УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЛОКАТОРА
DEVICE FOR COMPENSATION OF ERROR OF MEASUREMENT OF ULTRASONIC LOCATOR

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 G01F 23/28 (2006.01), опубл. 20.07.2008], включающее генератор ультразвуковых сигналов, соединенный с излучателем, источник опорного напряжения, подключенный к пороговому устройству, и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала, блок управления и индикации, и последовательно соединенные второй источник опорного напряжения, второе пороговое устройство и второй блок формирования временного интервала, подключенный к первому пороговому устройству и к блоку управления и индикации, причем второе пороговое устройство подключено к усилителю.
Недостатком известного устройства является высокая погрешность измерения, обусловленная отклонением формы огибающей принятых ультразвуковых сигналов от линейно нарастающей за счет распространения в волноводе.
Известно устройство компенсации погрешностей ультразвукового скважинного глубиномера [RU 2544311 С1, МПК G01N 29/36 (2006.01), опубл. 20.03.2015], выбранное в качестве прототипа, содержащее 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. 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. Источник опорного напряжения подключен к второму входу второго порогового устройства. Вход второго блока измерения временного интервала связан с кварцевым генератором. Выход второго блока измерения временного интервала подключен к блоку управления и индикации, выходы которого подключены ко второму генератору и второму блоку формирования временного интервала.
Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, обусловленная невозможностью определения фазы срабатывания порогового устройства, которое может изменяться от 0 до π/4.
Задачей изобретения является создание устройства компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора, обеспечивающего снижение погрешности измерений при волноводном распространении ультразвуковых колебаний.
Предложенное устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора, так же как в прототипе, содержит два независимых канала, каждый из которых содержит генератор ультразвуковых сигналов, подключенный к излучателю, и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала, блок измерения временного интервала, при этом к первому и второму пороговому устройству подключен источник опорного напряжения, а к первому и второму блоку измерения временных интервалов подключен кварцевый генератор.
Согласно изобретению третий блок измерения временного интервала подключен к первому пороговому устройству, к кварцевому генератору и блоку управления, который связан с первым и вторым генератором, с первым и вторым блоком формирования временного интервала, с первым и вторым блоком измерения временного интервала и с блоком индикации.
За счет использования третьего блока измерения временного интервала появилась возможность измерить временной интервал, в котором мгновенное значение амплитуды принятого сигнала ультразвуковой волны первой частоты превышает пороговый уровень, и на основе этого определить временную координату принятого сигнала ультразвуковой волны первой частоты. Это позволяет компенсировать погрешность измерения ультразвукового локатора.
На фиг. 1 представлена схема устройства компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора.
На фиг. 2 представлена диаграмма, иллюстрирующая работу устройства.
Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора (фиг. 1) содержит блок управления 1 (БУ), 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 измерения временного интервала 10 (БИВИ1) и к входу первого блока формирования временного интервала 11 (БФВИ1), к другому входу которого подключен блок управления 1 (БУ). Выход первого блока формирования временного интервала 11 (БФВИ1) подключен к входу второго блока измерения временного интервала 12 (БИВИ2), выход которого подключен к блоку управления 1 (БУ). Выход первого блока измерения временного интервала 10 (БИВИ1) подключен к блоку управления 1 (БУ). Второй приемник 13 (П2) соединен со вторым усилителем 14 (У2), выход которого связан с входом второго порогового устройства 15 (ПУ2), к другому входу которого 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 1 (БУ). Выход второго блока формирования временного интервала 16 (БФВИ2) подключен к входу третьего блока измерения временного интервала 17 (БИВИ3), выход которого подключен к блоку управления 1 (БУ). Кварцевый генератор 18 (КГ) подключен к входу первого блока измерения временного интервала 10 (БИВИ1), к входу второго блока измерения временного интервала 12 и к входу третьего блока измерения временного интервала 17 (БИВИ3). Блок управления 1 (БУ) подключен к блоку индикации 19 (БИ).
Блок управления 1 (БУ) может быть выполнен на микроконтроллере ATMEGA16. 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 операционных усилителях, например К544УД2. В качестве пороговых устройств 8 (ПУ1) и 15 (ПУ2) можно использовать компараторы К521СА3. Блоки формирования временного интервала 11 (БФВИ1) и 16 (БФВИ2) могут быть выполнены на стандартных микросхемах К1554ТМ2. Блоки измерения временного интервала 10 (БИВИ1), 12 (БИВИ2) и 17 (БИВИ3) могут быть выполнены на стандартных микросхемах, например К1554ИЕ7. Источник опорного напряжения 9 (ИОН) выбран типовым REF 192 фирмы ANALOG DEVICES в стандартном включении. Использован стандартный кварцевый генератор 18 (КГ) фирмы Geyer Electronic KXO-V97-V1. Блок индикации 19 (БИ) выполнен на семисегментных индикаторах типа DA56-11SRWA.
1
1
2
2
В качестве примера рассмотрим определение расстояния предлагаемым устройством. В трубе длиной 250 см, заполненной водой, были установлены излучатели 4 (И1) и 5 (И2), а также приемники 6 (П1) и 13 (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 Т=1,67 мкс. Частота ультразвуковых колебаний второго излучателя 5 (И2) и второго приемника 13 (П2) составляла 900 кГц, соответственно длина волны λ=1,67 мм, а период колебаний Т=1,11 мкс.
1
1
Блок управления 1 (БУ) вырабатывал сигнал запуска для первого генератора 2 (Г1), этим же сигналом первый блок формирования временного интервала 11 (БФВИ1) устанавливался в состояние логической 1. Первый генератор 2 (Г1) возбуждал первый излучатель 4 (И1), который излучал ультразвуковые сигналы с периодом T. Излученный ультразвуковой сигнал распространялся по контролируемой среде и принимался первым приемником 6 (П1), усиливался первым усилителем 7 (У1) и поступал на вход первого порогового устройства 8 (ПУ1). На второй вход первого порогового устройства 8 (ПУ1) подавалось напряжение U1 от источника опорного напряжения 9 (ИОН). Как только напряжение на выходе первого усилителя 7 (У1) превысило напряжение U1, выход первого порогового устройства 8 (ПУ1) переключился в состояние логической 1, которая сбросила первый блок формирования временного интервала 11 (БФВИ1) в состояние логического 0 (точка t на фиг. 2). Таким образом, на выходе первого блока формирования временного интервала 11 (БФВИ1) получился сигнал, длительность которого равна времени:
1
1
0
Δt=t-t,
0
где t - начальный момент времени излучения ультразвукового сигнала первой частоты.
Этот сигнал поступил во второй блок измерения временного интервала 12 (БИВИ2), на второй вход второго блока измерения временного интервала 12 (БИВИ2) поступил сигнал с кварцевого генератора 18 (КГ). Данные о длительности второго временного интервала поступили в блок управления 1 (БУ). Кроме того, логическая 1 на выходе первого порогового устройства 8 (ПУ1) разрешила работу первого блока измерения временного интервала 10 (БИВИ1). На второй вход первого блока измерения временного интервала 10 (БИВИ1) поступил сигнал с кварцевого генератора 18 (КГ).
3
Как только напряжение на выходе первого усилителя 7 (У1) стало меньше напряжения U1, выход первого порогового устройства 8 (ПУ1) переключился в состояние логического 0, которое остановило работу первого блока измерения временного интервала 10 (БИВИ1) (точка t на фиг. 2). Данные с первого блока измерения временного интервала 10 (БИВИ1) поступили в блок управления 1 (БУ), который вычислил корректирующее значение:
,
1
где Т - период колебаний ультразвукового сигнала первой частоты,
t - временной интервал, в котором мгновенное значение амплитуды принятого ультразвукового сигнала первой частоты превышает пороговый уровень.
2
2
Затем блок управления 1 (БУ) выработал сигнал запуска для второго генератора 3 (Г2), этим же сигналом второй блок формирования временного интервала 16 (БФВИ2) установился в состояние логической 1. Второй генератор 3 (Г2) возбудил второй излучатель 5 (И2), который излучил ультразвуковые сигналы с периодом Т. Излученный ультразвуковой сигнал распространился по той же контролируемой среде и был принят вторым приемником 13 (П2), усилился вторым усилителем 14 (У2) и поступил на вход второго порогового устройства 15 (ПУ2). На второй вход второго порогового устройства 15 (ПУ2) подавалось напряжение U1 от источника опорного напряжения 9 (ИОН). Как только напряжение на выходе второго усилителя 14 (У2) превысило напряжение U1, выход второго порогового устройства 15 (ПУ2) переключился в состояние логической 1, которая сбросила второй блок формирования временного интервала 16 (БФВИ2) в состояние логического 0 (точка t на фиг. 2).
Таким образом, на выходе второго блока формирования временного интервала 16 (БФВИ2) получился сигнал, длительность которого равна времени:
2
2
0
Δt=t-t,
Этот сигнал поступил в третий блок измерения временного интервала 17 (БИВИ3), на второй вход третьего блока измерения временного интервала 17 (БИВИ3) поступил сигнал с кварцевого генератора 18 (КГ). Данные о длительности третьего временного интервала поступили в блок управления 1 (БУ).
Временные интервалы между излученными и принятыми ультразвуковыми сигналами, измеренные блоками измерения временных интервалов 12 (БИВИ2) и 17 (БИВИ3), имели длительности:
1
Δt=328,7 мкс,
2
Δt=326,8 мкс.
Блок управления 1 (БУ) осуществил первую коррекцию этих временных интервалов в соответствии с выражением:
1
где Т - период колебаний ультразвуковой волны первой частоты,
2
Т - период колебаний ультразвуковой волны второй частоты,
i - номер коррекции,
- первый скорректированный временной интервал,
- второй скорректированный временной интервал.
После этого блок управления 1 (БУ) осуществил сравнение результатов коррекции:
После коррекции по формулам (1) и (2) получили следующий набор значений:
.
В результате получили значение, превышающее четверть периода ультразвуковых колебаний.
Блок управления 1 (БУ) осуществил вторую коррекцию этих временных интервалов:
После второй коррекции (i=2) получили значение, превышающее четверть периода ультразвуковых колебаний.
Блок управления 1 (БУ) осуществил третью коррекцию этих временных интервалов:
.
После третьей коррекции (i=3) получили разность времени первого и второго интервала, которая меньше четверти периода ультразвуковых сигналов первой частоты.
Временной интервал, в котором мгновенное значение амплитуды принятого ультразвукового сигнала первой частоты превышает пороговый уровень, измеренный блоком измерения временного интервала 11 (БИВИ1), имел длительность:
t=0,4 мкс.
Затем блок управления и индикации 1 (БУ) определил длительность корректирующего временного интервала в соответствии с выражением:
,
После этого блок управления 1 (БУ) определил временную координату начала принятого сигнала ультразвуковой волны первой частоты:
Используя эту временную координату, блок управления 1 (БУ) определил расстояние до отражателя h и передал данные в блок индикации 19 (БИ) для отображения.
где С - скорость распространения ультразвука в воде.
Ошибка измерения уровня Δh составила:
Δh=250-250,11=0,11 мм.
Таким образом, экспериментально установлено, что погрешность измерения расстояния до отражателя составила λ/22.