УСТРОЙСТВО КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО УРОВНЕМЕРА
DEVICE TO COMPENSATE FOR ERROR IN MEASUREMENT BY ULTRASONIC LEVEL METRE

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 для компенсации погрешностей акустических локационных уровнемеров (патент РФ №2129703, МПК G01F 23/28, опубл. 27.04.1999), включающих в себя акустический датчик с излучателем, подключенным входом к выходу генератора зондирующих импульсов, и приемником, соединенным выходом через усилитель с 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, содержащее блок стабилизации количества счетных импульсов, включенный между выходом цифрового преобразователя реперного интервала и входом блока формирования счетных импульсов. К входам загрузки цифрового преобразователя реперного интервала подключена корректирующая матрица переключателей, блок стабилизации количества счетных импульсов выполнен 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.
Известно устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера (патент РФ 2406979, МПК G01F 23/28, опубл. 20.12.2010), выбранное в качестве прототипа, содержащее генератор ультразвуковых импульсов, подключенный к излучателю, последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала, блок управления и индикации, выход которого соединен с генератором и входом блока формирования временного интервала, источник опорного напряжения, подключенный к пороговому устройству. Последовательно соединены аналого-цифровой преобразователь, блок формирования адреса и оперативное запоминающее устройство, триггер, выходы которого связаны с аналого-цифровым преобразователем и блоком формирования адреса, блок задержки, подключенный к выходу блока формирования временного интервала и входам блока управления и индикации и триггера, второй вход которого соединен с блоком формирования временного интервала. Аналого-цифровой преобразователь подключен к выходу усилителя и к входу данных оперативного запоминающего устройства. 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.
Недостатком известного устройства является необходимость осуществления аналого-цифровых преобразований с частотой, превышающей частоту входного сигнала не менее чем в десять раз.
В изобретении решается задача создания устройства компенсации погрешности ультразвукового уровнемера, обеспечивающего снижение минимальной частоты используемого аналого-цифрового преобразователя при сохранении высокой точности измерений.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, также как прототип, содержит генератор ультразвуковых импульсов, подключенный к излучателю, последовательно соединенные приемник и усилитель, пороговое устройство, соединенные аналого-цифровой преобразователь, оперативное запоминающее устройство и блок управления и индикации, выход которого подключен к генератору.
Согласно изобретению устройство компенсации погрешности измерения дополнительно содержит счетчик, вход которого подключен к выходу блока управления и индикации и входу генератора. Выход предварительного усилителя соединен с входом пикового детектора, другой вход которого соединен с выходом блока управления и индикации, входом счетчика и входом системы управления доступом к памяти. Выход пикового детектора подключен к входу аналого-цифрового преобразователя и входу порогового устройства. Другой вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу системы управления доступом к памяти, вход которой соединен с выходом блока управления и индикации. Вход оперативного запоминающего устройства подключен к системе управления доступом к памяти, выход которой соединен с блоком управления и индикации. Выход порогового устройства подключен к системе управления доступом к памяти и счетчику, выход которого подключен к входу блока управления и индикации. Выход тактового генератора соединен с входом системы управления доступом к памяти, входом счетчика и входом аналого-цифрового преобразователя.
Использование блока управления и индикации, счетчика, пикового детектора, системы управления доступом к памяти, аналого-цифрового преобразователя, порогового устройства и оперативного запоминающего устройства позволяет определить момент времени, соответствующий началу эхо-импульса и, соответственно, компенсировать погрешность измерения ультразвукового уровнемера. Применение пикового детектора для обработки сигнала с выхода предварительного усилителя позволяет на порядок по сравнению с прототипом снизить требования к минимальной частоте преобразований используемого аналого-цифрового преобразователя.
На фиг.1 представлена структурная схема заявленного устройства.
На фиг.2 представлена диаграмма, поясняющая работу заявленного устройства.
Устройство (фиг.1) содержит генератор 1, выход которого подключен к излучателю 2. Вход генератора 1 соединен с выходом блока управления и индикации 3 и входом счетчика 4. Выход приемника 5 подключен к входу предварительного усилителя 6, выход которого соединен с входом пикового детектора 7. Другой вход пикового детектора 7 соединен с выходом блока управления и индикации 3, входом счетчика 4 и входом системы управления доступом к памяти 8 (СУДП). Выход пикового детектора 7 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП) и входу порогового устройства 10. Другой вход аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП) подключен к выходу системы управления доступом к памяти 8 (СУДП), вход которой подключен к выходу блока управления и индикации 3. Выход аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП) подключен к блоку управления и индикации 3 и оперативному запоминающему устройству 11 (ОЗУ), вход которого подключен к системе управления доступом к памяти 8 (СУДП). Выход системы управления доступом к памяти 8 (СУДП) подключен к блоку управления и индикации 3. Выход порогового устройства 10 подключен к системе управления доступом к памяти 8 (СУДП) и счетчику 4. Выход счетчика 4 подключен к входу блока управления и индикации 3. Выход тактового генератора 12 подключен к входу системы управления доступом к памяти 8 (СУДП), входу счетчика 4 и входу аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП).
Блок управления и индикации 3 может быть выполнен на микроконтроллере, например ATmegal6, и полупроводниковых семисегментных индикаторах, например DA56-11SRWA. Генератор 1 может быть выполнен по схеме с разрядом накопительной емкости на тиристорах типа КУ104Г. Излучатель 2 и приемник 5 могут быть изготовлены из пьезокерамики, например ЦТС-19. Предварительный усилитель 6 и пиковый детектор 7 могут быть реализованы на операционных усилителях, например AD8061AR. Аналого-цифровой преобразователь 9 (АЦП) выбирается таким, чтобы его частота дискретизации была сравнима с частотой излучаемого ультразвукового сигнала или выше ее, например для сигнала с частотой 5 МГц можно применить микросхему ADC1175CIMTC. В качестве счетчика 4 может быть применен любой стандартный счетчик с быстродействием не ниже быстродействия аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП), например 74VHC4040 и логическая микросхема СD74НСT00.Система управления доступом к памяти 8 (СУДП) может быть реализована на счетчике 74НС590 и логических микросхемах CD74HCT4075 и CD74HCT00. В качестве оперативного запоминающего устройства 11 (ОЗУ) может быть применена микросхема статической памяти с максимальным временем записи, не превышающим период дискретизации аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП), например IS61C256AL. Пороговое устройство 10 может быть реализовано на быстродействующем компараторе МАХ912. В качестве тактового генератора 12 может быть применен кремниевый осциллятор МАХ7375.
Устройство работает следующим образом.
ПОР
ПОР
Для приведения схемы в исходное состояние блок управления и индикации 3 формирует импульс, обнуляющий пиковый детектор 7, счетчик 4 и инициализирующий систему управления доступом к памяти 8 (СУДП). Затем, блок управления и индикации 3 производит измерение временного интервала между излученным и принятым сигналами t (фиг.2), для чего формирует сигнал, запускающий формирование импульса ультразвуковой частоты генератором 1 и счетчик 4, отсчитывающий импульсы тактового генератора 12. Излучатель 2 преобразует сформированный генератором 1 импульс в ультразвуковые колебания и излучает их в контролируемую среду. Отраженный от отражающей поверхности ультразвуковой сигнал достигает приемника 5, преобразуется им в электрические колебания, которые, затем, усиливаются предварительным усилителем 6. Сигнал с выхода предварительного усилителя проходит обработку пиковым детектором 7 и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП) и вход порогового устройства 10. Когда амплитуда сигнала с выхода пикового детектора 7 достигает установленного значения U (фиг.2), пороговое устройство 10 формирует сигнал, останавливающий счетчик 4. После измерения временного интервала сигнал с выхода порогового устройства 10, останавливающий счетчик 4, одновременно с этим запускает систему управления доступом к памяти 8 (СУДП), управляющую процессом аналого-цифрового преобразования сигнала и записи результатов преобразования в оперативное запоминающее устройство 11 (ОЗУ), при этом система управления доступом к памяти 8 (СУДП) формирует адрес текущей ячейки памяти и все необходимые для оперативного запоминающего устройства 11 (ОЗУ) и аналого-цифрового преобразователя 9 (АЦП) управляющие сигналы. После окончания процесса оцифровки и сохранения система управления доступом к памяти 8 (СУДП) формирует импульс, который поступает на вход блока управления и индикации 3 и инициирует выборку данных из оперативного запоминающего устройства 11 (ОЗУ), при этом адрес текущей ячейки формирует систему управления доступом к памяти 8 (СУДП), инкрементируя его после каждого управляющего импульса, поступающего от блока управления и индикации 3. По данным, считанным из оперативного запоминающего устройства 11 (ОЗУ), блок управления и индикации 3 определяет момент окончания интервала нарастания принятого сигнала исходя из условия уменьшения скорости нарастания сигнала
2
1
n
n-1
0,05·(U-U)≥(U-U),
1
где U - значение амплитуды сигнала, полученное в результате 1-го аналого-цифрового преобразования,
2
U - значение амплитуды сигнала, полученное в результате 2-го аналого-цифрового преобразования,
n-1
U - значение амплитуды сигнала, полученное в результате аналого-цифрового преобразования в момент времени, предшествующий моменту, принимаемому за окончание интервала нарастания сигнала,
n
U - значение амплитуды сигнала, полученное в результате аналого-цифрового преобразования в момент времени, принимаемый за момент окончания интервала нарастания сигнала.
Затем, блок управления и индикации 3 находит коэффициенты выражения, описывающего огибающую второго порядка, проходящую через две крайние точки (А и С) интервала нарастания принятого сигнала, и точку В, лежащую в середине этого интервала (фиг.2), решая систему уравнений
A
B
C
где t, t, t - моменты времени, соответствующие точкам А, В и С,
A
B
C
U, U, U - амплитуды сигнала в точках А, В и С соответственно
а, b, с - коэффициенты выражения, описывающего огибающую второго порядка.
Затем, решая уравнение
,
КОМП
блок управления и индикации 3 находит момент времени t (фиг.2), в который значение выражения, описывающего огибающую, равно нулю (точка К), принимает его за начало эхо-импульса и использует при определении расстояния до отражающей поверхности путем умножения скорости распространения ультразвукового импульса в контролируемой среде на измеренный интервал времени.
В качестве примера рассмотрим определение расстояния с помощью заявляемого устройства. В воде на расстоянии 32 см от излучателя 2 был установлен приемник 5. Частота ультразвуковых сигналов составляла 3 МГц, соответственно, длина волны λ равнялась 0,5 мм. Излучение и прием ультразвуковых сигналов производили с помощью заявляемого устройства (фиг.1). Для сравнения наблюдали сигнал с выхода предварительного усилителя 6 с помощью цифрового осциллографа GDS-820C.
Применяя заявленное устройство, определили момент времени, соответствующий началу принятого сигнала, равным 214,66 мкс, при этом измеренное осциллографом время равнялось 214,5 мкс.
-6
-6
Ошибка измерения составила 1500·(214,66·10-214,5·10)=0,24 мм.
Таким образом, экспериментально установлено, что погрешность измерения не превышает λ/2.