УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО УРОВНЕМЕРА
MEASUREMENT ERROR COMPENSATION DEVICE OF ULTRASONIC LEVEL GAUGE

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, которое дополнительно содержит блок стабилизации количества счетных импульсов, включенный между выходом цифрового преобразователя реперного интервала и входом блока формирования счетных импульсов, корректирующую матрицу переключателей, подключенную 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 для измерения длины труб (заявка РФ №2006109659, МПК G01B 17/00, опубл. 10.10.2007), выбранное в качестве прототипа, включающее генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем и последовательно соединенные приемник, усилитель, пиковый детектор, пороговое устройство, блок формирования временного интервала и блок управления и индикации, источник опорного напряжения, подключенный к пороговому устройству.
Недостатком известного устройства является низкая стабильность измерения, обусловленная возможным отсутствием второго отраженного ультразвукового импульса в средах с большим коэффициентом затухания.
В изобретении 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 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 и блок управления и индикации, выход которого соединен с генератором и входом блока формирования временного интервала, а источник опорного напряжения подключен к пороговому устройству.
Согласно изобретению устройство дополнительно содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, блок формирования адреса и оперативное запоминающее устройство, причем аналого-цифровой преобразователь подключен к выходу усилителя и к входу данных оперативного запоминающего устройства, а блок управления и индикации связан с блоком формирования адреса с возможностью выдачи разрешения или запрещения на автономную работу блока формирования адреса и с выходом оперативного запоминающего устройства.
За счет использования аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства и блока формирования адреса появляется возможность определения временного интервала между началом эхо-импульса и моментом срабатывания порогового устройства и соответственно компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера. Исключение второго отраженного эхо-импульса, которого может не быть в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с изменяющимся коэффициентом затухания, из процесса измерения повышает стабильность измерения.
На фиг.1 представлена схема устройства.
На фиг.2 представлена диаграмма, иллюстрирующая предлагаемое устройство.
Устройство 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 подключен к входам порогового устройства 7 и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8. К другому входу порогового устройства 7 подключен источник опорного напряжения (ИОН) 9. Выход порогового устройства 7 подключен к входу блока формирования временного интервала 3, выход которого подключен к блоку управления и индикации 1. Выход аналого-цифрового преобразователя 8 подключен к входу данных оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 10. Второй выход аналого-цифрового преобразователя 8 подключен к блоку формирования адреса 11, выход которого подключен к блоку управления и индикации 1. Блок формирования адреса 11 связан с блоком управления и индикации 1.
c
АЦП
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 9 выбран типовым REF 192 фирмы ANALOG DEVICES в стандартном включении, аналого-цифровой преобразователь 8 выбран из условия, что время преобразования должно быть не менее чем в два раза меньше периода входного аналогового сигнала, например для входного сигнала частотой 1 мГц можно применить микросхему AD9057BRS40, оперативное запоминающее устройство 10 выбрано из требования максимального времени записи данных, что должно быть меньше времени преобразования аналого-цифрового преобразователя 8, и объема хранимых данных, которое должно быть больше чем 100*(T/t), например для частоты 1 мГц можно применить микросхему К565РУ5. Блок формирования адреса 11 может быть выполнен на типовых двоичных реверсивных счетчиках с задержкой переключения меньшей, чем время преобразования аналого-цифрового преобразователя 8, например К1554ИЕ7.
Устройство работает следующим образом.
1
1
0
p
Блок управления и индикации 1 выдает разрешение на автономную работу блока формирования адреса 11 и 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 аналого-цифрового преобразователя 8, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой вид. Эти данные поступают на вход данных оперативного запоминающего устройства 10 и записываются по адресу, сформированному блоком формирования адреса 11, одновременно аналого-цифровой преобразователь 8 выдает импульс на блок формирования адреса 11 для формирования следующего адреса и за время преобразования аналого-цифрового преобразователя 8 на выходе блока формирования адреса 11 сформируется следующий адрес. Одновременно сигнал с выхода усилителя 6 поступает на вход порогового устройства 7 (фиг.2). На второй вход порогового устройства 7 подается напряжение с источника опорного напряжения 9. Как только напряжение на выходе усилителя 6 превысит напряжение U1, выход порогового устройства 7 переключится в состояние логической единицы, которая сбросит блок формирования временного интервала 3 в состояние логического нуля (точка t фиг.1). Таким образом, на выходе блока формирования временного интервала 3 получится импульс, длительность которого равна времени (t-t). Блок управления и индикации 1 осуществляет вычисление этого временного интервала с помощью внутреннего таймера-счетчика. Одновременно с переключением блока формирования временного интервала 3 в состояние логического нуля блок управления и индикации 1 запрещает автономную работу блока формирования адреса 11 и осуществляет последовательную выборку данных из оперативного запоминающего устройства 10 для определения экстремумов и подсчета их количества, определяет время Δt между приходом эхо-импульса и срабатыванием порогового устройства, определяет время распространения ультразвукового импульса в контролируемой среде t вычисляет расстояние до отражающей поверхности и производит индикацию этого расстояния.
p
1
Предлагаемое устройство было использовано в ультразвуковом уровнемере светлых нефтепродуктов. U1 равнялось 2 В, длина волны ультразвукового импульса λ - 2,5 мм, измеренное осциллографом GDS 820G время t равнялось 1717 мкс, t - 1721, расчетное время распространения составило:
p
t=1721-(4/2)*1,7=1717,6.
Ошибка измерения уровня Δh составила:
6
-6
Δh=С*(1717-1717,3)=(1,5*10)*(0,6*10)=0,9 мм.
Экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня не превышает λ/2.