Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера
Владельцы патента RU 2406979:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к ультразвуковым локационным измерителям уровня жидких и сыпучих продуктов в резервуарах на автозаправочных станциях и нефтебазах, а также в химической, нефтяной, пищевой и других отраслях народного хозяйства. Устройство содержит генератор ультразвуковых импульсов, подключенный к излучателю, и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала, блок управления и индикации, выход которого связан с генератором и входом блока формирования временного интервала. Источник опорного напряжения подключен к пороговому устройству. Кроме того, устройство дополнительно содержит последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь, блок формирования адреса, оперативное запоминающее устройство, блок задержки и триггер. При этом выход триггера связан с аналого-цифровым преобразователем и блоком формирования адреса. Блок задержки подключен к выходу блока формирования временного интервала и входам триггера и блока управления и индикации. Второй вход триггера соединен с блоком формирования временного интервала. 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. Технический результат: компенсация погрешности измерения ультразвукового уровнемера, обусловленная наличием неконтролируемого временного интервала между началом эхо-импульса и срабатыванием порогового устройства. 3 ил.
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 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, корректирующая матрица переключателей, подключенная 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 (2006.01) 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 высокая погрешность измерения, обусловленная изменением формы отраженных ультразвуковых импульсов за счет распространения в волноводе, к которым относятся трубы.
В изобретении решается задача создания устройства, обеспечивающего компенсацию погрешности измерения ультразвукового уровнемера.
Поставленная задача решена за счет того, что устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, также как в прототипе, содержит 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.
Согласно изобретению устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера дополнительно содержит последовательно соединенные 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 и 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.
Использование аналого-цифрового преобразователя, оперативного запоминающего устройства, блока формирования адреса, триггера и блока задержки позволяет определить начало эхо-импульса и соответственно компенсировать погрешность измерения ультразвукового уровнемера. Предложенная схема устройства компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, в сравнении с прототипом, не использует второй отраженный эхо-импульс, который может отсутствовать в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с изменяющимся коэффициентом затухания, что повышает стабильность измерения.
На фиг.1 представлена схема устройства.
На фиг.2 представлена диаграмма, иллюстрирующая предлагаемое устройство.
На фиг.3 представлен пример осциллограммы эхо-импульса и двух полученных огибающих.
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 8 (АЦП). К другому входу порогового устройства 7 подключен источник опорного напряжения 9 (ИОН). Выход порогового устройства 7 подключен к входу блока формирования временного интервала 3, выход которого подключен к блоку управления и индикации 1, триггеру 10 и блоку задержки 11. Выход блока задержки 11 подключен к другому входу триггера 10 и к блоку управления и индикации 1. Выход триггера 10 подключен к блоку формирования адреса 12 и аналого-цифровому преобразователю 8 (АЦП). Выход аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП) подключен к входу данных оперативного запоминающего устройства 13 (ОЗУ). Второй выход аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП) подключен к блоку формирования адреса 12, выход которого подключен к адресному входу оперативного запоминающего устройства 13 (ОЗУ), выход которого подключен к блоку управления и индикации 1, который связан с блоком формирования адреса 12.
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 К521САЗ. 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 (ИОН) выбран типовым REF 192 фирмы ANALOG DEVICES в стандартном включении, аналого-цифровой преобразователь 8 (АЦП) выбран типовым из условия, что время преобразования например К544УД2. Источник опорного напряжения 9 (ИОН) выбран типовым REF 192 фирмы ANALOG DEVICES в стандартном включении, аналого-цифровой преобразователь 8 (АЦП) выбирается типовым из условия, что время преобразования должно быть не менее чем в десять раз меньше периода входного аналогового сигнала, например для входного сигнала частотой 1 мГц можно применить микросхему AD9057BRS40, оперативное запоминающее устройство 13 (ОЗУ) выбирается из требования максимального времени записи данных, которое должно быть меньше времени преобразования аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП), и объема хранимых данных, которое должно быть больше чем 10·(Tc/tАЦП), например для частоты 1 мГц можно применить микросхему К565РУ5, триггер 10 может быть выполнен на типовой микросхеме, например К1554ТМ2, блок задержки может быть выполнен на микросхеме К1554АГ1 в типовом включении, время задержки должно быть больше или равно пяти периодам входного сигнала, блок формирования адреса 12 может быть выполнен на типовых двоичных реверсивных счетчиках с задержкой переключения меньшей, чем время преобразования аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП), например К1554ИЕ7.
Устройство работает следующим образом.
Блок управления и индикации 1 выдает разрешение на автономную работу блока формирования адреса 12 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 (АЦП). Одновременно сигнал с выхода усилителя 6 поступает на вход порогового устройства 7. На второй вход порогового устройства 7 подается напряжение с источника опорного напряжения 9 (ИОН) U1. Как только напряжение на выходе усилителя 6 превысит напряжение U1, выход порогового устройства 7 переключится в состояние логической 1 и сбросит блок формирования временного интервала 3 в состояние логического нуля (точка t1 фиг.2). Этот сигнал подается на вход блока управления и индикации 1, сигнализируя об окончании формирования временного интервала, а также на вход триггера 10 и вход блока задержки 11, на выходе триггера 10 появляется логическая единица, которая разрешает работу блока формирования адреса 12 и аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП), который преобразует аналоговый сигнал в цифровой вид с частотой, в десять раз превышающей частоту входного сигнала. С выхода аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП) данные поступают на вход данных оперативного запоминающего устройства 13 (ОЗУ) и записываются по адресу, сформированному блоком формирования адреса 12. Одновременно аналого-цифровой преобразователь 8 (АЦП) выдает импульс на блок формирования адреса 12 для формирования следующего адреса и за время преобразования аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП) на выходе блока формирования адреса 12 сформируется следующий адрес. После срабатывания блока задержки 11 на его выходе появляется импульс, который поступает на блок управления и индикации 1, сигнализируя об окончании процесса записи данных, и сбрасывает триггер 10 в состояние логического нуля. Нулевой уровень на выходе триггера запрещает работу блока формирования адреса 12 и аналого-цифрового преобразователя 8 (АЦП). После этого блок управления и индикации 1 в соответствии с программой осуществляет последовательную выборку данных из оперативного запоминающего устройства 13 (ОЗУ) для определения трех точек максимума и трех точек минимума. По этим точкам составляет систему трех квадратных уравнений с тремя неизвестными:
где y1 и х1, y2 и х2, y3 и x3 - координаты трех точек А, В и С соответственно.
Решает эту систему уравнений и находит коэффициенты а1, b1 и с1 для уравнения первой огибающей:
Аналогично находит коэффициенты для уравнения второй огибающей, но при этом использует координаты точек D, Е и F:
Затем находит точку пересечения этих огибающих путем приравнивания уравнений и его решения:
Временную координату этой точки принимает за начало эхо-импульса и использует в расчетах расстояния до отражающей поверхности.
В качестве примера рассмотрим определение расстояния предлагаемым способом. В воде, на расстоянии 250 см от излучателя 4 был установлен приемник 5. Частота ультразвуковых сигналов составляла 600 кГц, соответственно длина волны λ равнялась 2,5 мм. В качестве аналого-цифрового преобразователя 8 применялась микросхема AD9057BRS40 с частотой преобразования 40 МГц. Излучение и прием ультразвуковых сигналов производили с помощью предлагаемого устройства и для сравнения наблюдали с помощью осциллографа GDS820G на выходе усилителя 6 этого устройства. Полученные точки максимумов имели координаты А (0,71; 1701), В (0,89; 1702,6), С (1,02; 1704,5). Точки минимумов имели координаты D (-0,59; 1700,2), Е (-0,79; 1701,9), F (-0,98; 1703,7).
Используя координаты этих точек, блок управления и индикации 1 определил коэффициенты a1, b1, c1 и а2, b2, c2. Временная координата точки пересечения, определенная по этим коэффициентам равна:
х=1696,64 мкс
Для сравнения на фиг.3 показана осциллограмма принятого сигнала и двух полученных огибающих, из которой видно, что расчетная временная координата точки пересечения двух огибающих не совпадает с началом сигнала. Измеренное осциллографом GDS 820G время tp составило 1697 мкс.
Ошибка измерения уровня Δh составила:
Δh=С·(1697-1696,64)=(1,5·106)(0,36·10-6)=0,54 мм,
где С - скорость распространения ультразвука в воде.
Таким образом, экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня не превышает λ/2.
Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, 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, отличающееся тем, что дополнительно содержит последовательно соединенные 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, 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.
