CC BY
248
УДК 534.2:551.5
АС. КОСТЮКОВ, Л.А СЛАВУТСКИЙ
РАЗРЕШАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВОГО УРОВНЕМЕРА С ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКОЙ ЛЧМ СИГНАЛА
Ключевые слова: ЛЧМ сигнал, ультразвук, уровнемеры.
Показана возможность использования ЛЧМ сигналов в ультразвуковых уровнемерах. Предложена схема цифрового формирования и корреляционной обработки таких сигналов. Полученные результаты позволяют увеличить разрешающую способность и уменьшить статистическую погрешность.
A. S. KOSTUKOV, L.A. SLAVUTSKII RESOLUTION OF ULTRASONIC LEVELMETERS WITH DIGITAL PROCESSING OF LINEAR CHIRP SIGNAL
Keywords: Chirp signal, ultrasonic, level meters.
Possibility of linear chirp modulated signals using in ultrasonic level meters is shown. It is proposed a principle of shaping and correlation processing of such signals. Provided results allow us to increase resolution and decrease statistic error.
Диапазон и пространственное разрешение ультразвуковых (УЗ) эхоимпульсных приборов, таких как уровнемеры, в значительной степени определяются формой и длительностью зондирующих импульсов. Временная задержка УЗ-импульса традиционно измеряется по переднему фронту, длительность которого зависит от многих факторов [1]. Форма УЗ импульса зависит не только от характеристик приемо-передающих преобразователей, но и от условий распространения и отражения акустических волн в среде. Результирующий сигнал на входе приемника есть сумма сигналов, дошедших до приемника различными путями и с различной задержкой [2].
В качестве излучателей и приемников ультразвука в эхо-импульсных приборах традиционно используются резонансные пьезоэлектрические преобразователи, которые не позволяют (особенно - в газообразной среде с низким акустическим импедансом) сформировать короткий УЗ-импульс со стабильным передним фронтом. Большинство изготовителей УЗ-уровнемеров для жидких и сыпучих сред в качестве предела разрешающей способности прибора указывают величину, соответствующую половине длины УЗ волны X/2 , однако реальная погрешность оказывается значительно выше. На рис. 1 показана характерная форма фронта УЗ импульса с несущей частотой 33 кГц и гистограмма распределения его задержки, построенная по 1000 отраженным от поверхности воды импульсам. Задержка регистрировалась традиционным способом, когда передний фронт импульса при помощи компаратора сравнивается с установленным постоянным уровнем.
Как видно из рис. 1, статистическая погрешность прибора за счет нестабильности фронта импульса значительно превышает X/2 . В настоящей работе показана возможность увеличить разрешение УЗ уровнемеров за счет использования линейно частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов и их цифровой обработки.
Рис. 1. Форма отраженного сигнала и распределение погрешности измерений
Использование ЛЧМ сигналов в теории локации позволяет осуществлять их эффективный корреляционный прием [3] , поскольку малая ширина автокорреляционной функции такого сигнала дает возможность увеличить точность определения временной задержки импульса.
Согласно [3] ЛЧМ сигнал постоянной амплитуды представляется в виде
(
а()
: А0СО8
Л
пmt
Т2
Тс
Тс
—- <^<-2 2
(1)
где А0 - амплитуда сигнала; ю0 - постоянная составляющая мгновенной частоты; Тс - длительность импульса; т - база ЛЧМ сигнала, определяемая как произведение полной девиации частоты на длительность импульса 2/дТс = т (см. рис. 2). Автокорреляционная функция для такого сигнала в общем виде имеет вид
( \
81П
Ваа (Т) :
-Ао2Тс
пт-
Т
1 --ТТ
СО8Ю0 Т •
(2)
птт
Тс
Из (2) следует, что для уменьшения ширины огибающей автокорреляци-
т
онной функции необходимо увеличение множителя —, что эквивалентно
Тс
увеличению максимальной частоты девиации /д . При возбуждении и приеме ультразвуковых импульсов резонансными преобразователями с узкой частотной полосой увеличение /д приводит к значительным потерям эффективности преобразования ультразвука. На рис. 2 показаны спектральные плотности УЗ сигналов, возбуждаемых таким преобразователем последовательностью прямоугольных импульсов с базовой частотой повторения 33 кГц (см. рис. 2, а). Для возбуждения ЛЧМ сигнала линейно менялись длительность и частота
т
1
2
повторения импульсов. Кривые рис. 2, б соответствуют /д = 0 (постоянная
резонансная частота ю0, кривая 1) и /Д = 0,05 —— (кривая 2). Как видно из
2п
рис. 2, если частота девиации меньше полосы пропускания УЗ преобразователя, то потери при генерации и приеме ЛЧМ УЗ сигнала не превышают единиц децибел и могут быть на практике компенсированы увеличением чувствительности приемного тракта УЗ прибора.
G(f)k
а б
Рис. 2. Принцип формирования ЛЧМ сигнала и спектры модулированного и смодулированного сигнала
На рис. 3 показаны блок-схема ультразвукового уровнемера с цифровой обработкой ЛЧМ сигнала и форма сигналов в точках, обозначенных цифрами. Эта схема типична для всего класса подобных устройств и содержит типовые элементы: ФИ - формирователь импульсов, генерирует импульсную последовательность; ЭК - электронный ключ, коммутирует выходную цепь излучателя; УИ - ультразвуковой излучатель; УП -ультразвуковой приемник; ФПП - фильтр промышленных помех, полосовой фильтр для выделения полезного сигнала; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; БА - блок анализатора. Для схем, где единственный датчик используется и как излучатель, и как приемник, необходимо добавить блок защиты входа (ЗВ), который представляет собой ключ, запираемый ФИ на время посылки импульсов, либо амплитудный ограничитель сигнала.
В нашем случае изменения коснулись в первую очередь блока ФИ и блока БА. Эти блоки реализованы в одной ПЛИС XILINX серии Spartan 3E.
ФИ генерирует пакеты импульсов с переменой длительностью и частотой повторения. Длительность пакета Tc «1 мс, а период повторения импульсов Тизм определяет максимальную дальность работы уровнемера (осциллограмма 1 рис. 3). ПЛИС работает на частоте 50 МГц, что позволяет генерировать импульсы с точностью до 10 нс. ПЛИС серии Spartan 3E допускают повышение рабочей частоты до 300 МГц, что позволяет формировать задержки до 3 нс, а это, в свою очередь, позволяет работать с датчиками рабочей частотой до 600 кГц. Таким образом, ФИ формирует ЛЧМ сигнал в полосе пропускания УЗ преобразователя (осциллограмма 2 рис. 3). Сигнал в УП с задержкой t изм после
аналоговой обработки (ФПП) и оцифровки (АЦП) поступает в блок анализатора (осциллограмма 3 рис. 3).
Рис. 3. Блок-схема уровнемера (1 - пакеты на выходе ФИ;
2 - УЗ-сигнал; 3 - сигнал на выходе АЦП; 4 - эталонный сигнал для БА;
5 - сигнал на выходе КОР)
Схематически БА показан в верхней части рис. 3. Цифровые значения принятого сигнала сохраняются в двух буферах (Б1) и (Б2). Сигнал в буфере Б2 используется как эталонный для корреляционной обработки (осциллограмма 4 рис. 3). Содержимое обоих буферов поэлементно умножается в корреляторе (КОР), результаты складываются. Таким образом, происходит вычисление текущего коэффициента корреляции (осциллограмма 5 рис. 3). Момент времени, соответствующий максимуму коэффициента корреляции, фиксируется по срабатыванию пикового детектора (ПД). Статистический анализатор (СА), анализируя выборку полученных значений ґ изм, определяет необходимый объем выборки и текущую погрешность уровнемера.
Отдельно необходимо описать инициализацию буфера эталонной последовательности (Б2). При запуске измерителя прибор находиться в режиме поиска образца для корреляционного анализа. Выделение эталонной последовательности происходит при помощи буфера (Б3), хранящего значения корреляционной функции, и функционального анализатора (ФА), который управляет записью значений в Б2. После этого прибор переходит в рабочий режим. Далее корреляционный анализ производиться с записанной в Б2 эталонной последовательностью. Режим поиска эталонной последовательности может быть также запущен решением статистического анализатора (СА) при ухудшении точности показаний. Благодаря этому прибор не требует калибровки, можно даже назвать это «самокалибровкой».
Оценка разрешающей способности УЗ уровнемера с цифровой обработкой ЛЧМ сигнала проводилась с использованием широко распространенных УЗ преобразователей с резонансной частотой 33 кГц. На рис. 4, а показана характерная форма корреляционной функции сигнала на выходе коррелятора (КОР) для ЛЧМ-сигнала (верхняя осциллограмма рис. 4, а) и УЗ-импульса без девиации частоты (нижняя осциллограмма рис. 4, а).
На рис. 4, б приведены соответствующие гистограммы временной задержки УЗ импульсов на расстоянии 1м, полученные по алгоритму работы схемы рис. 3. Сравнение гистограмм рис. 4, б с гистограммой рис. 1 показывает эффективность использования предложенной схемы корреляционного приема. Если при определении задержки по фронту УЗ импульса ее значения варьируются в пределах нескольких периодов УЗ волны (рис. 1), то при корреляционном приеме неманипулированного по частоте сигнала (нижняя гистограмма рис. 4, б) изменения полученной задержки не превышают полупе-риода УЗ волны. Использование ЛЧМ сигнала даже с небольшой девиацией частоты (верхняя гистограмма рис. 4, б) позволяет уменьшить разброс значений измеряемой величины на порядок.
Рис. 4. Вид корреляционных функций (а) и распределение погрешности измерений (б)
Таким образом, цифровое формирование и обработка ЛЧМ ультразвуковых сигналов при увеличении рабочей частоты позволяет повысить разрешающую способность и уменьшить статистическую погрешность уровнемеров.
1. КолесниковА.Е. Ультразвуковые измерения /А.Е. Колесников. М.: Изд. стандартов, 1970.
2. Костюков А.С. Моделирование статистической погрешности ультразвуковых уровнемеров /А.С. Костюков, Л.А. Славутский // Вестник Чувашского университета. 2007. № 2. С. 257-260.
3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С. Гоноровский. М.: Советское радио. 1977. 608 с.
КОСТЮКОВ АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ родился в 1982 г. Окончил Чувашский государственный университет. Аспирант кафедры управления и информатики в технических системах Чувашского университета. Область научных интересов - ультразвуковая диагностика сред и объектов. Автор 4 научных работ.
СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ родился в 1958 г. Окончил Московский государственный университет. Доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры управления и информатики Чувашского государственного университета. Область научных интересов - волновые процессы; методы статистической обработки экспериментальных данных. Автор более 100 научных работ.
В
а
6
Литература
