способ компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера

Формула изобретения

Способ компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, включающий измерение временного интервала между двумя импульсами, его преобразование в цифровой код и вычисление расстояния до отражающей поверхности путем умножения скорости распространения ультразвука в контролируемой среде на измеренный временной интервал, отличающийся тем, что одновременно с измерением временного интервала t₁ между излученным ультразвуковым импульсом и принятым эхо-импульсом производят преобразование входного аналогового сигнала в цифровой код с частотой, не менее чем в два раза превышающей частоту входного сигнала, запоминают его и после измерения временного интервала определяют количество экстремумов в запомненном входном сигнале, по их количеству определяют время опережения эхо-импульса относительно окончания измеренного временного интервала из выражения:

t=T·(N/2),

где N - количество экстремумов,

Т - период входного аналогового сигнала, мкс, и время распространения эхо- импульса в контролируемой среде из выражения:

t _p=t₁- t=t₁-T·(N/2),

где t₁ - измеренный временной интервал, мкс,

затем определяют расстояние до отражающей поверхности и производят индикацию этого расстояния.

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 погрешностей 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, которое может изменяться в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с изменяющимся коэффициентом затухания.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому способу является способ компенсации погрешности измерения акустических локационных уровнемеров (заявка РФ № 2006109659, МПК (2006.01) G01B 17/00, опубл. 10.10.2007), заключающийся в измерении временного интервала между пиком максимальной амплитуды первого эхо-импульса и пиком максимальной амплитуды противоположной полярности второго эхо-импульса, который прямо пропорционален измеряемой длине.

Недостатком известного способа является низкая стабильность измерения, обусловленная возможным отсутствием второго отраженного эхо- импульса в средах с большим коэффициентом затухания.

Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего снижение погрешности и повышение стабильности измерений в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с большим коэффициентом затухания.

Поставленная задача решена за счет того, что в способе компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера, так же, как в прототипе, измеряют временной интервал между двумя импульсами, преобразуют его в цифровой код и вычисляют расстояние до отражающей поверхности путем умножения скорости распространения ультразвука в контролируемой среде на измеренный временной интервал.

Согласно изобретению одновременно с измерением временного интервала t₁ между излученным ультразвуковым импульсом и принятым эхо-импульсом производят преобразование входного аналогового сигнала в цифровой код с частотой, не менее чем в два раза превышающей частоту входного сигнала, запоминают его. После измерения временного интервала определяют количество экстремумов в запомненном входном сигнале, по их количеству определяют время опережения эхо-импульса относительно окончания измеренного временного интервала t₁ из выражения:

t=T*(N/2),

где N - количество экстремумом,

Т - период входного аналогового сигнала, мкс,

и время распространения эхо-импульса в контролируемой среде из выражения:

t_p=t₁ - t=t₁-T*(N/2).

Затем определяют расстояние до отражающей поверхности и производят индикацию этого расстояния.

Преобразование входного аналогового сигнала в цифровой код с частотой, не менее чем в два раза превышающей частоту входного сигнала, исключающей пропуски экстремумов. Определение количества экстремумов в запомненном сигнале обеспечивает возможность вычисления времени опережения эхо-импульса относительно окончания измеренного временного интервала между излученным ультразвуковым импульсом и принятым эхо-импульсом. Предложенное определение времени распространения эхо-импульса в контролируемой среде позволяет компенсировать погрешность измерения ультразвукового уровнемера. Исключение второго отраженного эхо-импульса, которого может не быть в турбулентной диспергирующей газовой или жидкостной среде, а также в средах с изменяющимся коэффициентом затухания, из процесса измерения повышает стабильность измерения.

На фиг.1 представлена схема устройства, иллюстрирующая предлагаемый способ.

На фиг.2 представлена диаграмма, иллюстрирующая предлагаемый способ

Устройство, реализующее предлагаемый способ содержит блок управления и индикации 1 (фиг.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-цифровому преобразователю 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. Выход АЦП 8 подключен к входу данных оперативного запоминающего устройства 10 (ОЗУ). Второй выход АЦП 8 подключен к блоку формирования адреса 11, выход которого подключен к адресному входу ОЗУ 10, выход которого подключен к блоку управления и индикации 1. Блок формирования адреса 11 связан с блоком управления и индикации 1.

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 К521СА3. 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 из условия, что время преобразования должно быть не менее чем в два раза меньше периода входного аналогового сигнала, например для входного сигнала частотой 1 мГц можно применить АЦП AD9057BRS40. Оперативное запоминающее устройство 10 (ОЗУ) выбрано из требования максимального времени записи данных, которое должно быть меньше времени преобразования АЦП, и объема хранимых данных, которое должно быть больше, чем 100*(T_c/t_АЦП), например, для частоты 1 мГц можно применить ОЗУ К565РУ5. Блок формирования адреса 11 может быть выполнен на типовых двоичных реверсивных счетчиках с задержкой переключения меньшей, чем время преобразования АЦП, например К1554ИЕ7.

Устройство работает следующим образом.

Блок управления и индикации 1 выдает разрешение на автономную работу блока формирования адреса 11 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 АЦП 8, которое преобразует аналоговый сигнал в цифровой вид. Эти данные поступают на вход данных ОЗУ 10 и записываются по адресу, сформированному блоком формирования адреса 11, одновременно АЦП 8 выдает импульс на блок формирования адреса 11 для формирования следующего адреса и за время преобразования АЦП 8 на выходе блока формирования адреса 11 сформируется следующий адрес. 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, которая сбросит блок формирования временного интервала 3 в состояние логического нуля (точка t₁ фиг.2). Таким образом, на выходе блока формирования временного интервала 3 получится импульс, длительность которого равна времени (t ₁-t₀). Блок управления и индикации 1 осуществляет вычисление этого временного интервала с помощью внутреннего таймера-счетчика. Одновременно с переключением блока формирования временного интервала 3 в состояние логического нуля блок управления и индикации 1 запрещает автономную работу блока формирования адреса 11 и осуществляет последовательную выборку данных из ОЗУ 10 для определения экстремумов и подсчета их количества, определяет время t между приходом эхо-импульса и срабатыванием порогового устройства, определяет время распространения ультразвукового импульса в контролируемой среде t_p, вычисляет расстояние до отражающей поверхности h и производит индикацию этого расстояния.

Предлагаемый способ был использован в ультразвуковом уровнемере светлых нефтепродуктов. U1 равнялось 2 вольта, длина волны ультразвукового импульса - 2,5 мм, измеренное осциллографом GDS 820G время t _p равнялось 1717 мкс, t₁=1721 мкс, расчетное время распространения составило:

t_p =1721-(4/2)*1,7=1717,6 мкс.

Ошибка измерения уровня h составила:

h=С*(1717-1717,6)=(1,5*10⁶)*(0,6*10^-6 )=0,9 мм.

Экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня не превышает /2.