УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО СКВАЖИННОГО ГЛУБИНОМЕРА
DEVICE TO COMPENSATE ERROR OF MEASUREMENT OF ULTRASONIC WELL DEPTH GAUGE

Изобретение относится к ультразвуковым локационным устройствам, применяемым для измерения глубины скважин в горнодобывающей промышленности, судоходстве и других отраслях народного хозяйства.
Известно устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера (RU 75034 U1, МПК G01F23/28 (2006.01), опубл. 20.07.2008), содержащее генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем, источник опорного напряжения, подключенный к пороговому устройству, и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок управления и индикации. 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. Второе пороговое устройство подключено к усилителю.
Недостатком известного устройства является высокая погрешность измерения, обусловленная отклонением формы огибающей отраженных ультразвуковых импульсов от линейно-нарастающей за счет распространения в волноводе.
Известно устройство компенсации погрешности ультразвукового уровнемера (RU 2396521 С1, МПК G01F23/28 (2006.01), опубл. 10.08.2010), выбранное в качестве прототипа, 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. Входы блока измерения временных интервалов подключены к пороговому устройству и к кварцевому генератору, а выход - к блоку управления и индикации. Источник опорного напряжения подключен к входу блока управления и индикации.
Недостатком этого устройства является низкая точность и стабильность измерения, обусловленная изменением формы и амплитуды принятого ультразвукового сигнала при волноводном распространении, вследствие чего амплитуда принятого сигнала при различных дистанциях может изменяться немонотонно [Солдатов А.И., Сорокин П.В., Макаров В.С. Определение временного положения акустического импульса методом аппроксимации огибающей сигнала //Известия Южного федерального университета. Технические науки, 2009, - №10, - c.178-184], например, длительность третьего временного интервала может оказаться меньше длительности первого временного интервала или длительности всех измеренных временных интервалов могут оказаться одинаковыми. Это приводит к невозможности определения временной координаты начала принятого ультразвукового сигнала.
Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего снижение погрешности и повышение стабильности измерений при волноводном распространении ультразвуковых колебаний.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора, так же как прототип, содержит генератор ультразвуковых импульсов, подключенный к излучателю, и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала, блок измерения временного интервала и блок управления и индикации, выход которого связан с генератором и входом блока формирования временного интервала, источник опорного напряжения, подключенный к входу порогового устройства, кварцевый генератор, подключенный к блоку измерения временных интервалов.
Согласно изобретению второй генератор ультразвуковых импульсов подключен к второму излучателю, последовательно соединены второй приемник, второй усилитель, второе пороговое устройство, второй блок формирования временного интервала и второй блок измерения временного интервала, причем источник опорного напряжения подключен к второму входу второго порогового устройства, вход второго блока измерения временного интервала связан с кварцевым генератором, а выход второго блока измерения временного интервала подключен к блоку управления и индикации, выходы которого подключены ко второму генератору и второму блоку формирования временного интервала.
Использование второго генератора, подключенного ко второму излучателю, и последовательно соединенных второго приемника, второго усилителя, работающих на другой частоте, второго порогового устройства, второго блока формирования временного интервала и второго блока измерения временного интервала, когда источник опорного напряжения подключен к второму входу второго порогового устройства, вход второго блока измерения временного интервала связан с кварцевым генератором, а выход второго блока измерения временного интервала подключен к блоку управления и индикации, позволяет компенсировать погрешность измерения ультразвукового локатора и повышает стабильность измерения за счет нового алгоритма обработки, заключающегося в определении временной координаты начала ответного сигнала путем корректировки измеренных временных интервалов в первом и втором блоках измерения временного интервала.
На фиг. 1 представлена схема предложенного устройства.
На фиг. 2 представлена диаграмма, иллюстрирующая работу устройства.
Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового скважинного глубиномера (фиг. 1) содержит блок управления и индикации 1 (БУиИ), соединенный с первым 2 (Г1) и вторым 3 (Г2) генераторами. Выход первого генератора 2 (Г1) соединен с первым излучателем 4 (И1), выход второго генератора 3 (Г2) соединен со вторым излучателем 5 (И2). Первый приемник 6 (П1) соединен с первым усилителем 7 (У1), выход которого связан с входом первого порогового устройства 8 (ПУ1). К другому входу первого порогового устройства 8 (ПУ1) подключен источник опорного напряжения 9 (ИОН). Выход первого порогового устройства 8 (ПУ1) подключен к входу первого блока формирования временного интервала 10 (БФВИ1), к другому входу которого подключен блок управления и индикации 1 (БУиИ). Выход первого блока формирования временного интервала 10 (БФВИ1) подключен к первому входу первого блока измерения временных интервалов 11 (БИВИ1), второй вход которого связан с кварцевым генератором 12 (КГ). Выход первого блока измерения временных интервалов 11 (БИВИ1) связан с блоком управления и индикации 1 (БУиИ). Второй приемник 13 (П2) соединен со вторым усилителем 14 (У2), выход которого связан с входом второго порогового устройства 15 (ПУ2). К другому входу второго порогового устройства 15 (ПУ2) подключен источник опорного напряжения 9 (ИОН). Выход второго порогового устройства 15 (ПУ2) подключен к входу второго блока формирования временного интервала 16 (БФВИ2), к другому входу которого подключен блок управления и индикации 1 (БУиИ). Выход второго блока формирования временного интервала 16 (БФВИ2) подключен к второму блоку измерения временных интервалов 17 (БИВИ2), к второму входу которого подключен кварцевый генератор 12 (КГ). Выход второго блока измерения временных интервалов 17 (БИВИ2) связан с блоком управления и индикации 1 БУиИ).
Блок управления и индикации 1 (БУиИ) может быть выполнен на микроконтроллере ATMEGA16 и семисегментных индикаторах типа DA56-11SRWA. Блоки формирования временного интервала 10 (БФВИ1) и 16 (БФВИ2) выполнены на стандартной микросхеме К1554ТМ2. Генераторы 2 (Г1) и 3 (Г2) могут быть выполнены по схеме с разрядом накопительной емкости на тиристорах типа КУ104Г. Излучатели 4 (И1) и 5 (И2), приемники 6 (П1) и 13 (П2) могут быть изготовлены из любой пьезокерамики, например ЦТС-19. Усилители 7 (У1) и 14 (У2) могут быть выполнены на операционном усилителе, например К544УД2. В качестве порогового устройства 8 (ПУ1) и 15 (ПУ2) может использоваться компаратор К521СА3. Блоки измерения временного интервала 11 (БИВИ1) и 17 (БИВИ2) могут быть выполнены на стандартных микросхемах, например К1554ИЕ7. Источник опорного напряжения 9 (ИОН) выбран типовым REF 192 фирмы ANALOG DEVICES в стандартном включении. Кварцевый генератор 12 (КГ) может быть выполнен на микросхеме KXO-V97 50.0 фирмы GEYER в стандартном включении.
Устройство работает следующим образом.
1
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
Блок управления и индикации 1 (БУиИ) вырабатывает импульс запуска для первого генератора 2 (Г1), этим же импульсом первый блок формирования временного интервала 10 (БФВИ1) устанавливается в состояние логической единицы. Первый генератор 2 (Г1) возбуждает первый излучатель 4 (И1). Излученный ультразвуковой импульс распространяется по контролируемой среде и принимается первым приемником 6 (П1), усиливается первым усилителем 7 (У1) и поступает на вход первого порогового устройства 8 (ПУ1). На второй вход первого порогового устройства 8 (ПУ1) подается напряжение U1 от источника опорного напряжения 9 (ИОН). Как только напряжение на выходе первого усилителя 7 (У1) превысит напряжение U1, выход первого порогового устройства 8 (ПУ1) переключится в состояние логической единицы, которая сбрасывает первый блок формирования временного интервала 10 (БФВИ1) в состояние логического нуля (точка t фиг. 2). Таким образом, на выходе первого блока формирования временного интервала 10 (БФВИ1) получится импульс, длительность которого равна времени
. Этот импульс поступает в первый блок измерения временного интервала 11 (БИВИ1), на второй вход которого поступают импульсы с кварцевого генератора 12 (КГ). Данные о длительности первого временного интервала поступают в блок управления и индикации 1 (БУиИ).
2
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
Затем блок управления и индикации 1 (БУиИ) вырабатывает импульс запуска для второго генератора 3 (Г2), этим же импульсом второй блок формирования временного интервала 15 (БФВИ2) устанавливается в состояние логической единицы. Второй генератор 3 (Г2) возбуждает второй излучатель 5 (И2). Излученный ультразвуковой импульс распространяется по той же контролируемой среде и принимается вторым приемником 13 (П2), усиливается вторым усилителем 14 (У2) и поступает на вход второго порогового устройства 15 (ПУ2). На второй вход второго порогового устройства 15 (ПУ2) подается напряжение U1 с источника опорного напряжения 9 (ИОН). Как только напряжение на выходе второго усилителя 14 (У2) превысит напряжение U1, выход второго порогового устройства 15 (ПУ2) переключится в состояние логической единицы, которая сбрасывает второй блок формирования временного интервала 16 (БФВИ2) в состояние логического нуля (точка t фиг. 1). Таким образом, на выходе второго блока формирования временного интервала 16 (БФВИ2) получится импульс, длительность которого равна времени
. Этот импульс поступает во второй блок измерения временного интервала 17 (БИВИ2), на второй вход которого поступают импульсы с кварцевого генератора 12 (КГ). Данные о длительности второго временного интервала поступают в блок управления и индикации 1 (БУиИ). Блок управления и индикации 1 (БУиИ) осуществляет коррекцию обоих временных интервалов в соответствии с выражением:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>i</mi><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mi>i</mi><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
, (1)
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
где
- период колебаний первой ультразвуковой волны,
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
- период колебаний второй ультразвуковой волны,
i- номер коррекции,
<mrow><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub></mrow>
- первый скорректированный временной интервал,
<mrow><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></msub></mrow>
- второй скорректированный временной интервал.
После того как разность между скорректированными первым и вторым временными интервалами будет меньше чем четверть периода ультразвуковых колебаний:
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo><</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
, (2)
<mrow><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub></mrow>
процесс коррекции прекращается и полученный первый временной интервал
считается временной координатой начала ответного сигнала. Используя эту координату, блок управления и индикации 1 (БУиИ) определяет расстояние до отражающей поверхности и производит индикацию этого расстояния.
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>λ</mi><mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
В качестве примера рассмотрим определение расстояния в трубе длиной 250 см, заполненной водой, в которой были установлены излучатели 4 (И1) и 5 (И2) и приемники 6 (П1) и 13 (П2). Частота ультразвуковых колебаний первого излучателя 4 (И1) и первого приемника 6 (П1) составляла 600 кГц, соответственно длина волны
равнялась 2,5 мм, а период колебаний
равнялся 1,67 мкс. Частота ультразвуковых колебаний второго излучателя 5 (И2) и второго приемника 13 (П2) составляла 900 кГц, соответственно длина волны
равнялась 1,67 мм, а период колебаний
равнялся 1,11 мкс. Временные интервалы между излученным и принятым импульсами, измеренные блоками измерения временных интервалов 11 (БИВИ1) и 17 (БИВИ2), имели длительности
1
2
Δt=328,7 мкс, Δt=326,8 мкс.
Временные интервалы между излученными и отраженными ультразвуковыми импульсами, измеренные блоками измерения временных интервалов 11 (БИВИ1) и 17 (БИВИ2), имели длительности
1
Δt=328,7 мкс,
2
Δt=326,8 мкс.
При коррекции по формулам 1 и 2 получили следующий набор значений:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>338</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>*</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>67</mn><mo>=</mo><mn>337</mn><mo>,</mo><mn>03</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>336</mn><mo>,</mo><mn>8</mn><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>*</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>11</mn><mo>=</mo><mn>335</mn><mo>,</mo><mn>69</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
1)
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>3</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>></mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>67</mn></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
.
После первой коррекции (i=1) получили значение, превышающее четверть периода ультразвуковых колебаний. Провели вторую коррекцию:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>338</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>*</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>67</mn><mo>=</mo><mn>335</mn><mo>,</mo><mn>36</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>336</mn><mo>,</mo><mn>8</mn><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>*</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>11</mn><mo>=</mo><mn>334</mn><mo>,</mo><mn>58</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
2)
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>78</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo>></mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>67</mn></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
.
После второй коррекции (i=2) получили значение, превышающее четверть периода ультразвуковых колебаний. Провели третью коррекцию:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>338</mn><mo>,</mo><mn>7</mn><mo>−</mo><mn>3</mn><mo>*</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>67</mn><mo>=</mo><mn>333</mn><mo>,</mo><mn>69</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>336</mn><mo>,</mo><mn>8</mn><mo>−</mo><mn>3</mn><mo>*</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>11</mn><mo>=</mo><mn>333</mn><mo>,</mo><mn>47</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
3)
<mrow><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>2</mn></msub></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>22</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>с</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo><</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>67</mn></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
.
После третьей коррекции (i=3) получили разность времен первого и второго интервала меньше четверти периода ультразвуковых колебаний.
В результате расчета, блок управления и индикации 1 (БУиИ) получил следующее значение временного интервала:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>333</mn><mo>,</mo><mn>69</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi></mrow>
.
Используя это значение временного интервала, блок управления и индикации 1 (БУиИ) определил расстояние до отражающей поверхности и произвел индикацию этого расстояния.
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mi>C</mi><mo>*</mo><mi>Δ</mi><msub><msup><mi>t</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>1500</mn><mo>*</mo><mn>333</mn><mo>,</mo><mn>69</mn><mtext> </mtext><mo>*</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>6</mn></mrow></msup><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>=</mo><mn>250</mn><mo>,</mo><mn>28</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow>
,
где С - скорость распространения ультразвука в воде.
Ошибка измерения уровня ∆h составила:
∆h=250-250,28=0,28 мм.
Таким образом, экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня составила λ/6.