Спосіб обробки ехо-сигналу під час вимірювання відстані у хвилеводах

Спосіб обробки ехо-сигналу під час вимірювання відстані у хвилеводах, що включає випромінювання звуку у мірну трубку (хвилевід) з розміщеною в ній рідиною, отримання ехо-сигналу від поверхні рідини та обчислення відстані до неї за середньою швидкістю звуку, який відрізняється тим, що хвильовий розмір мірної трубки вибира 3 перетворення Фур'є, що дає скориговану імпульсну характеристику міжтрубного простору, вільну в деякій мірі від впливу хвильової дисперсії. За рахунок цього у відомому способі досягається суттєве збільшення відстані виявлення з'єднувальних муфт і, як наслідок, більш точне врахування швидкості звуку під час вимірювання рівня рідини. Проте виявлення з'єднувальних муфт відомим способом можливе лише до 400...500 м в той час як глибина свердловини може сягати 1,5...3 км, отже в такому разі швидкість звуку буде невідомою у нижній частині свердловини, що призведе до значних похибок вимірювання. Крім того точне вимірювання відстані відомим способом неможливе у хвилеводних конструкціях з відсутніми штатними реперами, якщо вони не виявляються апаратними засобами або якщо їх встановлення не можливе з технологічних причин. Це пояснюється тим, що в ньому відсутня процедура точного коригування хвильової дисперсії, яка має місце в межах спектрів ехо-сигналів нормальних хвиль першого і вищих порядків. Це є головним недоліком найближчого аналогу при використанні його для вимірювання відстані до рідини, зокрема, за допомогою мірних трубок, що не мають реперів. Такі умови є типовими для хвилеводних рівнемірів пального в баках автомобілів, в технологічних резервуарах та спостережних свердловинах. В основу корисної моделі поставлено задачу підвищити точність вимірювання відстані до рідини навіть за умови відсутності апріорних даних зі швидкості звуку у середовищі хвилеводу, реперів та інших допоміжних відбивачів звуку. Випромінювач звуку має створювати у хвилеводі хвилі 0-го ступеня (плоска хвиля) та 1-го ступеня (перша нормальна хвиля). Оскільки ці хвилі мають різні швидкості поширення, то на кожний імпульс зондування матимемо як мінімум два відбиття від рівня рідини, зміщені за часом. За часовими затримками кожного з отриманих ехо-сигналів відносно моменту зондування визначають СШЗ у середовищі, що знаходиться в середині хвилеводу та відстань до рідини. Особливістю пропонованого способу є технологія обробки ехо-сигналу хвилі другого ступеня, спрямована на відновлення гостроти його максимуму, яка зазвичай втрачається через хвильову дисперсію, та амплітуди, що відповідно підвищує точність вимірювання його часової затримки. З цією метою ехо-сигнал першої нормальної хвилі піддають спектрально-часовій обробці, яка полягає в обчисленні комплексного спектра ехо-сигналу та його фазового спектра. Далі шляхом обчислення крутизни фазового спектра ехо-сигналу на робочій частоті визначають затримку ехо-сигналу хвилі 1-го ступеня, синтезують лінійний фазовий спектр ехо-сигналу і, отримавши таким чином комплексний спектр ехосигналу вільний від хвильової дисперсії, здійснюють зворотне перетворення Фур'є і відновлюють ехо-сигнал хвилі 1-го ступеня. Отримавши таким чином коротший ехо-сигнал більшої амплітуди, здійснюють повторне обчислення його затримки за крутизною фазової характеристики, що за рахунок підвищення співвідношення сигнал/завада підви 58550 4 щує точність вимірювання затримки хвилі 1-го ступеня. Далі використовуючи наявні затримки хвиль 0-го і 1-го ступенів, визначають СШЗ у хвилеводі, а обчислення відстані до рідини здійснюють подібно найближчому аналогу - як півдобуток затримки хвилі 0-го ступеня на отриману швидкість звуку. Таким чином пропонований спосіб не потребує будь-яких апріорних даних зі швидкості звуку, термодатчиків, реперів або інших додаткових засобів, які зазвичай використовуються у відомих способах. Для визначення СШЗ необхідно лише створити умови для поширення у хвилеводі як мінімум двох типів хвиль, відновити форму хвилі 1-го ступеня і визначити їхні часові затримки та апріорі невідому СШЗ. Технологія визначення затримки хвилі 0-го ступеня, яка не має хвильової дисперсії, загально відома з літературних джерел та наведених аналогів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі обробки ехо-сигналу під час вимірювання відстані у хвилеводах, що включає випромінювання звуку у мірну трубку (хвилевід) з розміщеною в ній рідиною, отримання ехо-сигналу від поверхні рідини та обчислення відстані до неї за середньою швидкістю звуку, новим є те, що хвильовий розмір мірної трубки вибирають з врахуванням можливості поширення у ній хвиль 0-го та 1-го ступенів, визначають часову затримку ехо-сигналу хвилі 0го ступеня, а ехо-сигнал хвилі 1-го ступеня піддають спектрально-часовій обробці, знаходять його фазовий спектр та часову затримку на робочій частоті, а далі за цими даними відновлюють лінійність його фазового спектра і здійснюють зворотне перетворення Фур'є, потім отриманий таким чином ехо-сигнал 1-ї нормальної хвилі піддають повторній обробці з повторним обчисленням уточненого значення його часової затримки за тією ж методикою, визначають середню швидкість звуку у хвилеводі за отриманими затримками хвиль 0-го та 1го ступенів, а відстань до рідини знаходять як півдобуток затримки хвилі 0-го ступеня на середню швидкість звуку. Таке функціональне вирішення корисної моделі за рахунок використання ехо-сигналів хвиль вищих порядків, що поширюються у мірній трубці, та відновлення їхньої форми (гостроти та амплітуди) дозволяє навіть за відсутності реперів, термодатчиків та інших додаткових пристроїв точніше визначити фактичну швидкість звуку у середовищі мірної трубки і знайти шукану відстань до рідини. Такі умови ехолокації є типовими для спостережних свердловин та для рівнемірів з мірними трубами або трубками, що використовуються для обліку рідких нафтопродуктів або інших рідин в технологічних резервуарах, цистернах та паливних баках автомобілів. Відмова у корисній моделі від додаткових датчиків і засобів вимірювання СШЗ разом з підвищенням точності вимірювання дозволяє зменшити собівартість пристроїв, розроблених за даним способом, розширює їхні функціональні можливості, особливо при роботі у складних умовах оточуючого середовища. Корисна модель, що пропонується, здійснюється наступним чином. У мірній трубці збуджують 5 акустичні імпульси хвиль 0-го та 1-го ступенів, кожна з яких поширюється зі своєю груповою швидкістю с0 та с1. Далі отримують почергові відбиття цих хвиль від поверхні рідини з відповідними затримками відносно моменту зондування 0 та 1, значення яких зазвичай визначають за допомогою відомих процедур пошуку максимуму обвідної взаємно-кореляційної функції. Для усунення хвильової дисперсії у корисній моделі обчислюють амплітудний і фазовий спектри ехо-сигналу хвилі 1-го ступеня, знаходять крутизну фазової характеристики на робочій частоті і відновлюють її лінійність в межах спектра ехо-сигналу, не змінюючи її крутизни. Далі шляхом зворотного перетворення Фур'є відновлюють ехо-сигнал як функцію часу. Наступні операції здійснюють вже над частково стисненим сигналом більшої амплітуди. Знову визначають його фазовий спектр і на робочій частоті знаходять затримку хвилі 1-го ступеня як похідну від фазового спектра. Таким чином зменшується вплив хвильової дисперсії на точність вимірювання затримки 1. Відстань до рідини визначається за відомою методикою, що полягає у визначенні СШЗ у хвилеводі за отриманими значеннями 0 та 1 та обчисленні відстані за формулою h=с00/2. Описана процедура може бути представлена наступним алгоритмом [4]: 1) обчислення комплексного спектра ехосигналу 0-ї нормальної хвилі у0(n):  Y 0 (k)=ШПФ{у0(n)}, де: n=0...N-1 - номер вибірки ехо-сигналу; k=0...N-1 - номер спектральної вибірки; ШПФ - символ швидкого перетворення Фур'є; обчислення обвідної взаємної кореляційної функції зондуючого сигналу та ехо-сигналу 0-ї нормальної хвилі, пошук максимуму та визначення затримки 0. 2) обчислення комплексного спектра ехосигналу 1-ї нормальної хвилі  у1(n) Y1 (k)=ШПФ{у1{n)} та його фазового спектра 1(k); обчислення крутизни фазового спектра на робочій частоті 0 як відношення приросту фазового спектра до приросту частоти. 3) формування масиву вибірок фазового спектра 1л(k) отриманої крутизни, але з лінійною фазовою залежністю в межах частотного діапазону. 4) відновлення форми ехо-сигналу 1-ї норма  льної хвилі: у1(n)=ЗШПФ{ Y1 (k)}, де Y1 (k) - відновлений спектр ехо-сигналу 1-ї нормальної хвилі, в який введено лінійний фазовий спектр 1л(k); ЗШПФ - символ зворотного швидкого перетворення Фур'є; 4) повторна обробка отриманого ехо-сигналу згідно п.2, обчислення затримки ехо-сигналу 1-ї нормальної хвилі 1 як відношення приросту фазового спектра до приросту частоти. 58550 6 5) знаходження швидкості звуку с0 за відомою формулою c 0    0 r 1  0    3,83  1 2 , де r - радіус мірної трубки. 6) знаходження відстані до рідини за відомою формулою h=c00/2. Підвищення точності при використанні пропонованої корисної моделі відбувається за рахунок того, що в умовах відсутності апріорних даних зі швидкості звуку за рахунок відновлення ехосигналу хвилі першого ступеня і з врахуванням параметрів хвилеводу вдалося підвищити амплітуду ехо-сигналу і, як наслідок, точність вимірювання його затримки і відстані до рідини. Досягнення такого результату неможливе за відомим способом, оскільки в ньому для визначення СШЗ обов'язкова наявність з'єднувальних муфт або реперів у хвилеводі. Встановлення додаткових хвилеводів, датчиків температури або реперів часто неможливе з технологічних причин (артезіанські видобувні та спостережні свердловини, технологічні резервуари, паливні баки автомобілів). Це значно розширює функціональні можливості корисної моделі і сферу її застосування. Поєднання в корисній моделі, що пропонується, зазначених нововведень, що дозволяють одночасно підвищити точність вимірювань і розширити її функціональні можливості, значно підвищує ефективність створених за нею пристроїв і систем, відкриваючи низку нових можливостей, а саме, можливість вимірювання в умовах значних коливань рівня рідини у ємностях, температури та наявності періодичних змін вертикального температурного градієнта. Такі умови бувають під час вимірювання рівня пального у баках автомобілів. Корисна модель може бути реалізована на сучасній елементній базі, наявній на ринку України. Ядром її може бути мікроконтролер MSP430 фірми Texas Instruments, що може виконувати функції формування зондуючого сигналу, спектральнокореляційної обробки і пошуку максимуму ехосигналу, а також обчислювальні функції з визначенням СШЗ та шуканої відстані до рівня рідини. Таким чином використання пропонованого нового способу вимірювання рівня рідини в мірних трубках акустичним способом дозволяє створити нові прилади з підвищеною точністю вимірювання та обліку рідин у технологічних резервуарах і розширеними функціональними можливостями. Джерела інформації 1. А.с. СССР №1781422 А1, МПК Е21В47/04, 1992, Бюл. №46. 2. Патент України №68307 А, МПК Е21В47/04, 2004, Бюл. №7. 3. Гаус П.О., Лавров В.В. и др. Определение скорости звука в газовой среде скважин диагностическим комплексом «Сиаммастер 2С». // Нефтяное хозяйство. - 2001г. - №10. - С.76-78. 7 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 58550 8 Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601