RU2471158C1 - Method of compensating for ultrasonic level gauge measurement errors - Google Patents
Method of compensating for ultrasonic level gauge measurement errors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2471158C1 RU2471158C1 RU2011132252/28A RU2011132252A RU2471158C1 RU 2471158 C1 RU2471158 C1 RU 2471158C1 RU 2011132252/28 A RU2011132252/28 A RU 2011132252/28A RU 2011132252 A RU2011132252 A RU 2011132252A RU 2471158 C1 RU2471158 C1 RU 2471158C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- interval
- time
- signal
- received signal
- time interval
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
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 oil depots, as well as in the chemical, oil, food and other sectors of the economy.
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.A known method of compensating for the error of acoustic location level gauges (RF patent 2129703, IPC G01F 23/28, publ. 04/27/1999), including radiation and reception of ultrasonic pulses, the formation of reference and measuring time intervals, their digital conversion, respectively, using clock and counting pulses and an indication of the distance from the acoustic sensor to the measured level.
Недостатком известного способа является низкая точность измерения, обусловленная невозможностью учета временного интервала между началом отраженного ультразвукового импульса и моментом срабатывания порогового устройства.The disadvantage of this method 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.
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.A known method of compensating for the measurement error of an ultrasonic level meter (RF patent No. 2389981, IPC G01F 23/28, published on 05/20/2010), selected as a prototype, including measuring the time interval between emitted and received signals, converting the input analog signal to a digital code with a frequency , at least ten times higher than the frequency of the input signal, remembering it, determining at least three minimum points and three maximum points in adjacent periods of the stored signal, constructing one envelope of the input signal by e their points of maximum and the second input signal envelope to these minimum points, determination of the time coordinate point of intersection of these envelopes, using it as the start of the echo pulse and application in the determination of the distance to the reflective surface by multiplying the propagation velocity of ultrasound in a controlled environment on a measured time interval.
Недостатком известного способа является необходимость осуществления аналого-цифровых преобразований с частотой, превышающей частоту входного сигнала не менее чем в десять раз.The disadvantage of this method is the need for analog-to-digital conversion with a frequency exceeding the frequency of the input signal by at least ten times.
Задачей изобретения является создание способа компенсации погрешности ультразвукового уровнемера, обеспечивающего снижение минимальной частоты аналого-цифровых преобразований при сохранении высокой точности измерений.The objective of the invention is to provide a method of compensating for the error of an ultrasonic level gauge, which reduces the minimum frequency of analog-to-digital conversions while maintaining high measurement accuracy.
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.The problem is solved due to the fact that in the method of compensation of the measurement error of the ultrasonic level gauge, as in the prototype, the time interval between the emitted and received signals is measured, the input analog signal is converted into a digital code, it is stored and the distance to the reflecting surface is determined by multiplying the speed propagation of ultrasound in a controlled environment over a measured time interval.
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.According to the invention, after measuring the time interval, the initial portion of the received signal previously processed by the peak detector is digitized and saved, the moment of the end of the rise interval of the received signal is determined from the stored data, the coefficients of the expression are described that describe the second-order envelope passing through the two extreme points of the rise interval of the received signal and the point lying in the middle of this interval, determine the point in time at which the value of the expression describing the envelope nd is zero, taking it as the origin of the echo pulse and is used in determining the distance to the reflecting surface.
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.Determining the point in time at which the value of the expression describing the envelope of the signal processed by the peak detector is zero and using it as the point in time corresponding to the beginning of the echo pulse allows us to compensate for the measurement error of the ultrasonic level gauge. Signal processing by a peak detector before its digitization allows one to reduce the minimum conversion frequency by an order of magnitude in comparison with the prototype.
На фиг.1 представлена схема устройства, реализующего заявленный способ.Figure 1 presents a diagram of a device that implements the claimed method.
На фиг.2 представлена диаграмма, иллюстрирующая заявленный способ.Figure 2 presents a diagram illustrating the claimed method.
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).A device that implements the claimed method (figure 1) contains a
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.The control and
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
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 tПОР (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 UПОР (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:To bring the circuit to its initial state, the control and
0.05·(U2-U1)≥(Un-Un-1),0.05 · (U 2 -U 1 ) ≥ (U n -U n-1 ),
где U1 - значение амплитуды сигнала, полученное в результате 1-го аналого-цифрового преобразования,where U 1 is the value of the signal amplitude obtained as a result of the 1st analog-to-digital conversion,
U2 - значение амплитуды сигнала, полученное в результате 2-го аналого-цифрового преобразования,U 2 - the value of the signal amplitude obtained as a result of the 2nd analog-to-digital conversion,
Un-1 - значение амплитуды сигнала, полученное в результате аналого-цифрового преобразования в момент времени, предшествующий моменту, принимаемому за окончание интервала нарастания сигнала,U n-1 - the value of the amplitude of the signal obtained as a result of analog-to-digital conversion at the point in time preceding the moment taken as the end of the interval of rise of the signal,
Un - значение амплитуды сигнала, полученное в результате аналого-цифрового преобразования в момент времени, принимаемый за момент окончания интервала нарастания сигнала.U n is the value of the signal amplitude obtained as a result of analog-to-digital conversion at a time taken as the end of the signal rise interval.
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:Then, the control and
, ,
где tA, tB, tC - моменты времени, соответствующие точкам A, B и C,where t A , t B , t C - time points corresponding to points A, B and C,
UА, UB, UC - амплитуды сигнала в точках A, B и C соответственно,U A , U B , U C - signal amplitudes at points A, B and C, respectively,
a, b, c - коэффициенты выражения, описывающего огибающую второго порядка.a, b, c - coefficients of the expression describing the envelope of the second order.
Затем, решая уравнениеThen, solving the equation
, ,
блок управления и индикации 3 находит момент времени tКОМП (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.the control and
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 λ 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.As an example, consider determining the distance of the claimed method. A
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.Using the claimed error compensation method, the control and
Ошибка измерения составила 1500·(214.66·10-6-214.5·10-6)=0.24 мм.The measurement error was 1500 · (214.66 · 10 -6 -214.5 · 10 -6 ) = 0.24 mm.
Таким образом, экспериментально установлено, что погрешность измерения не превышает λ/2.Thus, it was experimentally established that the measurement error does not exceed λ / 2.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011132252/28A RU2471158C1 (en) | 2011-07-29 | 2011-07-29 | Method of compensating for ultrasonic level gauge measurement errors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011132252/28A RU2471158C1 (en) | 2011-07-29 | 2011-07-29 | Method of compensating for ultrasonic level gauge measurement errors |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2471158C1 true RU2471158C1 (en) | 2012-12-27 |
Family
ID=49257545
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011132252/28A RU2471158C1 (en) | 2011-07-29 | 2011-07-29 | Method of compensating for ultrasonic level gauge measurement errors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2471158C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2129703C1 (en) * | 1995-12-07 | 1999-04-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Центр внедрения систем промышленного назначения" | Process of compensation of errors of acoustic location level indicators and device for its implementation |
RU2380659C1 (en) * | 2008-12-01 | 2010-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Method of compensating ultrasonic level gauge measurement errors |
RU2384822C1 (en) * | 2008-12-01 | 2010-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Measurement error compensation device of ultrasonic level gauge |
RU2389982C1 (en) * | 2009-04-06 | 2010-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Method of compensating for errors in ultrasonic level gauge measurements |
RU2389981C1 (en) * | 2009-01-11 | 2010-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Method of compensating for errors in ultrasonic level gauge measurements |
-
2011
- 2011-07-29 RU RU2011132252/28A patent/RU2471158C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2129703C1 (en) * | 1995-12-07 | 1999-04-27 | Товарищество с ограниченной ответственностью "Центр внедрения систем промышленного назначения" | Process of compensation of errors of acoustic location level indicators and device for its implementation |
RU2380659C1 (en) * | 2008-12-01 | 2010-01-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Method of compensating ultrasonic level gauge measurement errors |
RU2384822C1 (en) * | 2008-12-01 | 2010-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Measurement error compensation device of ultrasonic level gauge |
RU2389981C1 (en) * | 2009-01-11 | 2010-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Method of compensating for errors in ultrasonic level gauge measurements |
RU2389982C1 (en) * | 2009-04-06 | 2010-05-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский политехнический университет" | Method of compensating for errors in ultrasonic level gauge measurements |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9557208B2 (en) | Liquid level measuring apparatus, method, and program | |
EP2912406B1 (en) | Ultrasonic measurement apparatus and method | |
US9182500B2 (en) | Method and system for amplitude digitization of nuclear radiation pulses | |
RU2389981C1 (en) | Method of compensating for errors in ultrasonic level gauge measurements | |
CN105066918A (en) | Ultrasonic underwater target thickness measuring system and thickness measuring method | |
RU2389982C1 (en) | Method of compensating for errors in ultrasonic level gauge measurements | |
CN114637021B (en) | Sub-centimeter-level full-waveform laser radar ranging method and device | |
RU2358243C1 (en) | Method of compensating measurement errors of ultrasonic level gauge | |
JP2008500523A (en) | Apparatus and method for evaluating dimensional characteristics of cylindrical object | |
CN103075981A (en) | Ultrasonic thickness measuring method | |
RU2380659C1 (en) | Method of compensating ultrasonic level gauge measurement errors | |
RU2544310C1 (en) | Method to compensate for error of measurement of ultrasonic locator | |
CN107576964B (en) | Echo time measuring method of linear frequency conversion signal | |
Wang et al. | A novel method for digital ultrasonic time-of-flight measurement | |
RU2471158C1 (en) | Method of compensating for ultrasonic level gauge measurement errors | |
RU2470267C1 (en) | Device to compensate for error in measurement by ultrasonic level metre | |
JP5940350B2 (en) | Vibration measuring apparatus and vibration measuring method | |
RU2406979C2 (en) | Device for compensating for errors in ultrasonic level gauge measurements | |
CN111189513A (en) | Ultrasonic liquid level measurement method and device and ultrasonic liquid level meter | |
RU2723146C1 (en) | Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails and device for its implementation | |
RU2714868C1 (en) | Method of detecting pitting corrosion | |
Wang et al. | Optional optimization algorithms for time-of-flight system | |
CN207232088U (en) | A kind of container corrosion detection device | |
RU2384822C1 (en) | Measurement error compensation device of ultrasonic level gauge | |
RU2437066C1 (en) | Method for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs and apparatus for ultrasonic measurement of level of liquid in reservoirs |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130730 |
|
NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20150610 |
|
QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20150611 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170730 |