого материала или объема загружаемого материала в емкости, способа регистрации топологии поверхности загружаемого материала или объема загружаемого материала в емкости и компьютерно-читаемого носителя данных.

Гибкий радиоизотопный уровнемер // 2725669

Изобретение относится к области регистрации уровня продукта в бункере. Радиоизотопный уровнемер для измерения уровня продукта в бункере содержит источник радиоактивного излучения, множество сцинтилляторов, расположенных рядом с продуктом в бункере и разнесенных друг от друга напротив источника радиоактивного излучения, светочувствительную схему для обнаружения света, оптическое волокно для переноса света сцинтилляции от всех сцинтилляторов на светочувствительную схему, причем оптическое волокно внутренне отражает свет, переносимый от первого конца волокна ко второму концу волокна, свет сцинтилляции передается от каждого из сцинтилляторов в оптическое волокно через воздушное соединение, оптическое волокно испускает свет в ответ на поглощение света сцинтилляции от сцинтилляторов, а светочувствительная схема собирает испущенный из оптического волокна свет, чтобы обеспечить представление уровня поглощающего излучение продукта в бункере.

Способ измерения уровней многослойных сред и устройство для его осуществления // 2723978

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использована для измерения уровня и границ раздела сред в нефтеперерабатывающей, химической, пищевой промышленности.

Мультипараметрический волноводный радарный зонд // 2710516

Предложена мультипараметрическая система (10) детектирования уровня текучей среды, содержащая: волноводный радарный зонд (20), снабженный вмонтированными в него датчиками (24а-24n), которые предназначены для формирования сигналов, передатчик (44), передающий направленные микроволновые импульсы по зонду (20) вниз, приемник (40), принимающий отраженные микроволновые импульсы, и процессор (52), формирующий результат измерения уровня текучей среды и использующий для этого сигналы датчиков и разницу во времени между испусканием импульса и приемом отраженного импульса.

Способ измерения положения границы раздела двух веществ в резервуаре // 2706455

Изобретение может быть использовано для измерения положения границы раздела двух веществ, находящихся в резервуаре одно над другим и образующих плоскую границу раздела, в частности двух несмешивающихся жидкостей с разной плотностью, независимо от электрофизических параметров обоих веществ.

Автоподстроечный способ измерения малого значения уровня вещества // 2706453

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники. Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение процедуры измерения уровня вещества.

Полевое устройство, питаемое от токовой петли, с последовательно соединенными регулятором напряжения и источником тока // 2703721

Изобретение относится к области электротехники, в частности к полевому устройству для определения технологической переменной и обеспечения сигнала измерения. Технический результат заключается в обеспечении повышенной стабильности регулируемого петлевого тока.

Способ измерения положения границ раздела между компонентами трехкомпонентной среды в емкости // 2702698

Изобретение может быть использовано для определения положения границ раздела трехкомпонентной среды, например воздуха и жидкостей с разной плотностью. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей.