УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР Российский патент 2007 года по МПК G01F23/28 G01S15/00 

Предлагаемое изобретение относится к технике измерения уровня жидкости в резервуаре с помощью ультразвука и может быть использовано в уровнемерах, работающих в условиях, когда в резервуаре с жидкостью присутствует высокий уровень гидроакустических шумов и импульсных помех.

В известном [1] ультразвуковом уровнемере "PROBE" фирмы "Siemens Miltronics" используется технология обработки эхо-сигналов, обеспечивающая высокую достоверность результатов измерения в условиях действия акустических шумов. Для достоверного измерения требуется провести "обучающее" заполнение резервуара для выявления помех и их учета в процессе измерения, однако, если в процессе работы возникают импульсные помехи, отличные от процесса "обучения", возможны ложные измерения уровня.

В известной [2] "Акустической системе для измерения расстояния", содержащей микропроцессор, память, ряд интерфейсов, дисплей, передатчик, приемник, электроакустический преобразователь, пороговый уровень для обнаружения эхо-сигналов поверхности формируется путем линейной регрессии эхо-сигналов в каждом цикле "излучение-прием". Результаты сравнения эхо-сигналов с пороговым уровнем по нескольким циклам "излучение-прием" объединяются для выбора с наибольшей достоверностью истинных эхо-сигналов поверхности на основе обобщенных результатов.

При динамическом изменении уровня в резервуаре в работе "Акустической системы измерения расстояния" возможны пропуски в измерении уровня и ложные измерения вследствие быстрого временного смещения эхо-сигналов поверхности более чем на длительность эхо-сигнала за время одного цикла "излучение-прием".

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому уровнемеру является "Эхолот" [3], который содержит пьезовибратор, усилитель, генератор, детектор, пороговое устройство, блок индикации, устройство измерения временных интервалов, синхронизирующее устройство, блок ВАРУ. В процессе обнаружения эхо-сигналов поверхности используется пороговый уровень, с которым сравнивается амплитуда эхо-сигналов.

В процессе работы уровнемеров на них воздействуют, помимо гидроакустических и электрических шумов, импульсные помехи, к которым можно отнести переотражения самого зондирующего импульса, зондирующие импульсы других активных систем, работающих в том же резервуаре, отражения от неоднородностей в измеряемой среде, от близко расположенных элементов конструкций (трубопроводы, провода, щели, шероховатые стенки, швы конструкций).

Недостатком прототипа является использование неадаптивного к уровню гидроакустических шумов и импульсных помех, изменяющихся во времени, что затрудняет правильное обнаружение эхо-сигналов поверхности и снижает помехоустойчивость эхолота и достоверность результатов измерения.

Известно, что для получения достоверных результатов измерения надо обеспечить соотношение сигнал/помеха на входе порогового устройства не ниже требуемого. Для этого необходимо в каждом цикле "излучение-прием" обеспечить во времени стационаризацию давления шумов и помех на входе усилителя и превышение давления эхо-сигнала на всей дистанции измерения над уровнем шумов и помех ([8], стр.139-143) в необходимое число раз, определяемое заданной достоверностью ([4], стр.74-76).

Для стационаризации амплитуды эхо-сигналов, гидроакустических шумов используются приемные усилители, охваченные временной автоматической регулировкой усиления (ВАРУ) ([4], стр.36), однако они не могут обеспечить полного выравнивания амплитуды гидроакустических шумов и помех в условиях не стационарного во времени затухания в измеряемой среде.

Применение изменяющегося порога, уменьшающегося во времени, также не может полностью скомпенсировать действие изменяющихся гидроакустических шумов и помех по тем же причинам, так как реальное распределение затухания в каждом конкретном резервуаре отличается от "заложенного" в закон изменения коэффициента усиления или напряжения порога.

Это затрудняет обнаружение эхо-сигналов поверхности в условиях действия шумов и импульсных помех и снижает помехоустойчивость уровнемеров и достоверность результатов.

Задачей изобретения является повышение помехоустойчивости уровнемера и достоверности измерений за счет использования адаптивного к уровню шумов и помех порога обнаружения эхо-сигналов поверхности.

Для решения поставленной задачи в уровнемер, содержащий последовательно соединенные генератор радиоимпульсов, усилитель, детектор, а также пьезовибратор, подсоединенный к генератору радиоимпульсов и усилителю, блок временной автоматической регулировки усиления, выход которого соединен со входом управления усилителя, дополнительно введены дисплей, микроконтроллер, компаратор, аттенюатор, измеритель временных интервалов, сумматор и формирователь порогового напряжения, причем один выход микроконтроллера подключен к дисплею, а второй выход соединен со входами блока временной автоматической регулировки усиления, генератора, формирователя порогового напряжения и измерителя временных интервалов, выход которого подключен ко входу микроконтроллера, а второй вход измерителя временных интервалов подключен к выходу компаратора, один из входов которого соединен со входом аттенюатора и выходом детектора, второй вход с выходом сумматора, один вход которого соединен с аттенюатором, а второй вход с формирователем порогового напряжения.

Сущность предлагаемого изобретения представлена на фиг.1, где:

1 - дисплей,

2 - микроконтроллер,

3 - генератор радиоимпульсов,

4 - блок временной автоматической регулировки усиления,

5 - измеритель временных интервалов,

6 - усилитель,

7 - детектор,

8 - аттенюатор,

9 - компаратор,

10 - сумматор,

11 - формирователь порогового напряжения,

12 - пьезовибратор,

13 - резервуар с жидкостью.

На фиг.2 приведены графики, иллюстрирующие работу уровнемера.

На фиг.3 приведен один из возможных вариантов блок-схемы формирователя порогового напряжения 11.

На фиг.4 приведен один из возможных вариантов блок-схемы измерителя временных интервалов 5.

Известно ([4], стр.76, ф.2.41), что с некоторой вероятностью в данном цикле "излучение-прием" напряжение шумов и помех может превысить напряжение порога, установленное с учетом необходимого соотношения сигнал/помеха, и тогда результаты измерения уровня будут являться ошибочными, то есть иметь низкую достоверность. Для повышения помехоустойчивости уровнемера необходимо изменять коэффициент усиления приемного усилителя во времени, чтобы стационаризировать напряжение шумов и помех на входе приемного устройства. Однако, как показывает опыт, только этого недостаточно. Необходимо формировать напряжение порога на входе порогового устройства (компаратора) с учетом текущего (в каждый момент времени цикла "излучение-прием") значения напряжения шумов и помех, то есть сделать его адаптивным к уровню шумов и помех, что особенно важно, если преобладают импульсные помехи.

Для решения задачи формирования адаптивного порога необходимо часть напряжения огибающей эхо-сигнала с выхода детектора в каждом цикле "излучение-прием" суммировать с напряжением порога и подать на опорный вход компаратора напряжения, на сигнальный вход которого прямо с выхода детектора подается отфильтрованное напряжение огибающей эхо-сигнала.

Тем самым напряжение порога будет увеличиваться пропорционально величине напряжения шумов и помех в те же моменты времени, когда они присутствуют, а это увеличивает помехоустойчивость уровнемера и достоверность измерений.

Известно, что при распространении сигнала в среде, например в жидкости, происходит его затухание ([4], стр.70, ф.2.24) и, если ВАРУ неспособна скомпенсировать уменьшение амплитуды эхо-сигнала при существенном его затухании, например, на больших дистанциях, следует сделать порог также убывающим во времени от момента излучения зондирующего сигнала с тем, чтобы обеспечить по всей дистанции (для всех уровней измерения) примерно одинаковое соотношение сигнал/помеха.

Предлагаемый ультразвуковой уровнемер работает следующим образом.

Микроконтроллер 2 с периодом Т (фиг.2а) больше, чем время распространения зондирующего сигнала на максимально измеряемый уровень и обратно, вырабатывает импульс запуска длительностью τ, который запускает генератор радиоимпульсов 3, устанавливает в исходное состояние измеритель временных интервалов 5 и запускает блок временной автоматической регулировки усиления 4, который вырабатывает изменяющееся во времени напряжение и которое изменяет коэффициент усиления усилителя 6 от минимального к максимальному к концу цикла "излучение-прием", то есть к следующему импульсу запуска. Также импульс запуска от микроконтроллера запускает формирователь порогового напряжения 11, с выхода которого на один из входов сумматора 10 поступает экспоненциально затухающее напряжение U_ПОР от U_{ПОР.МАХ} до U_ПОР.MIN (фиг.2б).

На фиг.3 приведен один из возможных вариантов блок-схемы формирователя порогового напряжения 11.

Формирователь порогового напряжения работает следующим образом.

При подаче импульса запуска длительностью τ на ключ он замыкается и конденсатор от источника опорного напряжения заряжается до опорного напряжения U_{ПОР.МАХ}=U_ОП, а затем разряжается через резистор R с постоянной разряда τ_РАЗ=RC до напряжения задаваемого делителем, образованным последовательно соединенными упомянутыми ранее резистором и конденсатором и другим резистором R₁, свободный вывод которого подключен к выходу источника опорного напряжения. Таким образом формируется на конденсаторе U_ПОР (фиг.2б) от U_ПОР.MAX до U_ПОР.MIN.

После запуска генератор 3 вырабатывает зондирующий импульс длительностью τ (фиг.2а) с заполнением частотой, равной рабочей частоте пьзовибратора 12. Зондирующий импульс поступает на пьезовибратор 12, который излучает его в жидкость. Пьезовибратор 12 помещен в резервуар с жидкостью, уровень которой необходимо измерить. Отраженный от поверхности эхо-сигнал преобразуется в пьезовибраторе 12 в напряжение и усиливается усилителем 6, который сжимает его динамический диапазон на глубину действия ВАРУ, и далее детектор 7 выделяет огибающую эхо-сигнала U_С+П и фильтрует ее (фиг.2в, где U_П - напряжение импульсной помехи, U_С - напряжение эхо-сигнала поверхности). С выхода детектора 7 огибающая эхо-сигнала поступает на сигнальный вход компаратора 9 и вход аттенюатора 8. Ослабленное аттенюатором 8 в m раз напряжение огибающей эхо-сигнала поступает на второй вход сумматора 10, и с его выхода напряжение U_А.ПОР (фиг.2г) поступает на опорный вход компаратора 9. Если напряжение U_С+П на сигнальном входе компаратора 9 больше, чем на опорном U_А.ПОР то компаратор 9 вырабатывает импульс t_C (фиг.2д), передний фронт которого фиксирует в измерителе временных интервалов время t_З, измеренное от момента излучения зондирующего импульса до момента превышения адаптивного порога U_A.ПОР напряжением U_C+П во время t_C (фиг.2д).

На фиг.4 приведен один из возможных вариантов блок-схемы измерителя временных интервалов, который работает следующим образом.

При подаче на S-вход D-триггера импульса запуска от микроконтроллера выход D-триггера устанавливается в "1", и разрешается работа таймера по подсчету числа поступивших импульсов τ_И за время t_З. Импульс с выхода компаратора 9 подается на тактовый вход D-триггера, при этом на D-вход D-триггера подан уровень логического нуля и устанавливает его выход в "0", тем самым останавливает счет тактовых импульсов таймером. Микроконтроллер считывает число подсчитанных тактовых импульсов с известным периодом τ_И и рассчитывает время задержки t_З эхо-сигналов поверхности.

Далее микроконтроллер 2 считывает данные о времени t_З из измерителя временных интервалов 5 и вычисляет по известной скорости звука С уровень Н=С·t_З/2 и затем выводит уровень Н на дисплей 1 в цифровом виде.

Считывание микроконтроллером 2 данных из измерителя временных интервалов 5 может осуществляться либо по команде, формируемой измерителем временных интервалов 5, либо по переднему фронту импульса запуска τ (фиг.2а).

По прошествии времени Т микроконтроллер вновь вырабатывает импульс запуска, и начинается новый цикл "излучение-прием".

Таким образом, в каждом цикле "излучение-прием" микроконтроллер рассчитывает измеренный уровень.

Необходимым условием для достоверной работы уровнемера является выполнение неравенств для одного и того же момента времени

то есть

где U_A.ПОР - напряжение адаптивного порога;

U_П - напряжение помехи;

U_C - напряжение эхо-сигнала поверхности;

m - коэффициент деления аттенюатора 8.

Таким образом, видно, что отношение показывает степень увеличения помехоустойчивости уровнемера.

Рассмотрим пример.

Пусть U_ПОР=3 В, U_c=7 В, U_П=5 В, m=2.

Тогда .

U_A.ПОР>U_П=5 В, следовательно, помеха не вызывает срабатывания компаратора 9, хотя U_П>U_ПОР.

и сигнал вызовет срабатывание компаратора.

Или пусть U_ПОР=1,5 В, U_c=3,5 В, U_П=2 В, m=2.

Тогда

то есть помеха не обнаружится, а эхо-сигнал поверхности обнаружится.

Значение коэффициента деления m аттенюатора 8 необходимо устанавливать исходя из максимального значения амплитуды помехи и эхо-сигнала от поверхности жидкости, используя неравенства 1 и 2, либо сделать его переменным и регулировать в процессе работы уровнемера. Видно, что если m→∞, то алгоритм работы предлагаемого уровнемера сводится к прототипу.

Также необходимо, чтобы напряжение эхо-сигнала от поверхности жидкости было больше напряжения импульсной помехи, что, как правило, выполнимо путем правильной ориентации пьезовибратора 12 в резервуаре с жидкостью 13 и выбором уровня излучаемой мощности пьезовибратора 12.

Таким образом, выбирая коэффициент деления m аттенюатора 8 и значения порогового напряжения U_{ПОР.МАХ} и U_ПОР.MIN, можно обеспечить достоверные измерения уровня даже в условиях, когда напряжение помехи ненамного меньше напряжения эхо-сигнала поверхности.

Для практического выполнения уровнемера в качестве микроконтроллера 2 применен микроконтроллер фирмы ATMEL AMEGA 8535, содержащий ОЗУ, ПЗУ и ряд необходимых интерфейсов.

В качестве генератора радиоимпульсов 3 используется генератор с внешним запуском ([5], рис.9, 10), к выходу которого подключен импульсный мостовой усилитель мощности, выполненный на МОП-транзисторах.

В качестве усилителя 6 применяется микросхема AD600 фирмы ANALOG DEVICES - усилитель с регулировкой коэффициента усиления напряжением 0...80 дБ.

В качестве детектора 7 используется операционный усилитель ОР467 по схеме, приведенной в ([6], стр.107, схема 3), с фильтром низкой частоты для выделения огибающей эхо-сигнала.

В качестве аттенюатора 8 применяется резистивный делитель, а если необходимо регулировать степень подавления импульсных помех, применять следует переменный резистор.

В качестве компаратора 9 используется микросхема 521СА3 в стандартном включении.

В качестве сумматора 10 используется быстродействующий операционный усилитель ОР467 фирмы ANALOG DEVICES.

В качестве формирователя порогового напряжения 11 используется источник опорного напряжения REF 192 фирмы ANALOG DEVICES, к выходу которого подключен интегральный ключ ADG 704, к выходу ключа подключены одним выводом параллельно соединенные резистор и конденсатор, другим выводом они подключены к общему проводу (фиг.3).

В случае, если нет необходимости иметь изменяющийся порог, следует снять импульс запуска с ключа, то есть держать его разомкнутым постоянно.

Блок ВАРУ 4 реализован на основе двоичного счетчика типа 1554ИЕ10, синхронизацию которого осуществляет обычный генератор импульсов на логических элементах И-НЕ типа 1554ЛА3, перебирающего последовательно адреса ПЗУ типа 27С256 объемом 32 к × 8 р, в котором записан закон ВАРУ, выходы данных ПЗУ должны быть подключены к входам цифроаналогового преобразователя типа AD7945, который и формирует на своем выходе изменяющееся напряжение ВАРУ от 0 В до +2,5 В, изменяющее коэффициент усиления усилителя на 80 дБ.

В качестве измерителя временных интервалов 5 используется программируемый интервальный таймер типа 82С54 [7], шины данных и управления которого подключены к шинам микроконтроллера, на тактовый вход которого подаются тактовые импульсы длительностью τ_И от генератора импульсов, например, выполненного на основе логических элементов И-НЕ типа 1554ЛА3 и кварцевого резонатора, на вход стробирования которого подается импульс длительностью t_З с выхода D-триггера 1554ТМ2.

Отметим, что конкретное выполнение измерителя временных интервалов не является определяющим при работе уровнемера.

В качестве дисплея 1 используется символьный ЖК-индикатор типа PC1602L фирмы POWERTIP.

Следует отметить, что при выборе элементной базы компаратора и сумматора следует учитывать то, что задержка распространения сигнала через аттенюатор и сумматор должна быть меньше времени срабатывания компаратора, что можно осуществить выбором в качестве сумматора широкополосного операционного усилителя, а в качестве компаратора - либо стандартного компаратора, либо стандартного операционного усилителя.

В качестве пьезовибратора 12 используется пьезокерамическая пластина в виде круглого плоского поршня, помещенная в корпус и загерметизированная полиуретаном.

Применение адаптивного порога позволяет с высокой достоверностью обнаруживать эхо-сигналы поверхности в условиях действия высокого уровня шумов и импульсных помех, обусловленных наличием в измеряемой среде дестабилизирующих факторов.

Достоинствами описанного измерителя уровня являются его полностью автоматическая работа, малогабаритность, высокая помехоустойчивость, что позволяет использовать его в условиях, где рядом работают другие активные измерительные системы, а также на подвижных носителях. Высокое быстродействие позволяет использовать описанный измеритель уровня в условиях быстрого изменения измеряемого уровня.

Применение адаптивного порога позволяет использовать описанный уровнемер в условиях, когда на кабель между электроакустическим преобразователем и усилителем действуют электромагнитные наводки, и трудно обеспечить нужный уровень экранировки, например, когда связь между электроакустическим преобразователем и усилителем должна быть гибкой исходя из условий эксплуатации.

Литература

1. Ультразвуковой уровнемер "PROBE" фирмы "Siemens".

CD компании "ProSoft" "Automation&Drives Siemens" Data Sheet. No "Probe.pdf".

2. Акустическая система для измерения расстояния. Европейский патент, G 01 S 7/52, 15/88, заявка №20340953 от 24.04.89.

3. Эхолот. Патент России 2123191 от 1998.12.10, G 01 S 15/00, заявка №971.11571/09 от 1997.07.02.

4. Хребтов А.А. и др. Судовые эхолоты. - Л.: Судостроение, 1982, с.36, 74-76.

5. Ланцов А.Л. и др. Цифровые устройства на коплементарных МДП интегральных микросхемах. - М.: Радио и связь, 1983, с.252, рис.9.9, 9.10.

6. Алексеенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М.: Радио и связь, 1981, с.107, схема 3.

7. Ю-Чжен Лю, Г. Гибсон. Микропроцессоры семейства 8086/8088. - М.: Радио и связь, 1987, с.350-353, рис.9.26.

8. Кобяков Ю.С. и др. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986, с.139-143.

Изобретение относится к технике измерения уровня с помощью ультразвуковых волн и может быть использовано в качестве уровнемера, работающего в условиях высокого уровня шумов и импульсных помех. Сущность: уровнемер содержит последовательно соединенные генератор радиоимпульсов, усилитель, детектор, а также пьезовибратор, подсоединенный к генератору радиоимпульсов и усилителю, блок временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ). При этом вход управления усилителя соединен с выходом блока временной автоматической регулировки усиления. Кроме того, в блок введены дисплей, микроконтроллер, компаратор, аттенюатор, измеритель временных интервалов, сумматор и формирователь порогового напряжения. Один выход микроконтроллера подключен к дисплею, а второй выход соединен со входами блока временной автоматической регулировки усиления, генератора формирователя порогового напряжения и измерителя временных интервалов, выход которого подключен ко входу микроконтроллера. Второй вход измерителя временных интервалов подключен к выходу компаратора, один из входов которого соединен со входом аттенюатора и выходом детектора, второй вход с выходом сумматора. Один вход сумматора соединен с аттенюатором, а второй вход с формирователем порогового напряжения. Технический результат: повышение помехоустойчивости и достоверности измерения. 4 ил.

Ультразвуковой уровнемер, содержащий последовательно соединенные генератор радиоимпульсов, усилитель, детектор, а также пьезовибратор, подсоединенный к генератору радиоимпульсов и усилителю, блок временной автоматической регулировки усиления (ВАРУ), причем вход управления усилителя соединен с выходом блока временной автоматической регулировки усиления, отличающийся тем, что в него дополнительно введены дисплей, микроконтроллер, компаратор, аттенюатор, измеритель временных интервалов, сумматор и формирователь порогового напряжения, причем один выход микроконтроллера подключен к дисплею, а второй выход соединен со входами блока временной автоматической регулировки усиления, генератора радиоимпульсов, формирователя порогового напряжения и измерителя временных интервалов, выход которого подключен ко входу микроконтроллера, а второй вход измерителя временных интервалов подключен к выходу компаратора, один из входов которого соединен со входом аттенюатора и выходом детектора, второй вход с выходом сумматора, один вход которого соединен с аттенюатором, а второй вход с формирователем порогового напряжения.