способ компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера

Формула изобретения

Способ компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, включающий измерение временного интервала между излученным и принятым сигналами, преобразование входного аналогового сигнала в цифровой код, запоминание его, определение расстояния до отражающей поверхности путем умножения скорости распространения ультразвука в контролируемой среде на измеренный временной интервал, отличающийся тем, что после измерения временного интервала проводят оцифровку и сохранение предварительно обработанного пиковым детектором принятого сигнала, по сохраненным данным определяют момент окончания интервала нарастания принятого сигнала, находят коэффициенты выражения, описывающего огибающую второго порядка, проходящую через две крайние точки интервала нарастания принятого сигнала и точку, лежащую в середине этого интервала, определяют момент времени, в который значение выражения, описывающего огибающую, равно нулю, принимают его за начало эхо-импульса и используют при определении расстояния до отражающей поверхности.

Описание изобретения к патенту

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.

Известен способ компенсации погрешности акустических локационных уровнемеров (патент РФ 2129703, МПК G01F 23/28, опубл. 27.04.1999), включающий излучение и прием ультразвуковых импульсов, формирование реперного и измерительного временных интервалов, их цифровое преобразование соответственно с помощью синхро- и счетных импульсов и индикацию расстояния от акустического датчика до измеряемого уровня.

Недостатком известного способа является низкая точность измерения, обусловленная невозможностью учета временного интервала между началом отраженного ультразвукового импульса и моментом срабатывания порогового устройства.

Известен способ компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера (патент РФ № 2389981, МПК G01F 23/28, опубл. 20.05.2010), выбранный в качестве прототипа, включающий измерение временного интервала между излученным и принятым сигналами, преобразование входного аналогового сигнала в цифровой код с частотой, не менее чем в десять раз превышающей частоту входного сигнала, запоминание его, определение не менее трех точек минимума и трех точек максимума в соседних периодах запомненного сигнала, построение одной огибающей входного сигнала по этим точкам максимума и второй огибающей входного сигнала по этим точкам минимума, определение временной координаты точки пересечения этих огибающих, использование ее в качестве начала эхо-импульса и применение при определении расстояния до отражающей поверхности путем умножения скорости распространения ультразвука в контролируемой среде на измеренный временной интервал.

Недостатком известного способа является необходимость осуществления аналого-цифровых преобразований с частотой, превышающей частоту входного сигнала не менее чем в десять раз.

Задачей изобретения является создание способа компенсации погрешности ультразвукового уровнемера, обеспечивающего снижение минимальной частоты аналого-цифровых преобразований при сохранении высокой точности измерений.

Поставленная задача решена за счет того, что в способе компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, так же как в прототипе, измеряют временной интервал между излученным и принятым сигналами, преобразуют входной аналоговый сигнал в цифровой код, запоминают его и определяют расстояние до отражающей поверхности путем умножения скорости распространения ультразвука в контролируемой среде на измеренный временной интервал.

Согласно изобретению после измерения временного интервала проводят оцифровку и сохранение начального участка предварительно обработанного пиковым детектором принятого сигнала, по сохраненным данным определяют момент окончания интервала нарастания принятого сигнала, находят коэффициенты выражения, описывающего огибающую второго порядка, проходящую через две крайние точки интервала нарастания принятого сигнала и точку, лежащую в середине этого интервала, определяют момент времени, в который значение выражения, описывающего огибающую, равно нулю, принимают его за начало эхо-импульса и используют при определении расстояния до отражающей поверхности.

Определение момента времени, в который значение выражения, описывающего огибающую обработанного пиковым детектором сигнала, равно нулю и использование его в качестве момента времени, соответствующего началу эхо-импульса, позволяет компенсировать погрешность измерения ультразвукового уровнемера. Обработка сигнала пиковым детектором перед его оцифровкой позволяет на порядок по сравнению с прототипом снизить минимальную частоту преобразований.

На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего заявленный способ.

На фиг.2 представлена диаграмма, иллюстрирующая заявленный способ.

Устройство, реализующее заявленный способ (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 ко 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 ко 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 ко входу блока управления и индикации 3. Выход тактового генератора 12 подключен ко 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 ATmega16, 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 CD74НСТ00. 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.

Для приведения схемы в исходное состояние блок управления и индикации 3 формирует импульс, сбрасывающий пиковый детектор 7, счетчик 4 и систему управления доступом к памяти 8 (СУДП). Затем производят измерение временного интервала между излученным и принятым сигналами t_ПОР (фиг.2), для чего блок управления и индикации 3 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_ПОР (фиг.2) пороговое устройство 10 формирует сигнал, останавливающий счетчик 4. После измерения временного интервала проводят оцифровку и сохранение начального участка предварительно обработанного пиковым детектором принятого сигнала, для чего 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 система 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:

0.05·(U₂-U₁ ) (U_n-U_n-1),

где U ₁ - значение амплитуды сигнала, полученное в результате 1-го аналого-цифрового преобразования,

U₂ - значение амплитуды сигнала, полученное в результате 2-го аналого-цифрового преобразования,

U_n-1 - значение амплитуды сигнала, полученное в результате аналого-цифрового преобразования в момент времени, предшествующий моменту, принимаемому за окончание интервала нарастания сигнала,

U_n - 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:

,

где t_A, t_B, t _C - моменты времени, соответствующие точкам A, B и C,

U_А, U_B, U_C - амплитуды сигнала в точках A, B и C соответственно,

a, b, c - коэффициенты выражения, описывающего огибающую второго порядка.

Затем, решая уравнение

,

блок управления и индикации 3 находит момент времени t_КОМП (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 заявляемым способом. В воде на расстоянии 32 см от излучателя 2 был установлен приемник 5. Частота ультразвуковых сигналов составляла 3 МГц, соответственно, длина волны равнялась 0,5 мм. Излучение и прием ультразвуковых сигналов производили с помощью устройства компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера (фиг.1). Для сравнения наблюдали сигнал с выхода предварительного усилителя 6 с помощью цифрового осциллографа GDS-820C.

Применяя заявленный способ компенсации погрешности, блок управления и индикации 3 определил момент времени, соответствующий началу принятого сигнала, равным 214,66 мкс, при этом измеренное осциллографом время равнялось 214,5 мкс.

Ошибка измерения составила 1500·(214.66·10 ^-6-214.5·10^-6)=0.24 мм.

Таким образом, экспериментально установлено, что погрешность измерения не превышает /2.