УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО УРОВНЕМЕРА

Полезная модель 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 для компенсации погрешностей акустических локационных уровнемеров (патент РФ №2129703 МПК опубл. 27.04.1999), включающее акустический датчик с излучателем, генератор зондирующих импульсов, приемник, усилитель, преобразователи временных интервалов, блок формирования счетных импульсов, блок индикации, блок стабилизации счетных импульсов, сумматор-усреднитель и корректирующую матрицу переключателей.
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 для компенсации погрешностей измерения длины труб (заявка РФ №2006109659 МПК (2006.01), G01B 17/00, опубл. 10.10.2007), включающее генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем, источник опорного напряжения, подключеннный к пороговому устройству и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок преобразования временного интервала в цифровой код и блок управления и индикации,.
Недостатком известного устройства является низкая стабильность измерения, обусловленная возможным отсутствием второго отраженного ультразвукового импульса в средах с большим коэффициентом затухания.
В полезной модели решается задача создания устройства, обеспечивающего компенсацию 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 устройстве компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, так же как в прототипе, включающем генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем, источник опорного напряжения, подключенный к пороговому устройству и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала и блок управления и индикации.
Согласно полезной модели последовательно соединены второй источник опорного напряжения, второе пороговое устройство и второй блок формирования временного интервала, подключенный к первому пороговому устройству и блоку управления и индикации, причем второе пороговое устройство подключено к усилителю.
За счет использования двух пороговых устройств с отличающимися порогами срабатывания, второго источника опорного напряжения и второго блока формирования временного интервала обеспечена возможность компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, обусловленная наличием временного интервала между началом эхо-импульса и моментом срабатывания порогового устройства.
На фиг.1 представлена диаграмма, поясняющая принцип работы устройства компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера
На фиг.2 представлена функциональная схема устройства компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера.
Устройство содержит блок управления и индикации 1, выход которого соединен с генератором ультразвуковых импульсов 2 и входом первого блока формирования временного интервала 3. 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 подключен первый источник опорного напряжения 9 (ИОН1), а второй источник опорного напряжения 10 (ИОН2) подключен к входу второго порогового устройства 8. Выход первого порогового устройства 7 подключен к входу первого блока формирования временного интервала 3 и входу второго блока формирования временного интервала 11. Выход второго порогового устройства 8 подключен к входу второго блока формирования временного интервала 11. Выход первого блока формирования временного интервала 3 подключен к входу блока управления и индикации 1, к которому подключен выход второго блока формирования временного интервала 11.
Блок управления и индикации 1 может быть выполнен на микроконтроллере ATMEGA16, для подсчета временных интервалов используются два внутренних таймера-счетчика. Первый 3 и второй 11 блоки формирования временного интервала выполнены на стандартных микросхемах К1554ТМ2. В качестве первого 7 и второго 8 пороговых устройств использованы компараторы 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 ЦТС-19. Усилитель 6 может быть выполнен на операционном усилителе например 544УД2. Первый 9 и второй 10 источники опорного напряжения выбраны типовыми REF 192 фирмы ANALOG DEVICES в стандартном включении.
Устройство работает следующим образом.
1
1
2
1
0
2
1
Блок управления и индикации 1 вырабатывает импульс запуска для ультразвукового генератора 2, этим же импульсом первый блок формирования временного интервала 3 устанавливается в состояние логической единицы. Генератор ультразвуковых импульсов 2 возбуждает излучатель 4. Излученный ультразвуковой импульс распространяется по контролируемой среде и принимается приемником 5, усиливается усилителем 6 и поступает на вход первого 7 и второго 8 пороговых устройств (фиг.2). На второй вход порогового устройства 7 подается напряжение с источника опорного напряжения 9 (ИОН1) U1. Как только напряжение на выходе усилителя 6 превысит напряжение U1, выход первого порогового устройства 7 переключится в состояние логической 1, которая сбросит первый блок формирования временного интервала 3 в состояние логического нуля (точка t фиг.1), а второй блок формирования временного интервала 11 установит в состояние логической единицы (точка t фиг.1). Одновременно сигнал с выхода усилителя 6 поступает на вход второго порогового устройства 8, на другой вход которого подается напряжение U2 с источника опорного напряжения 10 (ИОН2). Переключение второго порогового устройства 8 в состояние логической единицы произойдет, если входное напряжение превысит напряжение U2 (точка t фиг.1). Логическая единица на выходе второго порогового устройства 8 установит второй блок формирования временного интервала 11 в состояние логического нуля. Таким образом, на выходе первого блока формирования временного интервала 7 получится импульс, длительность которого равна времени (t-t), а на выходе второго блока формирования временного интервала 11 будет импульс длительностью t-t (фиг.1). Блок управления и индикации 1 осуществляет вычисление временного интервала Δt между приходом эхо-импульса и срабатыванием
p
первого порогового устройства, определяет время распространения ультразвукового импульса в контролируемой среде t, вычисляет расстояние до отражающей поверхности h и производит индикацию этого расстояния.
Расстояние до отражающей поверхности определяется по формуле:
p
h=C*t;
где С-скорость распространения ультразвука в контролируемой среде.
1
2
p-u
Для правильной работы устройства необходимо выполнение условия U2>U1. Предлагаемое устройство было использовано в ультразвуковом уровнемере светлых нефтепродуктов. U1 равнялось 1 вольт, U2 - 2 вольта, длина волны ультразвукового импульса λ - 4 мм, измеренное осциллографом GDS 820G время tравнялось 1215 мкс, t - 1221 мкс, t - 1208 мкс, расчетное время распространения составило:
Ошибка измерения уровня Δh составила:
Экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня не превышает λ/12.