СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЛОКАТОРА
METHOD OF COMPENSATION OF THE MEASUREMENT INACCURACY OF THE ULTRASONIC LOCATOR

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.
G01F23/28
U1
U2
U1
Известен способ компенсации погрешностей акустических локационных уровнемеров [RU 2358243 C1, МПК  (2006.01), опубл. 10.06.2009], включающий измерение временных интервалов между излученным импульсом и  срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением  и  между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением , превышающим пороговое напряжение  первого порогового устройства, преобразование этих временных интервалов в цифровой код, расчет временного интервала между срабатыванием первого порогового устройства и началом эхо-импульса из выражения
Δt = ,
2
1
где (t-t) – временной интервал между срабатыванием первого и второго пороговых устройств,
определение временного интервала распространения ультразвукового импульса в контролируемой среде из выражения
,
и определение расстояния до отражающей поверхности путем умножения временного интервала  на скорость распространения ультразвука в контролируемой среде и индикацию этого расстояния.
Этот способ имеет низкую точность измерения. Погрешность достигает λ/2, где λ –длина волны ультразвукового импульса.
Техническим результатом изобретения является создание способа, обеспечивающего снижение погрешности измерений.
Предложенный способ компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора, так же как в прототипе, включает измерение временных интервалов между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением U1 и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением U2, превышающим пороговое напряжение U1 первого порогового устройства, преобразование этих временных интервалов в  цифровой код, расчет временного интервала между срабатыванием первого порогового устройства и началом эхо-импульса из выражения
Δt =  ,
где () – временной интервал между срабатыванием первого и второго пороговых устройств,
определение временного интервала распространения ультразвукового импульса в контролируемой среде из выражения
,
и определение расстояния до отражающей поверхности путем умножения временного интервала  на скорость распространения ультразвука в контролируемой среде и индикацию этого расстояния.
Согласно изобретению при определении временных интервалов между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства с пороговым напряжением U1 и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств с пороговым напряжением U2 плавно уменьшают уровни пороговых напряжений U2 и U1 до тех пор, пока длительности этих временных интервалов скачкообразно не уменьшатся на величину не менее  , где  – период зондирующего сигнала, полученные при этом значения временных интервалов  и  используют для определения расстояния до отражающей поверхности.
Такое определение временных интервалов  и  позволяет более точно определить временную координату ответного сигнала, и соответственно уменьшить погрешность измерения ультразвукового локатора.
На фиг. 1 показана схема устройства для осуществления предложенного способа.
U1
U2
На фиг. 2 представлены диаграммы эхо-сигнала, пороговые напряжения  и , а также временные интервалы между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств.
Способ осуществляли с помощью устройства для определения уровня жидкости, которое содержит блок управления и индикации 1, выход которого соединен с генератором ультразвуковых импульсов 2 и первым входом первого триггера 3 (фиг. 1). 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 7 подключен выход первого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1). Выход второго источника опорного напряжения 10 (ИОН 2) подключен к входу второго порогового устройства 8. Выход первого порогового устройства 7 подключен к второму входу первого триггера 3. Выход второго порогового устройства 8 подключен к первому входу второго триггера 11. Блок управления и индикации 1 соединен с выходом второго триггера 11. Выход первого триггера 3 подключен к входу блока управления и индикации 1, который подключен к входам первого 9 (ИОН1) и второго 10 (ИОН2) источников опорного напряжения. Выход первого порогового устройства соединен со вторым входом второго триггера 11.
Блок управления и индикации 1 может быть выполнен на микроконтроллере ATMEGA16 и индикаторах DA56-11SRWA, в котором для подсчета временных интервалов используются два внутренних таймера-счетчика. Первый 3 и второй 11 триггеры выполнены на стандартных микросхемах К1554ТМ2. В качестве первого 7 и  второго 8 пороговых устройств использованы микросхемы 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, из ЦТС-19. Усилитель 6 может быть выполнен на операционном усилителе, например, 544УД2. Первый 9 и второй 10 источники опорного напряжения могут быть выполнены на цифро-аналоговом преобразователе DAC8531.
Устройство для определения уровня жидкости поместили в ванну размером 2000 х 200 х 200 мм. Ванну заполнили водой до уровня 1800 мм. При определении уровня жидкости блок управления и индикации 1 выработал импульс запуска для генератора ультразвуковых импульсов 2. Этим же импульсом первый триггер 3 установился в состояние логической единицы. Генератор ультразвуковых импульсов 2 передал импульс возбуждения на излучатель 4. Излученный ультразвуковой импульс распространился по воде до верхнего уровня, от которого произошло отражение и был принят приемником 5 и усилен усилителем 6. Сигнал с выхода усилителя 6 поступил на  вход первого 7 и второго 8 пороговых устройств. На второй вход порогового устройства 7 подали напряжение от первого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1) . Выходное напряжение первого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1) , соответствовало цифровому коду, поступившему от блока управления и индикации 1. Как только напряжение на выходе усилителя 6 превысило напряжение , выход первого порогового устройства 7 переключился в состояние логической 1, которая сбросила первый триггер 3 в состояние логического нуля (точка  на фиг. 2), а второй триггер 11 установился в состояние логической единицы. Одновременно сигнал с выхода усилителя 6 поступил на вход второго порогового устройства 8, на другой вход которого подано напряжение , от источника опорного напряжения 10 (ИОН 2), выходное напряжение которого соответствовало цифровому коду, поступившему от блока управления и  индикации 1. Второе пороговое устройство 8 переключилось в состояние логической единицы, когда входное напряжение превысило напряжение , (точка  на фиг. 2). Логическая единица на выходе второго порогового устройства 8 установила второй триггер 11 в состояние логического нуля. Таким образом, на выходе первого триггера 3 сформировался импульс, длительность которого равна времени (-), а на выходе второго триггера 8 импульс длительностью (-).
В начале пороговое напряжение  от первого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1) равнялось 1,1 вольта, напряжение  второго источника опорного напряжения 10 (ИОН 2) равнялось 2,2 вольта, период колебаний ультразвуковой волны Т = 8 мкс, временной интервал (-) равнялся 1216 мкс. Затем блок управления и индикации 1 уменьшил напряжение  до 1,09 вольта, временной интервал (-) равнялся 1215,6 мкс. Затем блок управления и индикации 1 уменьшил напряжение  до 1,04 вольта, измеренный временной интервал  равнялся 1209 мкс. Изменение временного интервала составило
Это больше, чем  .
При этом временной интервал (-) составил 15 мкс.
Затем блок управления и индикации 1 уменьшил напряжение  до 2,19 вольта, измеренный временной интервал (-) равнялся 14,6 мкс. Затем блок управления и индикации 1 уменьшил напряжение  до 2,12 вольта, измеренный временной интервал (-) равнялся 8 мкс. Изменение временного интервала составило
Это больше, чем   .
Расчетный временной интервал распространения ультразвукового импульса составил:
.
Расчетный уровень воды составил:
.
Ошибка измерения уровня ∆h составила:
.
Экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня не превышает λ/6.