Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора
Владельцы патента RU 2754716:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к ультразвуковым локационным измерителям уровня жидкости и сыпучих продуктов. Технический результат заключается в снижении погрешности измерений. Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора содержит генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем, приемник, соединенный с усилителем, к выходу которого подключены два пороговых устройства с различными пороговыми напряжениями, два источника опорного напряжения, подключенные к входам соответствующих пороговых устройств, выходы пороговых устройств подключены к соответствующим блокам формирования временного интервала, выходы которых подключены к блоку управления и индикации, выходы которого соединены с входом генератора и с входом первого блока формирования временного интервала. В качестве источников опорного напряжения использованы регулируемые источники опорного напряжения с изменяемым напряжением, входы которых подключены к выходам соответствующих регуляторов, входы которых связаны с блоком управления и индикации. При этом выход первого блока формирования временного интервала соединен со вторым входом второго блока формирования временного интервала. 2 ил.
Изобретение относится к ультразвуковым локационным измерителям уровня жидкости в резервуарах на автозаправочных станциях и нефтебазах, сыпучих продуктов в зернохранилищах, расстояния в робототехнике и других отраслях народного хозяйства.
Известно устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера [RU 75034 U1, МПК G01F23/28 (2006.01), опубл. 20.07.2008], содержащее генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем, приемник, соединенный с усилителем, к выходу которого подключены два пороговых устройства с различными пороговыми напряжениями. К входу каждого порогового устройства подключен свой источник опорного напряжения. Выход первого порогового устройства подключен к первому и второму блокам формирования временного интервала. Выход второго порогового устройства подключен ко второму блоку формирования временного интервала. Выходы первого и второго блоков формирования временного интервала подключены к блоку управления и индикации, выходы которого подключены к генератору и первому блоку формирования временного интервала.
Это устройство имеет низкую точность измерения, обусловленную произвольным выбором порогового напряжения.
Техническим результатом изобретения является создание устройства, обеспечивающего снижение погрешности измерений.
Предложенное устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора, так же как в прототипе, содержит генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем, приемник, соединенный с усилителем, к выходу которого подключены два пороговых устройства с различными пороговыми напряжениями, два источника опорного напряжения, подключенные к входам соответствующих пороговых устройств, выходы пороговых устройств подключены к соответствующим блокам формирования временного интервала, выходы которых подключены к блоку управления и индикации, выходы которого соединены с входом генератора и входом первого блока формирования временного интервала.
Согласно изобретению в качестве источников опорного напряжения использованы регулируемые источники опорного напряжения с изменяемым напряжением, входы которых подключены к выходам соответствующих регуляторов, входы которых связаны с блоком управления и индикации. При этом выход первого блока формирования временного интервала соединен со вторым входом второго блока формирования временного интервала.
В отличие от прототипа вместо двух источников опорного напряжения с фиксированным напряжением использованы два регулируемых источника опорного напряжения с изменяемым напряжением, что обеспечивает более точное определение временной координаты эхо-сигнала, и соответственно уменьшает погрешность измерения ультразвукового локатора.
На фиг. 1 показана функциональная схема устройства компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора.
На фиг. 2 представлены диаграммы эхо-сигнала, пороговые напряжения U1 и U2, а также временные интервалы между излученным импульсом и срабатыванием первого порогового устройства и между срабатыванием первого и второго пороговых устройств.
Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора содержит блок управления и индикации 1, выход которого соединен с генератором ультразвуковых импульсов 2 и первым входом первого блока формирования временного интервала 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 регулируемого источника опорного напряжения 9 (РИОН 1). Выход второго регулируемого источника опорного напряжения 10 (РИОН 2) подключен к входу второго порогового устройства 8. Выход первого порогового устройства 7 подключен ко второму входу первого блока формирования временного интервала 3. Выход второго порогового устройства 8 подключен к первому входу второго блока формирования временного интервала 11. Блок управления и индикации 1 соединен с выходом второго блока формирования временного интервала 11. Выход первого блока формирования временного интервала 3 подключен к входу блока управления и индикации 1, который связан с входом первого регулятора 12 и с входом второго регулятора 13. Выход первого регулятора 12 соединен с входом первого регулируемого источника опорного напряжения 9 (РИОН1). Выход второго регулятора 13 соединен с входом второго регулируемого источника опорного напряжения 10 (РИОН2). Выход первого блока формирования временного интервала 3 соединен со вторым входом второго блока формирования временного интервала 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 блоки формирования временного интервала 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 регулируемые источники опорного напряжения могут быть выполнены на микросхемах TL431. Первый 12 и второй 13 регуляторы могут быть выполнены на цифровом потенциометре, например AD5260BRUZ20 фирмы Analog Devices.
Предлагаемое устройство было использовано для определения уровня жидкости, которое поместили в резервуар размером 2000 × 200 × 200 мм. Резервуар 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 блок формирования временного интервала 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 вернулся на приемник 5. После усиления усилителем 6 сигнал поступил на вход первого 7 и второго 8 пороговых устройств. На второй вход порогового устройства 7 подали напряжение от первого регулируемого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1). Выходное напряжение первого регулируемого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1) соответствовало цифровому коду, поступившему от блока управления и индикации 1 на первый регулятор 12. Как только напряжение на выходе усилителя 6 превысило напряжение , выход первого порогового устройства 7 переключился в состояние логической 1, которая сбросила первый блок формирования временного интервала 3 в состояние логического нуля (точка 
на фиг. 2), а второй блок формирования временного интервала 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 второго регулируемого источника опорного напряжения 10 (ИОН 2), выходное напряжение которого соответствовало цифровому коду, поступившему от блока управления и индикации 1 на второй регулятор 13. 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 блок формирования временного интервала 11 в состояние логического нуля. Таким образом, на выходе первого блока формирования временного интервала 3 сформировался импульс, длительность которого равна времени (-
), а на выходе второго блока формирования временного интервала 8 импульс длительностью (-).
В начале пороговое напряжение от первого регулируемого источника опорного напряжения 9 (ИОН 1) равнялось 1,1 вольта, напряжение второго регулируемого 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 через первый регулятор 12 уменьшил напряжение до 1,09 вольта, временной интервал (-) равнялся 1215,6 мкс. Затем блок управления и индикации 1 через первый регулятор 12 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 через второй регулятор 13 уменьшил напряжение до 2,19 вольта, измеренный временной интервал (-) равнялся 14,6 мкс. Затем блок управления и индикации 1 через второй регулятор 13 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 Δh составила:
Экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня не превышает λ/6.
Устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового локатора, содержащее генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем, приемник, соединенный с усилителем, к выходу которого подключены два пороговых устройства с различными пороговыми напряжениями, два источника опорного напряжения, подключенные к входам соответствующих пороговых устройств, выходы пороговых устройств подключены к соответствующим блокам формирования временного интервала, выходы которых подключены к блоку управления и индикации, выходы которого соединены с входом генератора и с входом первого блока формирования временного интервала, отличающееся тем, что в качестве источников опорного напряжения использованы регулируемые источники опорного напряжения с изменяемым напряжением, входы которых подключены к выходам соответствующих регуляторов, входы которых связаны с блоком управления и индикации, при этом выход первого блока формирования временного интервала соединен со вторым входом второго блока формирования временного интервала.
