Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ состояния 8
1.1. Классификация первичных преобразователей уровнемеров 8
1.2. Виды сигналов, используемые в ультразвуковых уровнемерах 30
1.3. Типовые структурные схемы ультразвуковых уровнемеров 38
Основные результаты и выводы по главе 1 45
ГЛАВА 2. Разработка способов улучшения метрологических характеристик ультразвуковых уровнемеров 47
2.1. Расширение диапазона показаний импульсных ультразвуковых уровнемеров с низкочастотными акустическими преобразователями 48
2.2. Снижение погрешности измерения времени пробега ультразвукового сигнала 62
Основные результаты и выводы по главе 2 69
ГЛАВА 3. Разработка функциональных схем и алгоритмов работы ультразвуковых уровнемеров импульсного типа . 71
3.1. Требования к ультразвуковому уровнемеру, работающему в составе системы контроля технологических процессов 71
3.2. Ультразвуковой уровнемер с расширенными пределами измерения 74
3.3. Ультразвуковой уровнемер с малой погрешностью измерения времени пробега ультразвукового сигнала 95
Основные результаты и выводы по главе 3 104
ГЛАВА 4. Теоретическое исследование ультразвуковых уровнемеров 106
4.1. Исследование влияния нестабильности параметров передающего тракта на диапазон измерения 106
4.2. Анализ дополнительных погрешностей импульсных ультразвуковых уровнемеров 125
4.3. Исследование систематической составляющей погрешности косвенного измерения объема жидкости 131
Основные результаты и выводы по главе 4 145
ГЛАВА 5. Экспериментальное исследование разработанных уровнемеров 147
5.1. Приемная часть уровнемера с малой погрешностью измерения уровня жидкости 147
5.2. Передающая часть уровнемера с расширенным диапазоном измерения 154 Основные результаты и выводы по главе 5 155
Основные результаты и выводы по работе 158
Заключение. Перспективы применения и некоторые пути
Совершенствования ультразвуковых уровнемеров 160
Литература 163
Приложение
- Виды сигналов, используемые в ультразвуковых уровнемерах
- Снижение погрешности измерения времени пробега ультразвукового сигнала
- Ультразвуковой уровнемер с расширенными пределами измерения
- Анализ дополнительных погрешностей импульсных ультразвуковых уровнемеров
Введение к работе
В настоящее время системы автоматического управления
производственными процессами, системы измерения и контроля различных
параметров и системы автоматического сбора данных приобретают все
большее значение. Ежегодный прирост рынка средств автоматизации
технологических процессов составляет 4.3 % в год [79]. Автоматизация
управления является одной из важнейших тенденций в современной технике.
Применение высокопроизводительных однокристальных микроЭВМ в составе
первичных преобразователей привело к появлению нового поколения так
называемых "интеллектуальных" ("smart sensors") датчиков.
"Интеллектуальные" датчики на основе микроконтроллеров обладают более высокой точностью, стабильностью, низким потреблением, малыми габаритами и большими функциональными возможностями, к числу которых относятся цифровая обработка сигнала, представление выходной информации в форме, не требующей дополнительной обработки и возможность построения систем сбора данных на основе вычислительной сети.
Средства измерения уровня жидкости применяются во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства для измерения, контроля и регулирования параметров технологических процессов, испытаниях машин, оборудования и различной аппаратуры, при количественном учете. Доля измерений уровня жидкости от общего объема измерений в промышленности составляет около 10% [85]. Несмотря на большое число методов измерения этих параметров, потребность в высокоточных датчиках чрезвычайно велика и, очевидно, будет возрастать по мере развития производства. Повышение точности и обеспечение единства измерений относится к числу актуальных задач метрологии. Одновременно, высокоточное измерение этих параметров необходимо для экономической отчетности и экономии ресурсов.
Наиболее перспективны ультразвуковые уровнемеры, пригодные для измерения уровня жидких и сыпучих материалов, желеобразных и двухфазных продуктов и сжиженных газов. Они работают в агрессивных, взрыво- и пожароопасных условиях, в широком диапазоне температур и давлений [42,92]. Несмотря на широкое распространение ультразвуковых уровнемеров, их потенциальные возможности до конца не реализованы. Основные направления совершенствования - схемотехника аппаратной части, новые алгоритмы обработки сигнала и расширение функциональных возможностей уровнемеров.
Цель диссертационной работы - разработка новых алгоритмов работы и схем импульсных ультразвуковых уровнемеров с расширенным диапазоном показаний и малой погрешностью измерения уровня жидкости в резервуарах большого объема.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ существующих методов измерения, схем ультразвуковых уровнемеров и факторов, влияющих на метрологические характеристики;
разработать способы расширения диапазона показаний и снижения погрешности измерения уровня импульсных ультразвуковых уровнемеров;
разработать алгоритмы и схемы для реализации предлагаемых способов повышения метрологических характеристик;
определить границы практической реализуемости предлагаемых способов;
разработать программное обеспечение для реализации разработанных алгоритмов и принципиальные электрические схемы приемной и передающей части уровнемера на основе описанных алгоритмов;
провести экспериментальное исследование метрологических характеристик разработанного уровнемера.
Научная новизна. В работе получены следующие научные результаты:
разработан способ расширения диапазона показаний импульсных ультразвуковых уровнемеров, основанный на компенсации переходного процесса в пьезорезонаторе по окончании зондирующего импульса;
разработана методика оценки влияния параметров элементов передающей части на эффективность компенсации переходного процесса в акустическом преобразователе;
разработан способ снижения погрешности определения момента прихода отраженного сигнала с использованием информации о временном положении полупериода с наибольшей амплитудой;
разработан алгоритм расчета погрешности косвенного измерения объема от деформации резервуара под действием веса жидкости и поправки для коррекции результата измерения;
разработаны алгоритмы для реализации предложенных способов расширения диапазона показаний и снижения погрешности измерения уровня путем введения поправок и использования "интеллектуальных" датчиков.
Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты позволяют существенно расширить область применения импульсных ультразвуковых уровнемеров.
Практическую значимость представляют:
алгоритм работы и схема передающей части, позволяющие уменьшить минимальный измеряемый уровень до значения, сравнимого с габаритными размерами акустического преобразователя;
методика оценки влияния на минимальный измеряемый уровень нестабильности параметров передающего тракта и погрешности установки параметров зондирующего сигнала;
алгоритм работы и схема приемной части, позволяющие снизить погрешность измерения времени пробега ультразвуковой волны до 0.05% и ниже;
алгоритм и программа расчета поправки при косвенном измерении объема жидкости в резервуарах больших размеров для устранения погрешности, вызванной деформацией резервуара под действием веса жидкости
Реализация в промышленности. Приведенные в диссертации алгоритмы и схемы использованы при создании опытного образца ультразвукового датчика уровня легковоспламеняющихся жидкостей. Испытания опытного образца на реальных объектах подтвердили заложенные в него метрологические характеристики. Результаты работы внедрены на Кузнецком заводе приборов и ферритов путем использования опытного образца уровнемера на складе горюче-смазочных материалов для обеспечения контроля за удаленным объектом.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 13-ой Международной научно-технической конференции "Методы и средства измерения в системах контроля и управления (МК-26-99)" (г. Пенза, 1999), 2, 3 и 4-ой Всероссийской НТК "Методы и средства измерений физических величин" (г. Нижний Новгород, 1997, 1998, 1999), XIII НТК "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления "ДАТЧИК-2001" (г. Судак, 2001), научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ПензГУ (г. Пенза, 1992 - 2000).
Виды сигналов, используемые в ультразвуковых уровнемерах
Сигналы, применяемые в локационных УЗ-уровнемерах, аналогичны применяемым в радиолокации. Несмотря на различную физическую природу применяемого излучения, подход к синтезу зондирующих и обработке отраженных сигналов в обоих случаях имеет много общего. В то же время, простое заимствование радиолокационных методов обработки для построения
УЗ-уровнемеров невозможно из-за существенных различий, обусловленных диапазоном частот, свойствами отражающей поверхности и характеристиками помех.
Особенностью ультразвукового сигнала является его сильное затухание в газообразной среде, в отличие от жидкости. Затухание увеличивается с увеличением частоты колебаний [83]. В связи с этим для построения импульсных ультразвуковых уровнемеров с верхним расположением акустического преобразователя используется диапазон частот 20-5-100 кГц, причем большему диапазону измерения соответствуют низшие частоты. Так, уровнемеры с диапазоном измерения до 30 м работают в диапазоне частот 20 -40 кГц [92].
Процесс прохождения зондирующего сигнала через передающий и приемный тракт уровнемера и среду распространения представим в виде обобщенной структурной схемы, изображенной на рис. 1.4. Схема имеет много общего с аналогичными схемами, применяемыми при анализе радиолокационных трактов [50].
Генератор зондирующих импульсов (ГЗИ) является источником возбуждения передающего акустического преобразователя. Передающий акустический преобразователь (АП) подключается к выходу ГЗИ через согласующую схему СС. В случае акустического преобразователя на основе пьезорезонатора в качестве СС обычно используется резонансный трансформатор. В качестве приемного и передающего АП обычно используют один и тот же акустический преобразователь. Приемный тракт содержит усилитель У и выделитель фронта ВФ, с выхода которого сигнал поступает на узел вторичной обработки, не показанный на схеме. Фиксируется либо временное положение фронта огибающей, либо отдельного полупериода. Перемножающий узел ПУ и суммирующий узел СУ введены для удобства анализа влияния мультипликативных N3 и аддитивных Nz помех.
Зондирующий сигнал S30m характеризуется такими параметрами, как энергия, закон модуляции. Аналитически зондирующий сигнал можно записать в видегде A(t) - огибающая, а 0 - несущая частота, q (t) - закон фазовой модуляции, ф0 -начальная фаза.
В импульсных УЗ-уровнемерах используется зондирующий сигнал видагде A(t) - огибающая последовательности радиоимпульсов, а в фазовых локационных уровнемерах - сигнал видагде А0 - фиксированная амплитуда зондирующего сигнала.
В импульсных УЗ-уровнемерах применяются, в основном, ГЗИ трех типов: генераторы ударного возбуждения, генераторы импульсов с огибающей колоколообразной формы и генераторы импульсов с прямоугольной огибающей и заданным целым числом периодов заполнения. Большинство применяемых на практике ГЗИ содержат колебательный контур, через который осуществляется связь выходного каскада с пьезорезонатором, для снижения напряжения питания применяется трансформаторная связь. Упрощенные схемы генераторов и формы их выходных напряжений приведены на рис. 1.5.
Наибольшее распространение получил ГЗИ на основе контура с ударным возбуждением (рис. 1.5,а) [39]. Он содержит контур образованный емкостью Сі и индуктивностью Lb токоограничивающий резистор Ri и ключ на основе тиристора VDi. Резонансная частота контура, должна быть равна частоте последовательного резонанса пьезорезонатора BQ\. Сопротивление R2 определяет добротность контура. Зондирующий импульс формируется при подаче на управляющий электрод тиристора Vi короткого запускающего импульса U3an- Форма возбуждаемого таким способом зондирующего импульса показана на рис. 1.5,г. Фронт ударного импульса определяется быстрым процессом разряда емкости С]. Амплитуда первого полупериода колебаний может составлять ЗОСМ-500 В, однако эффективно действующая амплитуда спектральной составляющей на рабочей частоте значительно меньше (в 5-н10 раз) ввиду несоответствия спектра импульса и полосы пропускания пьезорезонатора. ГЗИ описанного типа отличается простотой и надежностью. Главным достоинством его является то, что излучение акустических колебаний происходит на резонансной частоте пьезорезонатора, что улучшает условия приема отраженного сигнала, недостаток - низкая энергетическая эффективность.
ГЗИ по схеме рис. 1.5,6 формирует зондирующий импульс с колоколообразной огибающей либо с огибающей вида sinx/x. Он содержит генератор синусоидальных колебаний Г и модулятор М, к которому подводится напряжение огибающей иогиб- При указанной форме огибающей импульс на выходе ГЗИ (рис. 1.5,д) характеризуется узким спектром.
ГЗИ по схеме рис. 1.5,в содержит генератор синусоидальных колебаний Г и электронный ключ Кл. Ключ замыкается на промежуток времени, соответствующий целому числу периодов генератора Г. Данный тип ГЗИ находит широкое применение в связи с простотой устройства и высокой эффективностью, особенно в УЗ-уровнемерах с большим диапазоном измерения (до десятков метров).
Более сложные сигналы используются реже, что связано с узкой полосой пропускания, температурной и временной нестабильностью фазочастотной характеристики широко применяемых на практике пьезорезонаторов АП. В то же время, успехи в создании новых высокостабильных пьезоматериалов открывают возможности применения новых для УЗ-уровнемерной техники методов, связанных, например, с использованием сигналов с внутриимпульсной модуляцией.
Снижение погрешности измерения времени пробега ультразвукового сигнала
Большое значение погрешности измерения времени пробега УЗ-волны связана с низкой скоростью нарастания амплитуды принимаемого сигнала в приемном тракте уровнемера. Низкая скорость нарастания амплитуды принимаемого сигнала обусловлена наличием резонансных свойств у приемного и передающего акустического преобразователя. Особенно сильно эффект медленного нарастания сигнала проявляется в приемном тракте уровнемеров, предназначенных для измерения уровня в резервуарах большой высоты - до 30 м. Это связано с тем, что в импульсных ультразвуковых уровнемерах с большим диапазоном измерения применяются низкочастотные пьезорезонаторы, резонансная частота которых составляет от 20 до 40 кГц [92]. Как правило, используются пьезоэлектрические резонаторы, добротность которых достаточно велика (20ч-50).
Сигнал, поступающий на вход приемной части с приемного акустического преобразователя, имеет видгде Um - амплитуда принимаемого сигнала в установившемся режиме; ш0 -частота колебаний принимаемого сигнала, равная резонансной частоте акустического преобразователя; to - момент посылки зондирующего импульса; Ц - время пробега ультразвуковой волны; Тэ - эффективная длительность импульса.
Влияние низкой скорости нарастания принимаемого сигнала связано с наличием шума и нестабильностью опорного уровня. Рассмотрим влияние этих факторов на процесс измерения времени пробега УЗ-волны на примере устройства, использующего принцип фиксации временного положения принимаемого сигнала по положению переднего фронта огибающей [49].
Пусть на выходе приемного акустического преобразователя действует смесь принимаемого сигнала и белого шума со спектральной плотностью N0. Тогда среднеквадратическое отклонение результата измерения времени пробега УЗ-волны, обусловленное воздействием шума, составляетгде Тф - длительность переднего фронта огибающей принимаемого сигнала(Тф=2.2-т); q - отношение сигнал/шум; m - число повторных измерений [56].Абсолютная погрешность измерения времени пробега УЗ-волны,вызванная нестабильностью опорного уровнягде AU0n - изменение опорного уровня; Uon - амплитуда принимаемого сигнала (при условии, что опорный уровень выбирается равным половине максимального напряжения огибающей).
Влияние нестабильности опорного уровня иллюстрирует временная диаграмма рис. 2.5, на которой показана огибающая принимаемого сигнала в отсутствие помех при разных амплитудах. Опорный уровень выбран равным половине максимального напряжения огибающей. Как видно из диаграммы, одинаковое изменение опорного уровня приводит к меньшей погрешности измерения при большем отраженном сигнале.
На значение погрешности измерения времени пробега УЗ-волны оказывает также влияние выбор значения опорного уровня, по которому производится фиксация момента начала сигнала.
Как правило, этот уровень выбирают равным половине амплитудного значения принимаемого сигнала, т.к. скорость нарастания амплитуды принимаемого сигнала в этой точке близка к максимальной. При этом за момент прихода УЗ-колебания принимается не начало принимаемого сигнала, а момент достижения им опорного уровня. Наличие разницы между этими моментами приводит к появлению смещения нуля. Форма огибающей принимаемого сигнала УЗ-уровнемеров близка к колоколообразной, при таком выборе значения опорного напряжения смещение нуля составляет
При фиксации момента прихода отраженного сигнала по переднему фронту огибающей Ato составляет десятки и сотни периодов принимаемого сигнала. Смещение нуля уровнемера при этом составляет единицы и даже десятки сантиметров. Ограничение, связанное с (2.38) не позволяет получить высокую точность измерения в уровнемерах с фиксацией отраженного сигнала по огибающей.
Одной из возможностей снижения влияния низкой скорости нарастания принимаемого сигнала является использование информации, заключенной во втором сомножителе выражения (2.35), т.е. определение временного положения отдельного периода принимаемого сигнала. Предложено множество различных способов для реализации этой возможности. Так, в [9] предлагается решение, которое основано на применении двух компараторов, один из которых предназначен для фиксации заднего фронта первого полупериода, второй - переднего фронта второго полупериода, с напряжением срабатывания, привязанным к амплитудному значению соответствующего полупериода. При этом момент начала второго полупериода (переход через нуль входного напряжения) получается как среднее арифметическое от моментов срабатывания компараторов. С целью снижения влияния на результат измерения различия амплитуды соседних полупериодов в [11] предложено использовать усилитель с дискретно меняющимся коэффициентом усиления для выравнивания амплитуды одного из полупериодов сигнала по отношению к предыдущему. Схемотехнически простое решение, позволяющее снизить влияние изменения амплитуды сигнала, заключается в том, чтобы фиксировать задний фронт импульса, причем опорное напряжение устанавливается по амплитудному значению этого же импульса [38]. Для предустановки опорного напряжения компаратора в [41] предложено использовать дополнительный отражатель, расположенный на небольшом расстоянии от отражающей поверхности и устанавливать опорное напряжение для основного отраженного сигнала по амплитудному значению приходящего немного раньше дополнительного сигнала.
В [103] описан способ, согласно которому производится определение временного положения п-го полупериода принимаемого сигнала, когда амплитуда достигнет достаточной величины, а также подсчет числа полупериодов п. Затем по известному периоду принимаемого сигнала производится "обратный сдвиг" момента времени на отсчитанное число полупериодов п, т.е. приведение его к началу первого полупериода. Полученное значение представляет собой истинное начало принимаемого сигнала - начало первого полупериода, измеренное с точностью, достижимой только для полупериода с большой амплитудой.
На основе этого способа разработано устройство для определения времени пробега УЗ-волны, в котором сведено к минимуму влияние низкой скорости нарастания принимаемого сигнала. Функциональная схема устройства приведена на рис. 2.6.
Устройство имеет на входе предварительный усилитель У. С выхода усилителя У принимаемый сигнал поступает на детектор огибающей ДО и через фильтр Ф на нуль-орган НО. Нуль-орган совместно со счетчиком СТ предназначены для подсчета числа полупериодов принимаемого сигнала. Нуль
Ультразвуковой уровнемер с расширенными пределами измерения
При разработке импульсных ультразвуковых уровнемеров с расширенными пределами измерения возникает противоречие, связанное с зависимостью нижнего предела измерения от верхнего. Увеличение максимального измеряемого расстояния достигается, во-первых, увеличением усиления в приемном тракте, во-вторых, применением более низкочастотных акустических преобразователей. Последнее объясняется тем, что затухание звука в газах резко уменьшается при увеличении длины волны [83]. При высокой частоте заполнения максимальное измеряемое расстояние ограничивается из-за интенсивного затухания сигналов этих частот в газообразной среде. Однако, при низкой частоте заполнения увеличивается минимальное измеряемое расстояние из-за длительного переходного процесса в колебательной системе акустического преобразователя (АП) по окончании зондирующего импульса [29]. Сократить минимальное измеряемое расстояние позволяет способ, описанный в главе 2.
Уровнемер, реализующий предложенный способ уменьшения минимального измеряемого расстояния, должен обеспечивать автоматическую настройку передающего тракта. При этом необходимо осуществить правильное фазирование компенсирующего сигнала и дозирование энергии, передаваемой в колебательную систему акустического преобразователя. Цикл измерения такого уровнемера должен включать в себя четыре основных этапа:1. Настройка генератора зондирующих импульсов на частотупоследовательного резонанса.2. Определение параметров компенсирующего сигнала;3. Формирование зондирующего импульса с компенсацией переходного процесса.4. Измерение времени пробега.
Рассчитанные параметры компенсирующего сигнала пригодны на интервале времени, в течение которого уход частоты генератора зондирующих импульсов не будет сказываться на эффективности компенсации.
Структурная схема уровнемера, реализующего перечисленные требования, приведена на рис. 3.1. Приемный тракт показан упрощенно. В состав устройства входят: генератор с ФАПЧ, фильтр Ф, аналоговые ключи Кл1...Кл5, усилитель высоковольтный УВ, инвертор Инв, аттенюатор Атт, усилитель предварительный У, экстрематор Э, выделитель фронта ВФ, схемы логического И и ИЛИ, цифроаналоговый преобразователь ЦАП, аналого-цифровой преобразователь АЦП, опорный резистор Ro и узел управления УУ. В состав генератора с ФАПЧ входят генератор, управляемый напряжением ГУН, компаратор К и фазовый детектор ФД. В качестве высоковольтного усилителя используется операционный усилитель с крайне низким значением выходного сопротивления. К выходу УВ подключен акустический преобразователь АП. Принимаемый сигнал через ограничитель Огр подается на приемник Пр.
Сигналы управления формирует узел управления УУ на основе MCS-52-совместимого микроконтроллера, имеющего в своем составе встроенный ПАП. В схеме используется отдельный АЦП. Такое решение продиктовано необходимостью возможно более точной привязки момента фиксации амплитуды измеряемого сигнала к фронту выходного сигнала экстрематора, а при применении встроенного в микроконтроллер АЦП между этими моментами возникает задержка, определяемая временем реакции микроконтроллера на внешнее прерывание, имеющая случайное значение от 12 до 84 периодов кварцевого резонатора контроллера плюс время выполнения необходимых операций [76]. Кроме формирования управляющих сигналов микроконтроллер производит вычисление параметров компенсирующего сигнала, а также предварительную обработку результата измерения уровня.
Эквивалентная схема цепи подключения АП в режиме излучения зондирующего импульса представлена на рис. 2.2,а, а в режиме свободных колебаний - на рис. 2.2,6. Здесь из0Нд и Квык - напряжение и выходное сопротивление высоковольтного усилителя, L, С, г, Со - эквивалентные параметры АП. Учитывая, что RBbK « Ro « Хсо, на опорном резисторе RQ можно получить информацию о частоте последовательного резонанса, фазе и амплитуде свободных колебаний. По этим данным осуществляется настройка ГУН с помощью быстродействующей ФАПЧ [68]. Настройка ГУН, осуществленная в течение переходного процесса в одном цикле, используется в последующих шестнадцати циклах измерения уровня, после этого подстройка частоты ГУН повторяется. Таким способом устраняется расхождение частот ГУН и АП, обусловленное внешними факторами, главным образом, изменением температуры окружающей среды. В процессе автоподстройки УУ одновременно измеряет и запоминает длительность периода собственных колебаний Т пьезорезонатора BQ1 для последующих вычислений. Настройка ГЗИ по сигналу, снимаемому с опорного резистора во время переходного процесса позволяет значительно упростить аппаратную часть по сравнению с устройствами, в которых подстройка производится во время действия возбуждающего сигнала [35]. Звено АЦП - УУ - ПАП выполняет роль устройства выборки-хранения для запоминания значения управляющего напряжения для ГУН. Такое решение продиктовано тем, что построение аналогового УВХ на большие интервалы времени и работающего в широком диапазоне температур является сложной задачей. После подстройки ГУН производится посылка второго зондирующего импульса, и по его окончании дважды измеряется амплитудное значение напряжения на Ro в заданные моменты времени. По полученным значениям вычисляются параметры эквивалентного последовательного контура LCr (рис. 2.2,а). Далее выполняется цикл, включающий операции подстройки частоты, определения параметров компенсирующего сигнала, серии из 16 измерений с использованием рассчитанных параметров и выдачи результата измерений в линию связи.
Схема алгоритма работы микроконтроллера приведена на рис. 3.2. По включении уровнемера выполняется внутренний контроль исправности узла управления УУ и узла сопряжения с линией связи. Внутренний контроль включает в себя проверку контрольной суммы ПЗУ и состояния отдельных линий управления. Затем производится инициализация - установка регистров и портов узла управления УУ, установка режимов таймеров. Таймер О настраивается на управление из программы и используется для формирования задержек, таймер 1 используется в качестве измерителя временных интервалов, таймер 2 используется в качестве перезагружаемого счетчика для формирования скорости передачи последовательного асинхронного порта (UART). После установки режимов таймеров производится снятие блокировки прерываний. Схема алгоритма инициализации приведена на рис. 3.4.
После инициализации формируется зондирующий импульс, затем в течение переходного процесса производится подстройка ГУН на частоту последовательного резонанса АП. Схема алгоритма формирования зондирующего импульса приведена на рис. 3.5. Длительность зондирующего импульса определяется константой, записанной в таймер 0. Микроконтроллер устанавливает ключ Клі в открытое состояние и запускает таймер 0. После запуска таймера микроконтроллер переводится в режим ожидания, выход из которого происходит при останове таймер 0. Останов производится по прерыванию, вызванному переполнением таймера 0. Схема алгоритма
Анализ дополнительных погрешностей импульсных ультразвуковых уровнемеров
На процесс измерения уровня жидкости импульсными ультразвуковыми уровнемерами оказывают влияние многочисленные факторы, что приводит к появлению множества составляющих погрешности измерения. При косвенном измерении объема и массы жидкости по известному уровню число влияющих факторов значительно увеличивается, т. к. к факторам, связанным непосредственно с измерением уровня, добавляются факторы, обусловленные свойствами жидкости и резервуара. Хотя многие составляющие погрешности относятся к систематическим и могут быть устранены введением поправки, аналитический расчет их затруднен из-за отсутствия адекватной модели либо из-за трудности получения исходных данных. К их числу относится, например, погрешность измерения уровня, обусловленная градиентом скорости звука по высоте резервуара.
При анализе составляющие погрешности целесообразно разделить на две группы - погрешности, связанные с процессом измерения уровня и погрешности косвенного измерения объема и массы. К числу наиболее существенных составляющих погрешности измерения уровня жидкости относятся следующие: Погрешность от температурной зависимости скорости ультразвука в газообразной среде. Данная составляющая вносит наибольший вклад в суммарную погрешность измерения уровня. Зависимость скорости звука от температуры выражается формулойгде с0 - скорость звука при нормальных условиях, ас - температурный коэффициент скорости звука, t0 - начальная температура. На рис. 4.12 показана зависимость погрешности измерения уровня жидкости от температурной зависимости скорости ультразвука в парах жидкости. Данные о температурном коэффициенте скорости ультразвука в жидкостях и газах приведены в [83].
Как видно из приведенных графиков, дополнительная погрешность измерения уровня от температуры газообразной среды весьма велика. Подробный анализ данной погрешности с учетом годового распределения температур приведен в [47].
Предположение о неизменности ас верно для узкого интервала температур. В широком интервале температур скорость звука в газах выражается зависимостью где po - давление газа при температуре to, po - плотность газа при to, a -коэффициент теплового расширения газа (а = 1 / 273.2 К"1), у = Cp/cv -отношение теплоємкостей газа [16].
Таким образом, погрешность от температурной зависимости скорости ультразвука является систематической и устраняется введением соответствующей поправки. Применяемый при ультразвуковом измерении уровня жидкости в скважинах способ коррекции, основанный на использовании информации о годовом распределении температур [47] для резервуаров непригоден из-за значительного суточного изменения температуры резервуара. Для коррекции результата измерения используется информация о температуре газа, для получения которой в состав уровнемера вводится канал измерения температуры. Коррекция производится либо аппаратно, для чего термочувствительный элемент подключается к времязадающим цепям [5, 94], либо путем вычисления поправочного коэффициента по измеренной температуре [1]. Недостатком первого способа является трудность настройки времязадающей цепи и значительная временная нестабильность, поэтому в современных уровнемерах, содержащих микроЭВМ, применяется только второй способ. Погрешность от изменения давления в газообразной среде. Связана с изменением скорости ультразвука согласно зависимости (4.4). Погрешность является систематической и устраняется введением поправки, для чего вводится дополнительный канал для измерения давления. При использовании низкоточных ультразвуковых уровнемеров этой составляющей погрешности пренебрегают из-за ее незначительности, т.к. давление в резервуаре близко к атмосферному, которое, в свою очередь, меняется в небольших пределах. Погрешность от изменения состава газообразной среды. Скорость звукав газах сильно зависит от состава. Зависимость скорости звука выражаетсяформулойгде ks - адиабатный коэффициент сжатия, ро -невозмущенная плотность среды [83]. Наличие следов других газов приводит к значительному изменению скорости звука - до единиц процентов. Важный случай - наличие паров воды. Согласно экспериментальным данным, при повышении влажности воздуха скорость звука сначала быстро увеличивается, проходит через максимум, немного уменьшается, затем снова возрастает [16], при этом положение максимума зависит от частоты ультразвука. Физические причины явления сложны и связаны с возбуждением электронных оболочек соударяющихся молекул. Данная погрешность является систематической, однако в связи с трудностью определения состава газообразной среды в резервуаре аналитический расчет поправки невозможен. Для устранения влияния состава газообразной среды на скорость звука применяется логометрический метод. Для его реализации вводится искусственное препятствие, расположенное на фиксированном расстоянии от акустического преобразователя. Уровень вычисляется по отношению времени пробега УЗ-импульса до границы раздела сред ко времени пробега УЗ-импульса до искусственного препятствия [2].
Погрешность от градиента скорости звука по высоте. Это систематическая погрешность, обусловленная тем, что в резервуарах большой высоты температура и состав газа над поверхностью жидкости и вблизи акустического преобразователя неодинакова. Для устранения влияния градиента скорости звука используются системы из нескольких искусственных препятствий (отражателей), расположенных на равном расстоянии друг от друга [97, 99]. При этом уровнемер принимает несколько отраженных сигналов с разными задержками. Уровень жидкости вычисляется с использованием аппроксимации зависимости скорости звука. Погрешность от воздействия акустических шумов. Данная погрешность является случайной. На отраженный сигнал воздействуют как импульсные помехи, так и шум со спектром, который в полосе пропускания акустического преобразователя имеет равномерный спектр. Значительное влияние на процесс измерения уровня жидкости оказывают импульсные акустические помехи, происхождение которых связано, например, с наличием расположенных вблизи резервуара машин и механизмов, вызывающих вибрацию, передающуюся через основание. Снизить влияние импульсных помех позволяет применение узлов обработки с инерционной обратной связью и накоплением сигнала [1 ,77]. Погрешность измерения, обусловленная воздействием белого шума, выражается зависимостью (2.36). Влияние акустических шумов на погрешность измерения уровня весьма велико при низкой скорости нарастания сигнала, которая обусловлена большой постоянной времени низкочастотных акустических преобразователей. Погрешность от состояния поверхности жидкости. Это случайная погрешность, обусловленная рядом факторов. К их числу относятся наличие пены и волнение поверхности жидкости. Влияние этих факторов выражается в изменении формы принимаемого отраженного сигнала и флуктуации фазы отраженного сигнала. Для измерения уровня пенящихся жидкостей применяются многочастотные уровнемеры. Применяется также пространственная обработка, для чего используется один передающий и несколько приемных акустических преобразователей [96]. Погрешность от дисперсии. В газах без примесей дисперсия незначительна [83]. При неопределенном составе газообразной среды погрешность от дисперсии выступает как случайная. Влияние дисперсии выражается в изменении длительности и формы отраженного сигнала, что затрудняет применение методов согласованной фильтрации. В главе 2 описан
