CC BY
85
УДК 534.2:551.5
АС. КОСТЮКОВ, Л.А СЛАВУТСКИЙ
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ПОГРЕШНОСТЬ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ УРОВНЯ ЖИДКОСТИ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ СОСТОЯНИЯ ЕЕ ПОВЕРХНОСТИ
Ключевые слова: ультразвуковой уровнемер, поверхностное волнение, кипение, статистическая погрешность.
Приведены результаты испытаний ультразвукового уровнемера с цифровым формированием и корреляционной обработкой ФМ и ЛЧМ сигналов. Оценены статистическая погрешность измерений в условиях волнения на поверхности жидкости и при ее кипении.
A.S. KOSTUKOV, L.A. SLAVUTSKIY STATISTIC ERROR OF ULTRASONIC LEVEL MEASUREMENTS FOR DIFFERENT SURFACE CONDITIONS Key words: ultrasonic levelmeter, surface waving, boiling, statistic error.
Results are shown for ultrasonic levelmeter probing with digital shaping and correlation processing of phase and chirp modulated signals. Statistic error is described for waving and boiling liquid surface.
Большинство изготовителей ультразвуковых (УЗ) уровнемеров для жидких и сыпучих сред [2] в качестве предела разрешающей способности прибора используют величину, соответствующую половине длины УЗ волны X/2 , однако реальная погрешность оказывается значительно выше. 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 [3], что сильно влияет на точность измерений, особенно при наличии волнения на поверхности жидкости. Использование линейно-частотно- или фазово-модулированных (ЛЧМ и ФМ) сигналов в теории локации позволяет осуществлять их эффективный корреляционный прием [1], поскольку малая ширина автокорреляционной функции такого сигнала дает возможность увеличить точность определения временной задержки импульса. Авторами показана возможность увеличить разрешение УЗ уровнемеров за счет использования ЛЧМ и ФМ сигналов и их цифровой корреляционной обработки [4]. В настоящей работе приводятся результаты экспериментальной оценки статистической погрешности такого уровнемера в условиях волнения на поверхности жидкости, а также когда жидкость находится в состоянии кипения.
На рис.1 приведена схема экспериментальных измерений. Использовался опытный образец цифрового УЗ уровнемера с корреляционной обработкой ЛЧМ и ФМ сигналов, характеристики которого подробно описаны в [4]. Испытания проводились с широко распространенными УЗ преобразователями с резонансной частотой 33кГц на расстоянии до отражающей поверхности воды порядка 1,5 м. Вода в сосуде емкостью 15 литров нагревалась до кипения или на стенки сосуда передавалась вибрация электродвигателя с регулируемой скоростью вращения. Таким образом, на поверхности жидкости создавалось интенсивное испарение или капиллярно-гравитационные волны высотой
до нескольких миллиметров, что сопоставимо с длиной УЗ волны Л. Поскольку УЗ преобразователи имеют достаточно широкую диаграмму направленности излучения, для волноводного распространения ультразвука использовались звуководы в виде пластиковой трубы различного диаметра. Такие звуководы позволяют избавиться от паразитных сигналов, возникающих в результате переотражений от стенок емкости. Исследовалось влияние диаметра звуковода на точность измерений уровня в различных условиях.
Оценка статистического распределения временной задержки проводилась по 1000 отраженным от поверхности воды УЗ импульсам. Как показано в [4], цифровая корреляционная обработка УЗ сигналов, когда рассчитывается корреляционная функция отраженного от поверхности импульса с эталонным импульсом, записанным в памяти уровнемера, позволяет в несколько раз увеличить разрешающую способность прибора. В задачи настоящей работы входило определить, как влияет на статистическую погрешность уровнемера манипулирование частотой и фазой сигнала, а также изменение диаметра звуковода (см. рис.1).
На рис.2 приведены характерные статистические распределения временной задержки N(т) в виде гистограмм, полученных по N = 1000 отраженным от поверхности УЗ импульсам в достаточно широком звуководе диаметром 150 мм. Каждый из трех вертикальных столбцов гистограмм распределения т соответствует различным условиям: комнатная температура и гладкая поверхность жидкости (а); вибрация стенок сосуда и поверхностное волнение (б); кипящая жидкость (в). В горизонтальных строках расположены гистограммы, соответствующие корреляционной обработке с различной частотно-фазовой манипуляцией сигналов: неманипулированный сигнал (верхняя строка); ЛЧМ-сигнал (средняя строка); сигнал с фазовой модуляцией (нижняя строка).
Гистограммы рис.2 иллюстрируют ряд особенностей, обнаруженных в ходе испытаний:
1. При комнатной температуре и гладкой поверхности жидкости использование ЛЧМ и ФМ сигналов позволяет уменьшить разброс значений задержки [4], что вполне соответствует теории локации [1] (см. рис.2, а).
2. При наличии поверхностного волнения или кипении жидкости эффективность ЧМ или ФМ модуляции оказывается под вопросом. Такое поведение статистической погрешности связано, по-видимому, со случайной фазовой и частотной модуляцией сигнала при отражении от подвижной поверхности.
1 - звуковод; 2 - источник тепла;
3 - источник вибраций; 4 - приемнопередающий преобразователь;
5 - приемно-передающий блок;
6 - цифровой блок формирования и обработки сигналов
N
■ ■ -- 1.Х, мс ■ “ ■--* ^ т, мс ■' ■'* т, мс
N
N
з и и -и т, мс 1 V эл и т, мс 1 V и « т, мс
N
I- !г- т, мс ■ - .1т, мс Г 5.-. ” -V т, мс
а б в
Рис 2. Гистограммы временных задержек: а - комнатная температура и гладкая поверхность; б - вибрация (поверхностное волнение); в - кипящая жидкость;
1 - неманипулированный сигнал; 2 - ЛЧМ сигнал; 3 - ФМ сигнал
3. При наличии звуковода наибольшее увеличение статистической погрешности (максимальная ширина гистограмм) наблюдается при кипении жидкости. Это связано не только со значительными вариациями уровня кипящей жидкости, но и со значительными изменениями условий распространения звука в волноводе. Кроме существенной зависимости скорости звука от температуры воздуха кипящая жидкость образует восходящие потоки пара, его конденсацию на стенках звуковода и т.д. Эти факторы приводят к увеличению разброса значений т в несколько раз (см. рис. 2, в).
4. Наличие вибраций (поверхностное волнение без интенсивного испарения и температурных изменений) оказывает различное влияние на статистическую погрешность измерения уровня в зависимости от диаметра звуковода и вида модуляции сигнала (см. рис. 2, б).
На рис. 3 показаны зависимости дисперсии а флуктуаций задержки т (ширина гистограмм) от диаметра звуковода. Как следует из полученных зависимостей, при кипении жидкости и «холодном» поверхностном волнений изменение диаметра звуковода оказывает противоположное влияние на разброс значений задержки. При увеличении диаметра звуковода влияние поверхностного волнения на значение а увеличивается, а влияние интенсивных поверхностных испарений при кипении - уменьшается. При большом диаметре или в отсутствие зву-
1
2
ковода влияние поверхностных процессов, сопровождающих кипение, на статистическую погрешность измерений вообще оказывается значительно меньше, чем влияние вибраций и поверхностного волнения. Это связано, по-видимому, с тем, что неоднородный воздушный слой над кипящей поверхностью в отсутствие волновода оказывается значительно тоньше.
от диаметра звуковода: 1 - кипящая жидкость; 2 - вибрация
Таким образом, статистическая погрешность УЗ уровнемера существенно зависит как от состояния поверхности жидкости, так и от неоднородности приповерхностного воздушного слоя. Разработанный цифровой уровнемер, адаптивно позволяющий менять модуляцию УЗ сигналов, может использоваться в разных режимах в зависимости от условий эксплуатации.
Литература
1. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы / И.С. Гоноровский. М.: Сов. радио, 1977. 608 с.
2. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения / А.Е. Колесников М.: Изд. стандартов,
1970.
3. Костюков А.С. Моделирование статистической погрешности ультразвуковых уровнемеров / А.С. Костюков, Л.А. Славутский // Вестник Чувашского университета. 2007. № 2. С. 257-260.
4. Костюков А.С. Разрешающая способность ультразвукового уровнемера с цифровой обработкой ЛЧМ сигнала / А.С. Костюков, Л.А. Славутский // Вестник Чувашского университета. 2008. № 2. С. 217-221.
КОСТЮКОВ АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ - аспирант кафедры управления и информатики в технических системах, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (kkott00@mail.ru).
KOSTUKOV ANDREY SERGEEVICH - post-graduate student of Management and Informatics in Technical Systems Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
СЛАВУТСКИЙ ЛЕОНИД АНАТОЛЬЕВИЧ - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры управления и информатики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (las_co@mail.ru).
SLAVUTSKIY LEONID ANATOLYEVICH - doctor of physics and mathematical sciences, senior scientific worker, professor of management and Informatics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
