RU2052768C1

RU2052768C1 - Ultrasonic distance meter

Info

Publication number: RU2052768C1
Application number: RU93044367A
Authority: RU
Inventors: Владимир Ильич Плещеев; Игорь Васильевич Комаров; Татьяна Игоревна Мамонкина; Андрей Анатольевич Абдулкин
Original assignee: Владимир Ильич Плещеев; Игорь Васильевич Комаров; Татьяна Игоревна Мамонкина; Андрей Анатольевич Абдулкин
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1996-01-20

Abstract

FIELD: measuring technique. SUBSTANCE: ultrasonic meter has aprobing pulse generator, connected with an input of an electroacoustic converter, a shaper of delay pulses in a tract of reception of a reflected signal, having time-pulse converters in its output and a counter. The time-pulse converter of a delay signal also performs compensation of a temperature error, being occurred in the result of change of temperature of a medium of acoustic oscillation propagation. That converter includes a counting pulse shaper, being in the form of two single-shot autogenerators, connected by a ring-type circuit, a time setting circuit of one of the autogenerators has a thermistor. A resistor of a time setting circuit of the other autogenerator is being used for initial graduation, being necessary because of parameter fluctuation of the time setting circuit. EFFECT: enhanced accuracy of measuting, enlarged using range of such meter. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к акустическим средствам измерения расстояния до границы раздела двух сред, и может быть использовано для контроля уровня жидких, пастообразных и сыпучих веществ, расстояния между сближающимися объектами, например при парковке автомобилей и т.п. The invention relates to instrumentation, in particular to acoustic means for measuring the distance to the interface between two media, and can be used to control the level of liquid, paste-like and granular substances, the distance between objects approaching, for example, when parking cars, etc.

При ультразвуковом измерении расстояния определенную проблему составляет зависимость результатов измерения от температуры среды, в которой распространяются акустические колебания. In ultrasonic distance measurement, a certain problem is the dependence of the measurement results on the temperature of the medium in which acoustic vibrations propagate.

Известен ультразвуковой измеритель расстояния [1] содержащий излучающий и приемный электроакустические преобразователи и два электроакустических преобразователя частотного датчика температуры, установленные на фиксированном расстоянии вдоль канала распространения акустических колебаний и подключенные к триггеру, время единичного состояния которого является функцией температуры среды. Триггер подключен к генератору стабильных импульсов и модулирует его частоту в зависимости от изменения температуры среды. Known ultrasonic distance meter [1] containing a radiating and receiving electro-acoustic transducers and two electro-acoustic transducers of a frequency temperature sensor, mounted at a fixed distance along the propagation channel of acoustic vibrations and connected to a trigger, the unit state time of which is a function of the temperature of the medium. The trigger is connected to a stable pulse generator and modulates its frequency depending on changes in the temperature of the medium.

Как видно, это довольно сложное решение, предполагающее, кроме прочего, установку двух дополнительных электроакустических преобразователей, так что узел компенсации погрешности соизмерим с приемно-передающим трактом. As you can see, this is a rather complicated solution, which involves, among other things, the installation of two additional electro-acoustic transducers, so that the error compensation unit is comparable with the transmit-receive path.

Несколько проще в части компенсации температурной погрешности известный ультразвуковой измеритель [2] содержащий генератор зондирующих импульсов, подключенный к приемно-излучающему электроакустическому преобразователю, формирователь запаздывания и сумматор, один вход которого подключен к выходу узла компенсации температурной погрешности. Последний включает два датчика температуры, один из которых установлен вблизи электроакустического преобразователя, а другой у контролируемой поверхности, дополнительный сумматор, к входам которого подключены датчики температуры, формирователь напряжения, пропорционального изменению температуры среды, и преобразователь этого напряжения во временной интервал. A somewhat simpler part of temperature error compensation is the well-known ultrasonic meter [2] containing a probe pulse generator connected to a receiving-emitting electro-acoustic transducer, a delay shaper and an adder, one input of which is connected to the output of the temperature error compensation unit. The latter includes two temperature sensors, one of which is installed near the electro-acoustic transducer, and the other near the surface to be monitored, an additional adder, to the inputs of which temperature sensors are connected, a voltage shaper proportional to the change in the temperature of the medium, and a converter of this voltage in the time interval.

В указанном ультразвуковом измерителе компенсация осуществляется за счет формирования пропорционального изменению температуры среды сигнала и алгебраического сложения этого сигнала с измеренным сигналом запаздывания. In the specified ultrasonic meter, compensation is carried out due to the formation of a signal proportional to the temperature change of the medium and the algebraic addition of this signal with the measured delay signal.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой измеритель расстояния [3] содержащий формирователь зондирующих импульсов, выход которого подключен к электроакустическому преобразователю, формирователь импульса запаздывания, выход которого подключен к времяимпульсному преобразователю, включающему формирователь счетных импульсов с терморезистором в цепи управления частотой импульсов, и счетчик. Формирователь счетных импульсов выполнен в виде генератора синусоидальных колебаний с терморезистором в частотозадающей цепи и преобразователя синусоидальных колебаний в последовательность импульсов той же частоты. Closest to the proposed one is an ultrasonic distance meter [3] containing a probe pulse generator, the output of which is connected to an electro-acoustic transducer, a delay pulse generator, the output of which is connected to a time-pulse converter, including a counting pulse generator with a thermistor in the pulse frequency control circuit, and a counter. The counter pulse generator is made in the form of a sinusoidal oscillator with a thermistor in the frequency setting circuit and a sinusoidal oscillator in the pulse train of the same frequency.

Компенсация температурной погрешности в прототипе достигается изменением частоты счетных импульсов в соответствии с изменением температуры среды. Однако неизбежный разброс параметров будет вносить погрешность в работу узла компенсации, а необходимая в таком случае калибровка в устройстве-прототипе довольно проблематична. Compensation of the temperature error in the prototype is achieved by changing the frequency of the counting pulses in accordance with the change in the temperature of the medium. However, the inevitable spread of parameters will introduce an error into the operation of the compensation unit, and the calibration required in this case in the prototype device is quite problematic.

Цель изобретения компенсация температурной погрешности с возможностью калибровки устройства при разбросе параметров времязадающей цепи. The purpose of the invention is the compensation of the temperature error with the ability to calibrate the device when the parameters of the timing chain are scattered.

Цель достигается тем, что в ультразвуковом измерителе расстояния, содержащем формирователь зондирующих импульсов, выход которого связан с электроакустическим преобразователем, формирователь импульсов запаздывания, подключенный к выходу формирователя импульса запаздывания, времяимпульсный преобразователь, включающий формирователь счетных импульсов с терморезистором в цепи управления частотой, и счетчик, формирователь счетных импульсов выполнен в виде двух ждущих автогенераторов, включенных по кольцевой схеме, а терморезистор включен во времязадающую цепь одного из них. The goal is achieved in that in an ultrasonic distance meter containing a probe pulse shaper, the output of which is connected to an electro-acoustic transducer, a delay pulse shaper connected to the delay pulse shaper output, a time-pulse transducer including a counting pulse shaper with a thermistor in the frequency control circuit, and a counter, shaper of counting pulses is made in the form of two waiting oscillators, turned on in a ring circuit, and the thermistor is on chen of the timing chain in one of them.

Благодаря такому решению период следования счетных импульсов складывается из длительности импульса, определяемой времязадающей цепью одного из автогенераторов, и времени паузы, определяемого параметрами времязадающей цепи другого. Поскольку одно из слагаемых периода зависит от температуры среды, при постоянном значении второго слагаемого период следования счетных импульсов будет изменяться в соответствии с изменением температуры, а необходимая калибровка из-за разброса параметров может быть обеспечена за счет изменения второго слагаемого периода, которое определяется времязадающей цепью другого автогенератора. Thanks to this solution, the period of counting pulses consists of the pulse duration determined by the timing of one of the oscillators and the pause time determined by the parameters of the timing of the other. Since one of the terms of the period depends on the temperature of the medium, with a constant value of the second term, the period of succession of the counting pulses will change in accordance with the temperature, and the necessary calibration due to the spread of parameters can be achieved by changing the second term of the period, which is determined by the timing of the other auto generator.

На фиг. 1 блок-схема двухпорогового измерителя уровня; на фиг. 2 эпюры напряжений на выходе элементов устройства. In FIG. 1 block diagram of a two-threshold level meter; in FIG. 2 diagrams of voltages at the output of the elements of the device.

Формирователь 1 зондирующих импульсов включает генератор 2 звуковых колебаний, подключенный к управляемому ключу 3, управляющий вход которого подсоединен к формирователю 4 импульсов. Выход формирователя 1 зондирующих импульсов через коммутатор 5 подсоединен к приемно-излучающему электроакустическому преобразователю 6, выполненному, например, в виде антенной решетки. Выход коммутатора 5 подключен к входу формирователя 7 импульсов запаздывания через усилитель 8, управляемый ключ 9 и детектор 10. Другой вход формирователя 7 импульсов запаздывания связан с формирователем 4 импульсов. К управляющему входу ключа 9 подсоединен формирователь 11 импульсов. Входы формирователей 4 и 11 импульсов подсоединены к генератору 12 прямоугольных импульсов. Выход формирователя 7 импульсов запаздывания подсоединен к времязадающему преобразователю, включающему формирователь 13 счетных импульсов, выполненный в виде двух ждущих автогенераторов 14 и 15, включенных по кольцевой схеме. Автогенератор 14 (15) представляет собой ждущий мультивибратор с двумя выходами запускa: один (А) по нарастающему перепаду управляющего импульса, другой (В) по спадающему и двумя выходами: прямым Q и инверсным

. Времязадающие цепи автогенераторов 14 (15) образованы конденсатором 16 (17) и резистором 18 (19). Резистор 19 выполнен в виде термосопротивления, калибровочный резистор 18 в виде переменного, подстроечного, резистора. Выход формирователя 13 счетных импульсов подключен к блоку 20 совпадений, другой вход которого подсоединен к выходу формирователя 7 импульса запаздывания. Выход блока 20 совпадения подключен к счетчику 21 импульсов, выход которого через дешифратор 22 подключен к индикатору 23. Блок 24 управления подсоединен к дешифратору 22 и счетчику 21. Выход счетчика 21 связан также с двумя блоками сравнения 25 и 26, вторые входы которых подсоединены к соответствующему переключателю 27 (28) порога, а выход блоков 25 и 26 сравнения подсоединен к индикатору 29 критических состояний.Shaper 1 of the probe pulses includes a generator 2 of sound vibrations connected to the controlled key 3, the control input of which is connected to the shaper 4 of the pulses. The output of the shaper 1 of the probe pulses through the switch 5 is connected to the receiving-emitting electro-acoustic transducer 6, made, for example, in the form of an antenna array. The output of the switch 5 is connected to the input of the delay pulse generator 7 through the amplifier 8, the controlled key 9 and the detector 10. Another input of the delay pulse generator 7 is connected to the pulse generator 4. A pulse shaper 11 is connected to the control input of the key 9. The inputs of the

drivers

4 and 11 pulses are connected to the generator 12 of the rectangular pulses. The output of the delay pulse shaper 7 is connected to a time-setting converter, including the counting pulse shaper 13, made in the form of two waiting oscillators 14 and 15, connected in a ring circuit. The self-oscillator 14 (15) is a standby multivibrator with two start outputs: one (A) along the rising edge of the control pulse, the other (B) along the falling one and two outputs: direct Q and inverse

. The timing circuits of the oscillators 14 (15) are formed by a capacitor 16 (17) and a resistor 18 (19). The resistor 19 is made in the form of thermal resistance, a calibration resistor 18 in the form of a variable, trimming, resistor. The output of the shaper 13 of the counting pulses is connected to the block 20 matches, the other input of which is connected to the output of the shaper 7 of the delay pulse. The output of the coincidence unit 20 is connected to the pulse counter 21, the output of which through the decoder 22 is connected to the indicator 23. The control unit 24 is connected to the decoder 22 and the counter 21. The output of the counter 21 is also connected to two

comparison units

25 and 26, the second inputs of which are connected to the corresponding the threshold switch 27 (28), and the output of the

comparison units

25 and 26 is connected to the critical state indicator 29.

Ультразвуковой измеритель расстояния работает следующим образом. Ultrasonic distance meter operates as follows.

Сигнал U₂ с выхода генератора 2 звуковых колебаний поступает на ключ 3, управляемый сигналом U₄ с выхода формирователя 4 импульсов. В результате на выходе формирователя 1 зондирующих импульсов появляются радиоимпульсы U₁, которые через коммутатор 5 подаются на электроакустический преобразователь 6 и излучаются в направлении контролируемой отражающей поверхности. Отраженный сигнал принимается тем же электрическим преобразователем 6 и через коммутатор 5 подается на усилитель 8 радиоимпульсов и затем через ключ 9, управляемый сигналом U₁₁ с выхода формирователя импульсов, на вход детектора 10.The signal U ₂ from the output of the generator 2 of sound vibrations is supplied to the key 3, controlled by the signal U ₄ from the output of the shaper 4 pulses. As a result, the output pulses 1 of the probe pulses appear radio pulses U ₁ , which through the switch 5 are supplied to the electro-acoustic transducer 6 and are emitted in the direction of the controlled reflective surface. The reflected signal is received by the same electrical converter 6 and through the switch 5 is fed to the amplifier 8 radio pulses and then through the key 9, controlled by the signal U ₁₁ from the output of the pulse shaper, to the input of the detector 10.

Импульсы U₄ и U₁₁ формируются по передним фронтам сигнала U₁₂ с выхода генератора 12 прямоугольных импульсов. При этом импульсы, формируемые блоком 11, более длинные, чем излучаемые, что необходимо для предотвращения пролезания излучаемого сигнала на вход детектора 10. Продетектированный сигнал U₁₀ поступает на вход формирователя 7 импульсов запаздывания, где начало импульса запаздывания U₇ определяет сигнал с выхода формирователя 4 импульсов, а конец с выхода детектора 10. Сформированный таким образом импульс запаздывания заполняется счетным импульсом U₁₃, поступающим с формирователя 13 счетных импульсов. Формирователь 13 счетных импульсов осуществляет не только времяимпульсное преобразование сигнала U₇, но и компенсацию температурной погрешности.The pulses U ₄ and U ₁₁ are formed on the leading edges of the signal U ₁₂ from the output of the rectangular pulse generator 12. In this case, the pulses generated by the block 11 are longer than the emitted ones, which is necessary to prevent the radiated signal from creeping to the input of the detector 10. The detected signal U _{10 is} supplied to the input of the delay pulse generator 7, where the beginning of the delay pulse U ₇ determines the signal from the output of the driver 4 pulses, and the end from the output of the detector 10. Thus formed, the delay pulse is filled with a counting pulse U ₁₃ coming from the shaper 13 of the counting pulses. Shaper 13 counting pulses provides not only the time-pulse conversion of the signal U ₇ , but also the compensation of the temperature error.

Период следования счетных импульсов Т_с4 равен сумме длительностей импульсов Т₁ автогенератора 14 и Т₂ автогенератора 15:
T_c4 T₁+T₂ K₁·R₁₈ ·C₁₆+K₂ ·R₁₉ ·C₁₇, где К₁, К₂ постоянные коэффициенты, зависящие от конкретного исполнения автогенератора;
R₁₈, R₁₉ величина сопротивления резистора 18 и 19;
С₁₆, С₁₇ емкость конденсатора 16 и 17.The period following the counting pulses T _c4 is equal to the sum of the durations of the pulses T _{1 of the} oscillator 14 and T _{2 of the} oscillator 15:
T _c4 T ₁ + T ₂ K ₁ · R ₁₈ · C ₁₆ + K ₂ · R ₁₉ · C ₁₇ , where K ₁ , K _{2 are} constant coefficients, depending on the specific design of the oscillator;
R ₁₈ , R _{19 the} resistance value of the resistor 18 and 19;
C ₁₆ , C _{17 the} capacitance of the capacitor 16 and 17.

Для идеальной компенсации
Vt^o·T_c4 const V(t^o)·(K₃R₁₈+K₄ ·R₁₉), где V(t^o) скорость звука.For perfect compensation
Vt ^o · T _c4 const V (t ^o ) · (K ₃ R ₁₈ + K ₄ · R ₁₉ ), where V (t ^o ) is the speed of sound.

Следовательно,
R₁₉(t^o) a/v(t^o) -(bR₁₈) где а, b постоянные коэффициенты. Для воздуха V(t^o) 331,46 (1+1,83· 10^-3·t^oC)
Зависимость сопротивления полупроводниковых терморезисторов типового исполнения (ТР-4, ММТ-4) близка к случаю идеальной компенсации.Hence,
R ₁₉ (t ^o ) a / v (t ^o ) - (bR ₁₈ ) where a, b are constant coefficients. For air, V (t ^o ) 331.46 (1 + 1.83 · 10 ^-3 · t ^o C)
The dependence of the resistance of standard-type semiconductor thermistors (TR-4, MMT-4) is close to the case of ideal compensation.

Неизбежный разброс параметров времязадающих цепей легко корректируется при первоначальной калибровке с помощью резистора 18 (R₁₈) автогенератора 14. Варьируя параметрами времязадающих цепей (R₁₈R₁₆) и (R₁₉C₁₇), можно обеспечить уменьшение погрешности от изменения температуры среды, как показали испытания, более, чем в 10 раз.The inevitable variation in the parameters of the timing circuits is easily corrected during initial calibration using the resistor 18 (R ₁₈ ) of the oscillator 14. By varying the parameters of the timing circuits (R ₁₈ R ₁₆ ) and (R ₁₉ C ₁₇ ), it is possible to reduce the error from changes in the temperature of the medium, as shown tests more than 10 times.

Импульсы запаздывания, заполненные счетными импульсами, поступают на двоично-десятичный счетчик 21, который обнуляется по окончании действия каждого импульса запаздывания U₇. Перед обнулением двоично-десятичный код записывается дешифратором 22, с выхода которого код расстояния поступает на цифровой индикатор 23 уровня.The delay pulses filled with counting pulses arrive at the binary-decimal counter 21, which is reset at the end of the action of each delay pulse U ₇ . Before zeroing, the binary-decimal code is recorded by the decoder 22, from the output of which the distance code is sent to a digital level indicator 23.

Критические состояния фиксируются индикатором 29 критических состояний, информация на который поступает от блоков 25 и 26 сравнения текущего значения импульсов запаздывания с заданными пороговыми значениями. Critical states are recorded by the indicator 29 of critical states, the information for which comes from blocks 25 and 26 comparing the current value of the delay pulses with predetermined threshold values.

Предложенный ультразвуковой измеритель был опробован при измерении расстояний от 0,3 до 10 м и изменения температуры среды от 20 до 75^оС, Погрешность измерения при этом не превышала 2%The proposed ultrasonic meter was tested when measuring distances of 0.3 to 10 m and changing the environmental temperature from 20 ^to 75 ° C, wherein the measurement error does not exceed 2%

Claims

An ULTRASOUND DISTANCE METER, comprising serially connected probing pulse shaper, the output of which is connected to an electro-acoustic transducer, a delay pulse shaper, a time-pulse converter, which includes a counting pulse shaper with a thermistor during the timing circuit, and a counter, which consists of two pulses auto-generators included in a ring circuit, and a thermistor is included in the timing circuit of one of them.