RU2396521C1

RU2396521C1 - Device for compensating for ultrasonic level gauge measurement errors

Info

Publication number: RU2396521C1
Application number: RU2009112968/28A
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Солдатов (RU); Алексей Иванович Солдатов; Сергей Александрович Цехановский (RU); Сергей Александрович Цехановский; Павел Владимирович Сорокин (RU); Павел Владимирович Сорокин; Виктор Степанович Макаров (RU); Виктор Степанович Макаров
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2010-08-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device has an ultrasonic pulse generator connected to an emitter and series-connected receiver, amplifier, threshold device, time interval formation unit, control and display unit whose output is connected to the generator and the input of the time interval formation unit, a reference voltage source connected to the input of the threshold device. The device also has a crystal oscillator and a time interval measurement unit whose inputs are connected to the threshold device and to the crystal oscillator, and the output to the control and display unit. The reference voltage source is connected to the input of the control and display unit.

EFFECT: compensation for ultrasonic level gauge measurements caused by uncontrolled time interval between the onset of the echo pulse and operation of the threshold device.

3 dwg

Description

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.The invention relates to ultrasonic location level meters of liquid and bulk products in tanks at gas stations and tank farms, as well as in the chemical, oil, food and other sectors of the economy.

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 со 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.A device is known for compensating errors of acoustic location level gauges (RF patent No. 2129703, IPC G01F 23/28, publ. 04/27/1999), which includes an acoustic sensor with a transmitter connected to the output of the probe pulse generator and a receiver connected to the output through an amplifier with the input of the separator of the reference and measuring signals, a reference reflector located at a fixed distance from the acoustic sensor, digital converters of the reference and measuring time intervals, clock inputs of which They are connected to the corresponding outputs of the synchronizer, and the information inputs are connected to the corresponding outputs of the separator of reference and measuring signals, a counting pulse generation unit, the clock input of which is connected to the corresponding output of the synchronizer, and the output to the counting input of the digital converter of the measuring interval, and the digital distance indication unit from an acoustic sensor to a measured level, containing a block for stabilizing the number of counting pulses, connected between the output of the digital conversion the caller of the reference interval and the input of the unit for generating counting pulses, the correcting matrix of switches connected to the boot inputs of the digital converter of the reference interval, the unit for stabilizing the number of counting pulses, made in the form of an adder-averager of the code to be converted into frequency in the block for forming the counting pulses, between the digital output the measuring interval transducer and the input of the digital indication unit the distance from the acoustic sensor to the measured level is turned on olnitelny adder-averager code, the timing inputs of both adders-code averager coupled to respective outputs of the synchronizer.

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.A disadvantage of the known device is the low accuracy of the measurement, due to the inability to take into account the time interval between the beginning of the reflected ultrasonic pulse and the moment of operation of the threshold device, which can vary in a turbulent dispersing gas or liquid medium, as well as in environments with a varying attenuation coefficient.

Известно устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера (патент на полезную модель РФ №75034, МПК (2006.01) G01F 23/28, опубл. 20.07.2008), выбранное в качестве прототипа, включающее генератор ультразвуковых импульсов, соединенный с излучателем, и последовательно соединенные приемник, усилитель, пороговое устройство, блок формирования временного интервала и блок управления и индикации, источник опорного напряжения, подключенный к пороговому устройству.A device is known for compensating for the error of measurement of an ultrasonic level meter (patent for a utility model of the Russian Federation No. 75034, IPC (2006.01) G01F 23/28, published July 20, 2008), selected as a prototype, including an ultrasonic pulse generator connected to an emitter and a receiver connected in series , an amplifier, a threshold device, a time interval generating unit and a control and indication unit, a voltage reference source connected to the threshold device.

Недостатком известного устройства является высокая погрешность измерения, обусловленная отклонением формы огибающей отраженных ультразвуковых импульсов от линейно-нарастающей за счет распространения в волноводе.A disadvantage of the known device is the high measurement error due to the deviation of the envelope shape of the reflected ultrasonic pulses from linearly increasing due to propagation in the waveguide.

В изобретении решается задача создания устройства, обеспечивающего компенсацию погрешности измерения ультразвукового уровнемера.The invention solves the problem of creating a device that provides compensation for the measurement error of the ultrasonic level gauge.

Поставленная задача решена за счет того, что устройство компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера так же, как в прототипе, 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, подключенный к входу порогового устройства.The problem is solved due to the fact that the device for compensating the measurement error of the ultrasonic level gauge, as in the prototype, contains an ultrasonic pulse generator connected to the emitter, and a receiver, amplifier, threshold device, a time interval forming unit, a control and indication unit, the output of which is connected to the generator and the input of the time interval forming unit, the reference voltage source connected to the input of the threshold device.

Согласно изобретению устройство дополнительно содержит кварцевый генератор и блок измерения временных интервалов, входы которого подключены к пороговому устройству и к кварцевому генератору, а выход - к блоку управления и индикации, при этом источник опорного напряжения подключен к входу блока управления и индикации.According to the invention, the device further comprises a crystal oscillator and a time interval measuring unit, the inputs of which are connected to a threshold device and to a crystal oscillator, and the output to a control and indication unit, while the reference voltage source is connected to the input of the control and indication unit.

Предложенная схема устройства компенсации погрешности измерения ультразвукового уровнемера позволяет компенсировать погрешность измерения ультразвукового уровнемера.The proposed scheme of the device for compensation of the measurement error of the ultrasonic level gauge allows you to compensate for the measurement error of the ultrasonic level gauge.

На фиг.1 представлена схема устройства.Figure 1 presents a diagram of a device.

На фиг.2 представлена диаграмма, иллюстрирующая принцип работы предлагаемого устройства.Figure 2 presents a diagram illustrating the principle of operation of the proposed device.

На фиг.3 представлен пример осциллограмм эхо-импульса и импульного сигнала с изменяемой длительностью на выходе порогового устройства.Figure 3 presents an example of oscillograms of an echo pulse and a pulse signal with a variable duration at the output of a threshold device.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, 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 связан с входом порогового устройства 7. К другому входу порогового устройства 7 подключен источник опорного напряжения 8 (ИОН) и блок управления и индикации 1. Выход порогового устройства 7 подключен к входу блока измерения временных интервалов 9 и входу блока формирования временного интервала 3, выход которого подключен к блоку управления и индикации 1. К другому входу блока измерения временных интервалов 9 подключен кварцевый генератор 10. Выход блока измерения временных интервалов 9 подключен к блоку управления и индикации 1.A device that implements the proposed method includes a control and indication unit 1, the output of which is connected to the generator 2 and the input of the time interval forming unit 3. The generator 2 is connected to the emitter 4. The receiver 5 is connected to an amplifier 6, the output of which is connected to the input of the threshold device 7. The reference voltage source 8 (ION) and the control and indication unit 1 are connected to another input of the threshold device 7. The output of the threshold device 7 is connected to the input of the time interval measuring unit 9 and the input of the time generating unit about interval 3, the output of which is connected to the control and indication unit 1. A crystal oscillator 10 is connected to another input of the time interval measuring unit 9. The output of the time interval measuring unit 9 is connected to the control and indication unit 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 8 выбран типовым REF 192 фирмы ANALOG DEVICES в стандартном включении, блок измерения временных интервалов 9 может быть выполнен на типовых двоичных реверсивных счетчиках с задержкой переключения меньшей частоты кварцевого генератора 10, например К1554ИЕ7, кварцевый генератор 10 может быть выполнен на типовой микросхеме, OSC 120 MГц.The control and indication unit 1 can be performed on an ATMEGA16 microcontroller and seven-segment indicators of the type DA56-11SRWA; an internal timer-counter is used to calculate the time interval. The unit for the formation of the time interval 3 is made on a standard chip K1554TM2. As a threshold device 7, a comparator K521CA3 was used. Generator 2 can be made according to the scheme with the discharge of the storage capacitance on thyristors of the type KU104G. The receiver 5 and the emitter 4 can be made of any piezoceramics, for example TsTS-19. The amplifier 6 can be performed on an operational amplifier, for example K544UD2. The reference voltage source 8 is selected by the standard REF 192 of ANALOG DEVICES company in the standard inclusion, the time interval measuring unit 9 can be performed on typical binary reversible counters with a switching delay of a lower frequency of the crystal oscillator 10, for example K1554IE7, the crystal oscillator 10 can be performed on a standard microcircuit, OSC 120 MHz.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Блок управления и индикации 1 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 порогового устройства 7. На второй вход порогового устройства 7 подается напряжение с источника опорного напряжения 8 (ИОН) U1. Как только напряжение на выходе усилителя 6 превысит напряжение U1, выход порогового устройства 7 переключится в состояние логической 1, которая сбрасывает блок формирования временного интервала 3 в состояние логического нуля (точка t₁ фиг.1). Таким образом, на выходе блока формирования временного интервала 3 получится импульс, длительность которого равна времени (t₁-t₀). Блок управления и индикации 1 осуществляет вычисление этого временного интервала с помощью внутреннего таймера-счетчика. Как только напряжение на выходе усилителя 6 станет меньше U1, выход порогового устройства 7 сброситься в ноль, и на его выходе получается первый временной интервал Δt₁, переключение выхода порогового устройства 7 будет происходить до тех пор, пока амплитудное значение сигнала на выходе усилителя 6 будет превышать пороговое напряжение U1 и на его выходе будут формироваться временные интервалы Δt₂, Δt₃ и т.д. Блок измерения временных интервалов 9 производит измерение длительности импульсов, появляющихся на выходе порогового устройства 7. Блок управления и индикации 1 считывает данные с блока измерения временных интервалов 9, с источника опорного напряжения 8 (ИОН) и в соответствии с программой рассчитывает временную координату начала ответного сигнала. Используя эту координату, определяет расстояние до отражающей поверхности и производит индикацию этого расстояния.The control and display unit 1 generates a start pulse for the ultrasonic generator 2, with the same pulse, the time interval 3 formation unit is set to the state of a logical unit. The generator 2 excites the emitter 4. The emitted ultrasonic pulse propagates through the controlled environment and is received by the receiver 5, amplified by the amplifier 6 and fed to the input of the threshold device 7. The voltage from the reference voltage source 8 (ION) U1 is supplied to the second input of the threshold device 7. As soon as the voltage at the output of the amplifier 6 exceeds the voltage U1, the output of the threshold device 7 will switch to the logical 1 state, which resets the time interval 3 forming unit to the logical zero state (point t _{1 of} Fig. 1). Thus, at the output of the unit for forming the time interval 3, a pulse is obtained whose duration is equal to time (t ₁ -t ₀ ). The control and display unit 1 calculates this time interval using an internal timer-counter. As soon as the voltage at the output of amplifier 6 becomes less than U1, the output of threshold device 7 is reset to zero, and the first time interval Δt _{1 is} obtained at its output, switching the output of threshold device 7 will occur until the amplitude value of the signal at the output of amplifier 6 is exceed the threshold voltage U1 and time intervals Δt ₂ , Δt ₃ , etc. will be formed at its output The time interval measurement unit 9 measures the duration of the pulses appearing at the output of the threshold device 7. The control and indication unit 1 reads data from the time interval measurement unit 9, from the reference voltage source 8 (ION) and, in accordance with the program, calculates the time coordinate of the beginning of the response signal . Using this coordinate, it determines the distance to the reflective surface and displays this distance.

В качестве примера рассмотрим определение расстояния с помощью предлагаемого устройства. 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, а период колебаний Т равнялся 1,67 мкс. Излучение и прием ультразвуковых сигналов производили с помощью заявляемого устройства и для сравнения наблюдали сигналы с помощью осциллографа GDS820G на выходе усилителя 6 (фиг.3, верхняя осциллограмма) и на выходе порогового устройства 7 (фиг.3, нижняя осциллограмма).As an example, consider determining the distance using the proposed device. In water, at a distance of 250 cm from the emitter 4, a receiver 5 was installed. The frequency of the ultrasonic signals was 600 kHz, respectively, the wavelength λ was 2.5 mm, and the oscillation period T was 1.67 μs. The radiation and reception of ultrasonic signals was performed using the inventive device and for comparison, the signals were observed using a GDS820G oscilloscope at the output of amplifier 6 (Fig. 3, upper oscillogram) and at the output of threshold device 7 (Fig. 3, lower oscillogram).

Временные интервалы на выходе порогового устройства, измеренные блоком измерения временных интервалов, имели длительностиThe time intervals at the output of the threshold device, measured by the time interval measurement unit, had durations

Δt₁=0,18 мкс, Δt₂=0,55 мкс, Δt₃=0,66 мкс.Δt ₁ = 0.18 μs, Δt ₂ = 0.55 μs, Δt ₃ = 0.66 μs.

Пороговое напряжение равнялось 0,5 В. По этим данным блок управления и индикации 1, в соответствии с алгоритмом, рассчитывает координаты трех точек экстремумов [A(y₁, х₁), В(у₂, х₂), С(у₃, x₃)] по уравнениям:The threshold voltage was 0.5 V. According to these data, the control and indication unit 1, in accordance with the algorithm, calculates the coordinates of three points of extrema [A (y ₁ , x ₁ ), B (y ₂ , x ₂ ), C (y ₃ , x ₃ )] by the equations:

x₁=t₁+Δt₁/2, x₂=t₁+2T+Δt₂/2, x₃=t₁+4T+Δt₃/2,x ₁ = t ₁ + Δt _1/2 x ₂ = t ₁ + 2T + Δt _2/2, x ₃ = t ₁ + 4T + Δt _3/2,

в результате расчета блок управления и индикации 1 получает следующие значения координат:as a result of the calculation, the control and display unit 1 receives the following coordinate values:

у₁=0,53; у₂=0,979; у₃=1,55;y ₁ = 0.53; y ₂ = 0.979; ₃ = 1.55;

х₁=1700,9; х₂=1702,57; x₃=1704,24.x ₁ = 1700.9; x ₂ = 1702.57; x ₃ = 1704.24.

По этим координатам блок управления и индикации 1 составляет систему трех квадратных уравнений с тремя неизвестными:According to these coordinates, the control and display unit 1 makes up a system of three quadratic equations with three unknowns:

Решает эту систему уравнений и находит коэффициенты а₁, b₁ и с₁ и подставляет их в уравнение огибающей:Solves this system of equations and finds the coefficients a ₁ , b ₁ and c ₁ and substitutes them in the envelope equation:

у=a₁x²+b₁x+c₁ y = a ₁ x ² + b ₁ x + c ₁

Затем, в соответствии с программой, находит точку пересечения огибающей с осью абсцисс, путем приравнивания уравнения к нулю и нахождения его решения:Then, in accordance with the program, finds the point of intersection of the envelope with the abscissa axis, by equating the equation to zero and finding its solution:

a₁x²+b₁x+c₁=0a ₁ x ² + b ₁ x + c ₁ = 0

Временная координата точки пересечения, определенная по этому уравнению равна:The time coordinate of the intersection point determined by this equation is:

х=1697,67 мкс.x = 1697.67 μs.

Измеренное осциллографом GDS 820G время t_p составило 1698 мкс.The time t _p measured by the GDS 820G oscilloscope was 1698 μs.

Ошибка измерения уровня Δh составила:The error in measuring the level Δh was:

Δh=С·(1698-1697,67)=(1,5·10⁶)·(0,33·10^-6)=0,66 мм,Δh = C · (1698-1697.67) = (1.5 · 10 ⁶ ) · (0.33 · 10 ^-6 ) = 0.66 mm,

где С - скорость распространения ультразвука в воде.where C is the speed of propagation of ultrasound in water.

Таким образом, экспериментально установлено, что погрешность измерения уровня не превышает λ/2.Thus, it was experimentally established that the level measurement error does not exceed λ / 2.

Claims

A device for compensating the measurement error of an ultrasonic level gauge containing an ultrasonic pulse generator connected to an emitter and a receiver, amplifier, threshold device, a time interval forming unit, a control and indication unit, the output of which is connected to a generator and an input of a time interval forming unit, a reference source voltage connected to the input of the threshold device, characterized in that it further comprises a crystal oscillator and a time measurement unit ennyh intervals, the inputs of which are connected to the threshold device and the crystal oscillator, and an output - to the control and display unit, wherein the reference voltage source is connected to the input of the control and display unit.