СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЛОКАТОРА
METHOD TO COMPENSATE FOR ERROR OF MEASUREMENT OF ULTRASONIC LOCATOR

Изобретение относится к ультразвуковым локационным устройствам, используемым для измерения глубины скважин в горно-добывающей промышленности, судоходстве и других отраслях народного хозяйства.
6
Известен способ компенсации погрешностей акустических локационных уровнемеров (RU 2129703 C1, МПК G01F23/28, опубл. 27.04.1999), в котором осуществляют излучение и прием ультразвуковых импульсов, формирование реперного и измерительного временных интервалов, усиление принятых импульсов, их разделение, цифровое преобразование реперного интервала с помощью синхроимпульсов, формирование счетных импульсов, цифровое преобразование измерительного интервала с помощью счетных импульсов и цифровую индикацию расстояния от акустического датчика до измеряемого уровня. Для исключения случайных ошибок измерения стабилизируют количество счетных импульсов на реперном интервале. Для исключения систематических ошибок измерения при цифровом преобразовании реперного интервала с его кодом суммируют корректирующий код. Для стабилизации количества счетных импульсов на реперном интервале полученный код запоминают и усредняют по числу фактически принятых и превысивших заданный порог ультразвуковых импульсов. В процессе формирования счетных импульсов частоту их следования устанавливают в зависимости от усредненного кода реперного интервала, а код измерительного интервала усредняют по числу фактически принятых и превысивших заданный порог ультразвуковых импульсов независимо от числа принятых реперных импульсов.
Недостатком известного способа 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.
Известен способ компенсации погрешностей ультразвукового уровнемера (RU 2389982 C1, МПК G01F 23/28 (2006.01), опубл. 20.05.2010), выбранный в качестве прототипа, включающий излучение ультразвукового сигнала, его прием, измерение временного интервала между двумя импульсами, его преобразование в цифровой код, измерение не менее трех временных интервалов, в которых мгновенное значение амплитуды принятого ультразвукового сигнала превышает пороговый уровень. По изменению длительности этих временных интервалов вычисляют временную координату начала эхо-импульса и используют ее при расчете расстояния до отражающей поверхности путем умножения скорости распространения ультразвука в контролируемой среде на измеренный временной интервал.
Недостатком этого способа является низкая точность и стабильность измерения, обусловленная изменением формы принятого ультразвукового сигнала при волноводном распространении, вследствие чего длительность измеренных трех временных интервалов может изменяться немонотонно, 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 способа, обеспечивающего снижение погрешности и повышение стабильности измерений при волноводном распространении ультразвуковых колебаний.
Поставленная задача решена за счет того, что в способе компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора, также как в прототипе, осуществляют излучение ультразвукового сигнала, прием ответного сигнала, измерение временного интервала между излученным и принятым сигналами и определение расстояния до отражающей поверхности путем умножения скорости распространения ультразвука в контролируемой среде на измеренный временной интервал.
Согласно изобретению излучение, прием ультразвуковых сигналов и измерение временных интервалов между излученным и принятым ультразвуковым сигналами производят на двух частотах с разными периодами. После измерения временных интервалов между излученным и принятым сигналами производят сравнение этих временных интервалов и их коррекцию в соответствии с выражением:
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo><</mo><mfrac bevelled="true"><mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mn>4</mn></mfrac></mrow>
,
<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><mi>t</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
- первый измеренный временной интервал,
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
- второй измеренный временной интервал,
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mi>i</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
полученное значение временного интервала
используют при определении расстояния до отражающей поверхности.
За счет излучения и приема ультразвуковых сигналов на двух частотах, определения и корректировки двух временных интервалов появляется возможность определения временной координаты начала ответного сигнала, что позволяет компенсировать погрешность измерения ультразвукового локатора. Использование скорректированных временных интервалов позволяет определить расстояние до отражающей поверхности с погрешностью не более λ/4, так как окончание временного интервала всегда происходит на первой четверти периода ответного сигнала, максимальное значение которого соответствует λ/4. Излучение и прием ультразвуковых сигналов на двух частотах повышает стабильность измерения.
На фиг. 1 представлена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.
На фиг. 2 представлена диаграмма, иллюстрирующая предлагаемый способ.
Устройство, реализующее предлагаемый способ (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 с 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 входу первого блока измерения временного интервала 11 (БИВИ1), выход которого подключен к блоку управления и индикации 1 (БУиИ). Второй приемник 12 (П2) соединен со вторым усилителем 13 (У2), выход которого связан с входом второго порогового устройства 14 (ПУ2), к другому входу которого подключен источник опорного напряжения 9 (ИОН). Выход второго порогового устройства 14 (ПУ2) подключен к входу второго блока формирования временного интервала 15 (БФВИ2), к другому входу которого подключен блок управления и индикации 1 (БУиИ). Выход второго блока формирования временного интервала 15 (БФВИ2) подключен к входу второго блока измерения временного интервала 16 (БИВИ2), выход которого подключен к блоку управления и индикации 1 (БУиИ).
Блок управления и индикации 1 (БУиИ) может быть выполнен на микроконтроллере ATMEGA16 и семисегментных индикаторах типа DA56-11SRWA. 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 12 (П2) могут быть изготовлены из любой пьезокерамики, например, ЦТС-19. Усилители 7 (У1) и 13 (У2) могут быть выполнены на операционных усилителях, например, К544УД2. В качестве пороговых устройств 8 (ПУ1) и 14 (ПУ2) можно использовать компараторы К521СА3. Блоки формирования временного интервала 10 (БФВИ1) и 15 (БФВИ2) могут быть выполнены на стандартных микросхемах К1554ТМ2. Блоки измерения временного интервала 11 (БИВИ1) и 16 (БИВИ2) могут быть выполнены на стандартных микросхемах, например, К1554ИЕ7. Источник опорного напряжения 9 (ИОН) выбран типовым REF 192 фирмы ANALOG DEVICES в стандартном включении.
Устройство работает следующим образом.
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mrow /><mrow><msub><mrow /><mn>1</mn></msub></mrow></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), который излучает ультразвуковые колебания с периодом
. 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 1, которая сбрасывает первый блок формирования временного интервала 10 (БФВИ1) в состояние логического нуля (точка t
на фиг. 2). Таким образом, на выходе первого блока формирования временного интервала 10 (БФВИ1) получится импульс, длительность которого равна времени
<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>
,
<mrow><msub><mi>t</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
где
- начальный момент времени излучения ультразвукового импульса.
Этот импульс поступает в первый блок измерения временного интервала 11 (БИВИ1). Данные о длительности первого временного интервала поступают в блок управления и индикации 1 (БУиИ).
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
t
2
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), который излучает ультразвуковые колебания с периодом
. Излученный ультразвуковой импульс распространяется по той же контролируемой среде и принимается вторым приемником 12 (П2), усиливается вторым усилителем 13 (У2) и поступает на вход второго порогового устройства 14 (ПУ2). На второй вход второго порогового устройства 14 (ПУ2) подается напряжение U1 от источника опорного напряжения 9 (ИОН). Как только напряжение на выходе второго усилителя 13 (У2) превысит напряжение U1, выход второго порогового устройства 14 (ПУ2) переключится в состояние логической 1, которая сбрасывает второй блок формирования временного интервала 10 (БФВИ2) в состояние логического нуля (точка на фиг. 2). Таким образом, на выходе второго блока формирования временного интервала 15 (БФВИ2) получится импульс, длительность которого равна времени
<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>
.
Этот импульс поступает во второй блок измерения временного интервала 16 (БИВИ2). 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><mo>⋅</mo><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><mo>⋅</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<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><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<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, определяют расстояние до отражающей поверхности и производят индикацию этого расстояния.
1
2
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
В качестве примера рассмотрим определение расстояния предлагаемым способом. В трубе длиной 250 см, заполненной водой, были установлены излучатели 4 (И1) и 5 (И2), а также приемники 6 (П1) и 12 (П2). На противоположном конце трубы был закреплен отражатель. Частота ультразвуковых колебаний первого излучателя 4 (И1) и первого приемника 6 (П1) составляла 600 кГц, соответственно длина волны λ=2,5 мм, а период колебаний
=1,67 мкс. Частота ультразвуковых колебаний второго излучателя 5 (И2) и второго приемника 12 (П2) составляла 900 кГц, соответственно длина волны λ=1,67 мм, а период колебаний
=1,11 мкс.
Временные интервалы между излученными и отраженными ультразвуковыми импульсами, измеренные блоками измерения временных интервалов 11 (БИВИ1) и 16 (БИВИ2), имели длительности
t
1
Δ=328,7 мкс,
t
2
Δ=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>
.
i
После первой коррекции (=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>
i
После второй коррекции (=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>
.
i
После третьей коррекции (=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>2</mn><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.