SU1767354A1 - Ультразвуковой уровнемер - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени  уровнемер содержит синхронизатор 1, состо щий из блокинг-генератора 2, дополнительный излучатель 3, дополнительный приемник 4, два усилител  5, 9, формирующий каскад 6, три делител  7, 14, 17 частоты, генератор 8 импульсов , два триггера 10, 15, приемно-излу- чающую головку 11, формирователь 11 импульсов задержки, два блока 13,21 задержки , две схемы И 16, 18, счетчик 19 импульсов , генератор 20 калибровочной частоты. 6-2-3-4-5-12-13-14-15-16-17-18-19, 5-6-7-8- 21-10-18, 8-9-10, 7-15, 8-11, 11-8, 20-19, 20- 16. 2 ил. Z ZZZZZZZ/ Ь t

Description

сл

с

XI

О vj СО СЛ

Изобретение относитс  к акустическим приборам и может найти применение дл  измерени  уровн  жидких сред, толщины изделий и дл  определени  рассто ни  до объектов контрол  в промышленности и сельском хоз йстве.

Известен ультразвуковой уровнемер, содержащий генератор тактовых импульсов , приемно-возбуждающее устройство с уставкой срабатывани  ,приемно-излучаю- щий преобразователь, кипп-реле, элемент задержки, формирователь строб-импульсов , генератор счетных импуЗ ьсв, селектор, счетчик, регистратор и схему совпадений с вентил ми 1.

Недостатком указанного устройства  вл етс  низка  точность измерений, обусловленна  пр мыми измерени ми скорости ультразвука и наличием паразитной задержки сигнала в электронной схеме и мембране преобразовател .

Такж е известен ультразвуковой уровнемер , содержащий синхрокольцо из генератора , преобразовател , приемного устрйства и схемы запрета, формирователь строб-импульсов, измеритель временных интервалов, компенсационное синхроколь- цо, делитель частоты, генератор тактовых импульсов и схему ИЛИ 2.

Недостаток данного устройства в его низкой точности из-за вли ни  паразитных, задержек сигнала в обоих каналах.

Наиболее близким по техничекой сущности к за вл емому устройству  вл етс  ультразвуковой импульсный локатор сред, содержащий последовательно соединенные первый делитель частоты, импульсный генератор, первый усилитель и первый триггер , приемно-излучающую головку, соединенную с входом первого усилител , синхронизатор, выполненный в виде после- довательно соединенных блокинг-генерато- ра, дополнительного излучател , дополнительного приемника, второго усилител  и формирующего каскада, выход которого соединен с входами блокинг-генератора и первого делител  частоты.

Недостаток данного устройства в том, что период рециркул ции сигнала в синхронизаторе содержит помимо времени распространени  сигнала в исследуемой среде еще и неинформативное врем  задержки сигнала, состо щее из посто нной и переменной составл ющих.

Посто нна  составл юща  обусловлена задержкой сигнала в дополнительном излучателе , дополнительном приемнике и электронной схеме.

Переменна  составл юща  задержки обусловлена нестабильностью момента

прив зки к переднему фронту продетекти- рованного сигнала, что имеет место в формирующем каскаде при изменении амплитуды (флуктуации) прин того сигнала

и посто нстве порога срабатывани .

Аналогичные задержки сигнала характерны и дл  контролируемого канала. Все это снижает точность измерений, особенно в услови х, когда рассто ние до объекта

0 контрол  мало, а измерени  производ тс  в сильно флуктуирующих, высокотемпературных или в агрессивных средах, что обуславливает наличие толстых защитных мембран на пьезопреобразовател х и, как следствие,

5 наличие заметного (до единиц и дес тков процентов) паразитного времени задержки сигнала в синхронизаторе и в контролируемом канале.

Цель изобретени  - увеличение точно0 сти измерений.

Указанна  цель достигаетс  тем, что в ультразвуковой уровнемер, содержащий последовательно соединенные первый делитель частоты, импульсный генератор,

5 первый усилитель и первый триггер, приемно-излучающую головку, соединенную с входом первого усилител , синхронизатор, выполненный в виде последовательно соединенных блокинг-генератора, дополни0 тельного излучател , дополнительного приемника, второго усилител  и формирующего каскада, выход которого соединен с входами блокинг-генератора и первого делител  частоты, согласно изобретению, вве5 дены последовательно соединенные формирователь импульсов задержки, первый блок задержки, второй делитель частоты , второй триггер, перва  схема И, третий делитель частоты, втора  схема И и счетчик

0 импульсов, второй блок задержки и генератор стабильных колебаний, выходы которого подключены к входам первой и второй схем И, вход формировател  импульсов задержки соединен с выходом второго усили5 тел , при этом вход первого усилител  соединен с вторым входом первого триггера через второй блок задержки, второй вход второго триггера соединен с выходом первого делител  частоты, а третий вход второй

0 схемы И соединен с выходом первого триггера .

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что за вл емое устройство отличаетс  наличием новых блоков: форми5 ровател  импульса задержки, первого блока задержки, второго делител  частоты, второго триггера, первой схемы И, третьего делител  частоты, второй схемы И, счетчика импульсов, генератора стабильных колеба- ний и второго блока задержки, и их св з ми

с остальными элементами схемы. Таким образом , за вл емое утсройство соответствует критерию изобретени  новизна.

Сравнение за вл емого решени  с другими техническими решени ми показывает, что все перечисленные блоки широко известны .

Однако при их введении в указанной св зи с остальными элементами схемы в за вл емый ультразвуковой уровнемер вышеуказанные блоки про вл ют новые свойства , что приводит к увеличению точности измерений. Это позвол ет сделать вывод о соответствии технического решени  критерию существенные отличи .

Устройство содержит синхронизатор 1, выполненный в виде последовательно соединенных блокинг-генератора 2, дополнительного излучател  3, дополнительного приемника 4, второго усилител  5, формирующего каскада 6, выход которого подключен к входам блокинг-генератора 2 и первого делител  7 частоты. Уровнемер содержит также последовательно соединенные импульсный генератор 8, первый усилитель 9, первый триггер 10, а также приемно-излучающую головку 11, причем вход импульсного генератора 8 соединен с выходом первого делител  7 частоты, а выход импульсного генератора 8 соединен с приемно-излучающей головкой 11.

Устройство содержит также последовательно соединенные формирователь 12 импульсов задержки, первый блок 13 задержки , второй делитель 14 частоты, второй триггер 15, первую схему И 1 б, третий делитель частоты 17, вторую схему И 18 и счетчик

19импульсов. Уровнемер содержит также генератор 20 стабильных колебаний и второй блок 21 задержки. Причем вход формировател  12 соединен с выходом усилител  5, второй вход триггера 15 соединен с выходом делител  7, первый выход генератора

20соединен с вторым входом схемы И 16, второй его выход соединен с вторым входом схемы И 18, третий ее вход соединен с выходом триггера 10, второй вход которого соединен с выходом блока 21 задержки, а вход блока 21 задержки соединен с выходом генератора 8.

В эталонном канале (в синхронизаторе) блокинг-генератор2 вырабатывает электрические импульсы, которые, пройд  через излучатель 3, преобразуютс  в акустические импульсы, поступают на приемник 4, преобразуютс  в электрические импульсы, прохо- д тусилитель 5, формирующий каскад 6, где вырабатываютс  синхроимпульсы в момент превышени  амплитуды сигнала посто нного порогового уровн , и поступают на вход

блокинг-генератора 2, вызыва  повторный цикл автоциркул ции электроакустических импульсов с периодом Тэ, а также поступают на вход делител  7, с выхода которого

импульсы поступают на вход генератора 8 и триггера 15.

Период рециркул ции содержит помимо времени распространени  акустического импульса в исследуемой среде еще и неин0 формативное врем  задержки сигнала, состо щее из посто нной и переменней составл ющих.

Посто нна  составл юща  обусловлена задержкой сигнала в излучателе, приемнике

5 и электронной схеме. Дл  ее компенсации используетс  блок 13 задержки, врем  задержки которого равно сумме времен задержки сигнала в излучателе, приемнике и электронной схеме.

0 Переменна  составл юща  задержки обусловлена нестабильностью момента прив зки к переднему фронту продетекти- рованного сигнала, что имеет место в формирующем каскаде 6 при изменении

5 амплитуды прин того сигнала и посто нстве порога срабатывани . Переменна  составл юща  задержки компенсируетс  с помощью формировател  12, пороговый уровень в котором в два раза превышает

0 пороговый уровень формирующего каскада 6.

В каждом периоде рециркул ции импульсы с выхода усилител  5 одновременно поступают на блоки 6 и 12. На выходе фор5 мировател  12 сигнал по витс  с задержкой относительно к сигналу на выходе формировател  6, врем  которой равно переменной составл ющей паразитной задержки, так как та часть переднего фронта продетекти0 рованного импульса, где происходит фиксаци  момента превышени  его пороговых уровней в каскадах 6 и 12, обладает высокой линейностью. В блоке 13 сигнал дополнительно задерживаетс  на врем , равное по5 сто нной составл ющей паразитной задержки, и через делитель 14 поступает на первый вход триггера 15.

На входы триггера 15 в каждом периоде рециркул ции приход тсигналы, сдвинутые

0 во времени относительно друг друга на врем  суммарной паразитной задержки, что позвол ет в триггере 15 вычесть врем  паразитной задержки из периода рециркул ции и получить на выходе триггера 15 им5 пульсы, длительность Т э которых равна времени распространени  ультразвука в акустической среде эталонного канала (синхронизатора ).

С выхода триггера 15 импул ьсы поступают на первый вход схемы И 16, управл  

прохождением высокочастотных импульсов с периодом Tt с выхода генератора 20 на вход делител  17, имеющий коэффициент делени  Кд. Коэффициент делени  делителей 7 и 14 одинаков и равен КД1. Число N3 импульсов с длительностью КД1 -Тэ (увеличенный в КД1 эталонный интервал) и периодом Кд Тэ, поступивших с выхода триггера 15 на вход схемы И 16 в течение измерительного интервала времени, определитс  из услови :

N3-KAi Тэ Кд-Т0,(1)

откуда

N3 , Кд1 Тэ

Генератор 8 вырабатывает электрические импульсы с периодом повторени  Тэ. Эти импульсы одновременно поступают на приемно-излучающую акустическую головку 11 и на вход блока 21 задержки, в котором задерживаютс  на врем , равное посто нной составл ющей паразитной задержки сигнала, в контролируемом канале, т.е. в защитной мембране головки 11 и в блоке 9. С выхода блока 21 задержки электрические импульсы поступают на второй вход триггера 10.

Ультразвуковой импульс, излучаемый головкой 11, распростран  сь в лоцируемой среде, достигает граничной поверхности ее и, отразившись от нее, поступает на головку 11 через интервал времени Т1к, равный отношению удвоенного лоцируемого рассто ни  и скорости ультразвука, и преобразуетс  в электрический импульс. Последний через приемно-усилительный 6iioK 9 поступает на первый вход триггера 10, на выходе которого формируютс  импульсы , с периодом Кд Тэ автоциркул ции и длительностью Т к .

С выхода триггера 10 импульсы поступают на третий вход схемы И 17, управл   прохождением высокочастотных импульсов с второго выхода генератора 20 на вход счетчика 19.

Общее число Nx высокочастотных импульсов , заполн ющих МЭ эталонных интервалов времени, длительностью Тк каждый в течение измерительного интервала N34 Кдг Тэ с учетом выражени  (2) равно

Т

Nx N3

ТЙ Кд То Кд Til

TJ

(3)

То Т° КД1 -Тэ КД1 Принима  во внимание, что врем  распространени  импульсов в эталонной и контролируемой среде равно

t э

Тэ

-И Ik

где э и 1К - рассто ние между излучателем и приемником ультразвука в эталонном канале (синхронизаторе) и удвоенное лоцируе- мое рассто ние в контролируемом канале соответственно;

Сэ и Ск - скорости звука соответственно в эталонном и контролируемом канале; имеем после подстановки значений Тэ и Т в формулу (3):

10 м - Кд lk Сэ х КД1 э Ск

(4)

15

Учитыва , что , формула (4) преобразуетс  к виду

Принима  во внимание, что э const, можно записать

,

(6)

20

30

35

где

Кл

2 Кл

(7)

Кд1-1эНа фиг.2 приведены временные диаграммы работы устройства, причем диаграм- 5 мы A,B,C,D и Е соответствуют одноименным точкам на фиг,1.

Конструктивное выполнение блоков 1,2,3,4,5,6,8,9,11,12,13,16,18.19,20 и 21 известно (3,4,5,6).

Блоки 10 и 15 представл ют собой статические триггеры с раздельными входами.

Блоки 7 и 14 одинаковы и отличаютс  от аналогичного блока 17 меньшим коэффициентом Кд1 делени  частоты.

Условие дл  выбора коэффициента КД1 имеет вид:

Н40 Таким образом, результат(6) измерений в предложенном устройостве не зависит от посто нной и переменной составл ющих паразитного времени задержки сигнала в синхронизаторе и от посто нной составл 45 ющей паразитного времени задержки сигнала в контролируемом канале, что повышает точность измерений рассто ни  до объекта контрол  (толщины или уровн ) особенно в услови х, когда рассто ние до

50 объекта контрол  мало, а измерени  производ тс  в агрессивных, сильно флуктуирующих или высокотемпературных средах, что обуславливает наличие толстых защитных мембран на пьезопреобразовател х и, как

55 следствие, наличие заметного (до единиц и дес тков процентов) паразитного времени задержки сигнала в эталонном и контролируемом каналах.

При этом по вл етс  возможность не только уменьшить габариты эталонного и

контролируемого акустических каналов без снижени  точности измерений, но и дополнительно увеличить точность и быстродействие измерений соответствующим повышением частоты стабильных колебаний (с выхода генератора 20) и быстродействи  счетчика 19 (аналогично-делител  17 частоты), так как пропорционально уменьшаетс  погрешность дискретности.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Ультразвуковой уровнемер, содержащий последовательно соединенные первый делитель частоты, импульсный генератро, первый усилитель и первый триггер, прием- но-излучающую головку, сединенную с входом первого усилител , синхронизатор, выполненный в виде последовательно соединенных блокинг-генератора, дополнительного излучател , дополнительного приемника, второго усилител  и формирую J ±1- .

   ,Тэ

   КЪ7э

   к

   С

   ZLI

   ИЗ РЪ. I:

   Ј

   щего каскада, выход которого соединен также с входом блокинг-генератора и первого делител  частоты, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности, в него

   введены последовательно соединенные формирователь импульсов задержки, первый блок задержки, второй делитель частоты , второй триггер, перва  схема И, третий делитель частоты, втора  схема И и счетчик

   импульсов, второй блок задержки и генератор стабильных колебаний, выходы которого подключены к вторым входам первой и второй схем И, вход формировател  импульсов задержки соединен с выходом второго

   усилител , при этом выход генератора импульсов соединен также с вторым входом первого триггера через второй блок задержки , второй вход второго триггера соединен с выходом первого делител  частоты, а третий вход второй схемы И подключен к выходу первого триггера.

   ±

   НЭ, 7

   -----I1,

   i,

   1

   Ч