СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ВЕЛИЧИН И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля линейных размеров, а также в системах автоматического контроля, управления и регулирования параметров промышленных технологических процессов, например, при определении уровня хозяйственно-питьевой и технической воды в резервуарах систем водоснабжения.

Известен способ измерения линейных величин, заключающийся в том, что излучают акустический импульс вдоль базового направления и в направлении контролируемой поверхности, формируют информационный импульс длительностью, пропорциональной времени прохождения акустическим импульсом фиксированного расстояния вдоль базового направления, используют информационный импульс для регулировки частоты следования счетных импульсов, формируют из переотраженных акустических импульсов два информационных интервала времени, которые заполняют счетными импульсами и сравнивают по длительности [1]
Устройство для реализации известного способа содержит ультразвуковой датчик, первый луч двухлучевой диаграммы направленности которого ориентирован вдоль базового направления, а второй луч в направлении контролируемой поверхности, и электронный блок в составе схемы коммутации, схемы формирования счетных импульсов, схемы формирования акустических импульсов и реверсивного счетчика.

Однако известный способ характеризуется недостаточной точностью измерения.

Известен способ измерения линейных величин, заключающийся в том, что излучают акустический импульс вдоль базового направления и спустя время, необходимое для прохождения фиксированного расстояния, отражают его в направлении контролируемой поверхности, формируют информационный импульс длительностью, равной интервалу времени между моментами излучения и переотражения акустического импульса, используют информационный импульс для регулировки частоты следования счетных импульсов, посредством переотраженного акустического импульса организуют процесс автоциркуляции импульсов, зондирующих расстояние до контролируемой поверхности, и судят о данном расстоянии по количеству счетных импульсов, вырабатываемых в течение интервала времени, необходимого для регистрации заданного количества зондирующих импульсов [2]
Устройство для реализации известного способа содержит ультразвуковой датчик в составе двух пьезопреобразователей, смещенных друг относительно друга на фиксированное расстояние вдоль базового направления, вдоль которого встречно ориентированы первые лучи двухлучевых диаграмм направленности пьезопреобразователей с пространственной ориентацией второго луча диаграммы направленности одного из пьезопреобразователей в направлении контролируемой поверхности и электронный блок в составе схемы коммутации пьезопреобразователей, схемы формирования счетных импульсов, схемы формирования зондирующих импульсов и схемы считывания выходного сигнала.

Недостаток известного способа заключается в сложности его реализации. Кроме того, при использовании известного способа для контроля уровня жидких сред возможны помехи, вызываемые переотражением поверхностью жидкой среды акустических импульсов, излучаемых пьезопреобразователями ультразвукового датчика, что снижает достоверность измерений.

Задача изобретения упрощение реализации способа и повышения достоверности результатов измерений при контроле уровня жидких сред.

Поставленная задача решается тем, что в способе измерения линейных величин, заключающемся в излучении акустического импульса вдоль базового направления, формировании информационного импульса, использовании информационного импульса для регулировки частоты следования счетных импульсов, в организации процесса автоциркуляции импульсов, зондирующих расстояние до контролируемой поверхности и в определении данного расстояния по количеству счетных импульсов, вырабатываемых в течение интервала времени, необходимого для регистрации заданного количества зондирующих импульсов, предлагается одновременно с базовым направлением излучать акустический импульс в направлении контролируемой поверхности и использовать последний для организации процесса автоциркуляции зондирующих импульсов, а акустический импульс, прошедший вдоль базового направления фиксированное расстояние, рассеивать и выбирать длительность информационного импульса равной удвоенному интервалу времени между моментами излучения и рассеивания акустического импульса.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для реализации способа измерения линейных величин, содержащем ультразвуковой датчик в составе пьезопреобразователя, первый луч двухлучевой диаграммы направленности которого ориентирован вдоль базового направления с пространственной ориентацией второго луча в направлении контролируемой поверхности, и электронный блок в составе схемы формирования счетных импульсов, схемы формирования зондирующих импульсов и схемы считывания выходного сигнала, предлагается ультразвуковой датчик снабдить рассеивателем акустических импульсов, смещенным относительно пьезопреобразователя на фиксированное расстояние вдоль базового направления, а в электронном блоке устройства схему формирования счетных импульсов составить из первого электронного ключа, триггера и ждущего мультивибратора с подключением к выходу первого ключа его запирающего входа и первого входа триггера, выход которого соединен с управляющим входом ждущего мультивибратора; схему формирования зондирующих импульсов составить из второго и третьего электронных ключей, генератора зондирующих импульсов и усилителя-формирователя с подключением к первому выходу генератора пьезопреобразователя ультразвукового датчика и входа второго ключа, выход которого соединен со входом усилителя-формирователя, и с подключением входа генератора к запирающим входам второго и третьего ключей и к выходу третьего ключа, вход и отпирающий вход которого, а также второй вход триггера, соединены с выходом усилителя-формирователя, а схему считывания выходного сигнала составить из первого и второго счетчиков импульсов с подключением к выходу третьего электронного ключа входа первого счетчика, объединенного с первым входом ждущего мультивибратора, выход которого соединен с первым входом второго счетчика, и с подключением к выходу первого счетчика второго входа второго счетчика, объединенного со вторым входом ждущего мультивибратора и с отпирающим входом первого электронного ключа, вход которого, соединенный с отпирающим входом второго ключа, подключен ко второму выходу генератора зондирующих импульсов.

Кроме того, ультразвуковой датчик устройства для реализации способа может быть выполнен в виде вертикально подвешенной в резервуаре с контролируемой жидкостью жесткой конструкции, составленной из двух соосно размещенных труб разного диаметра с глухим дном, с рассеивающей поверхностью, в пространстве между стенками которых на фиксированном расстоянии от рассеивателя установлен пьезопреобразователь цилиндрической формы с внутренним диаметром, равным внешнему диаметру внутренней трубы, полость которой снабжена поплавком и объединена с резервуаром в области размещения рассеивателя акустических импульсов.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа, на фиг. 2 приведена конструкция ультразвукового датчика, на фиг. 3 изображены временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство для реализации предлагаемого способа измерения линейных величин содержит ультразвуковой датчик 1 в составе двухлучевого пьезопреобразователя 2 и рассеивателя 3 акустических импульсов, и электронный блок 4 в составе трех электронных ключей 5, 6 и 7, генератора 8 зондирующих импульсов, усилителя-формирователя 9, триггера 10, ждущего мультивибратора 11 и двух счетчиков 12 и 13, при этом, первый луч диаграммы направленности пьезопреобразователя 2 ориентирован вдоль базового направления "y", а второй - в направлении "X" контролируемой поверхности 14 объекта 15 (фиг. 1).

Ультразвуковой датчик 1, подключенный к блоку 4 кабелей 16, выполнен в виде вертикально подвешенной в резервуаре 17 жесткой конструкции, составленной из соосно размещенных труб 18 и 19 разного диаметра с глухим дном, снабженным рассеивателем 3, в гидроизолированном пространстве между стенками которых на фиксированном расстоянии l_o от рассеивателя 3 установлен пьезопреобразователь 2 цилиндрической формы, при этом, объект 15 выполнен в виде поплавка, помещенного в полость трубы 18, объединенную с резервуаром 17 в области размещения рассеивателя 3 акустических импульсов (фиг. 2).

Первый электронный ключ 5, триггер 10 и ждущий мультивибратор 11 блока 4 входят в состав схемы формирования счетных импульсов с подключением к выходу ключа 5 его запирающего входа и первого входа триггера 10, выход которого соединен с управляющим входом ждущего мультивибратора 11.

Второй и третий электронные ключи 6 и 7, генератор 8 зондирующих импульсов и усилитель-формирователь 9 входят в состав схемы формирования зондирующих импульсов блока 4 с подключением к первому выходу генератора 8 пьезопреобразователя 2 ультразвукового датчика 1 и входа второго ключа 6, выход которого соединен со входом усилителя-формирователя 9, и с подключением входа генератора 8 к запирающим входам второго и третьего ключей 6 и 7, и к выходу третьего ключа 7, вход и отпирающий вход которого, а также второй вход триггера 10, соединены с выходом усилителя-формирователя 9.

Первый и второй счетчики 12 и 13 в состав схемы считывания блока 4 с подключением к выходу третьего электронного ключа 7 входа первого счетчика 12, объединенного с первым входом ждущего мультивибратора 11, выход которого соединен с первым входом второго счетчика 13, и с подключением к выходу первого счетчика 12, объединенного со вторым входом ждущего мультивибратора 11 и с отпирающим входом первого ключа 5, вход которого, соединенный с отпирающим входом второго ключа 6, подключен ко второму выходу генератора 8 зондирующих импульсов.

Способ заключается в следующем.

Сигнал с первого выхода генератора 8 возбуждает двухлучевой преобразователь 2, посредством которого излучают акустический импульс 20 (фиг. 3) вдоль базового направления "y" и в направлении "X" контролируемой поверхности 14 объекта 15 (фиг. 1). Одновременно электрический импульс 28 со второго выхода генератора 8 откроет второй электронный ключ 6 и, закрыв за собой первый ключ 5, поступит на первый вход триггера 10. Триггер 10 запускается и на управляющий вход ждущего мультивибратора 11 начнет поступать информационный импульс 36.

Спустя время T_o, необходимое для прохождения вдоль базового направления "y" фиксированного расстояния l_o, акустический импульс 20 рассеивают, т.е. частично переотражают его рассеивателем 3 в сторону пьезопреобразователя 2, который, также спустя время T_o, возбуждается переотраженным акустическим импульсом 24 и посылает электрический сигнал на вход усилителя 9 (через второй ключ 6). Усилитель 9 формирует стандартный электрический импульс 32. Данный импульс отпирает закрытый в исходном состоянии третий электронный ключ 7 и, поступая на второй вход триггера 10, прекращает формирование информационного импульса 36. Длительность 2T_o импульса 36, равная удвоенному интервалу времени моментами излучения и рассеивания акустического импульса 20, не зависит от значения контролируемого расстояния l_x, поэтому, поступая на управляющий вход ждущего мультивибратора 11, информационный импульс 36 производит регулировку частоты следования (периода t₀) счетных импульсов 37 последнего в зависимости от значения скорости распространения акустического импульса 20.

Спустя время T_x акустический импульс 20, излученный в направлении "X" объекта 15, переотражается его поверхностью 14 в сторону пьезопреобразователя 2, который, возбуждаясь переотраженным акустическим импульсом, посылает через второй ключ 6 электрический сигнал на вход усилителя 9. Стандартный импульс 29, сформированный усилителем 9, пройдет открытый импульсом 32 третий ключ 6 и поступит на первый вход ждущего мультивибратора 11. Счетные импульсы 37 мультивибратора 11 начнут регистрироваться вторым счетчиком 13.

Под действием импульса 29 генератор 8 вырабатывает очередной сигнал для возбуждения пьезопреобразователя 2, излучающего акустический импульс 21. Начинается процесс автоциркуляции зондирующих расстояние l_x импульсов 20^oC23 и электрическим импульсом 28^oC31 по контуру: генератор 8 - пьезопреобразователь 2 поверхность 14 объекта 15 пьезопреобразователь 2 - второй электронный ключ 6 усилитель-формирователь 9 третий ключ 7 - генератор 8.

Одновременно импульсы 28 ^oC 31 регистрируются первым счетчиком 12, который при полном заполнении его емкости вырабатывает импульс переполнения, останавливающийся через второй вход работу ждущего мультивибратора 11. Поступление счетных импульсов 37 на второй счетчик 13 прекращается. Первый цикл измерения прекращается.

При этом, автоциркуляция зондирующих импульсов продолжается и с возвращением импульсом переполнения в исходное состояние первого электронного ключа 5 и одновременного сброса показаний второго счетчика 13 начинается следующий цикл измерения.

Время 2T_x распространения ультразвука от пьезопреобразователя 2 до контролируемой поверхности 14 и обратно до поверхности пьезопреобразователя 2 определяется путем деления содержимого "К" второго счетчика 13 на содержимое (число "N" переполнения) первого счетчика 12. По полученному времени 2T_x с учетом времени 2T₀ распространения ультразвука вдоль базового направления "у" на фиксированное расстояние l₀ от пьезопреобразователя 2 определяют искомый параметр расстояние l_x до контролируемой поверхности 14 объекта 15. Т. е. судят о данной линейной величине по количеству счетных импульсов 37, вырабатываемых в течение интервала времени 2NT_x, необходимого для регистрации заданного количества N зондирующих импульсов 20 ^oC 23.

Использование предлагаемого способа позволяет по сравнению с прототипом упростить его реализацию без снижения точности измерения. Кроме того, конструкция ультразвукового датчика, входящего в состав устройства для реализации предлагаемого способа, исключает возникновение помех, влияющих на достоверность измерений, что достигается операцией рассеивания зондирующих акустических импульсов.

Использование: измерительная техника. Сущность изобретения: способ заключается в излучении акустического импульса вдоль базового направления, использовании информационного импульса для регулировки частоты следования счетных импульсов, организации процесса автоциркуляции импульсов, зондирующих расстояние до контролируемого объекта и в определении данного расстояния по количеству счетных импульсов, вырабатываемых в течение интервала времени, необходимого для регистрации заданного количества зондирующих импульсов, при этом, одновременно с базовым направлением акустический импульс излучают в направлении контролируемого объекта и используют последний для организации процесса автоциркуляции зондирующих импульсов, а акустический импульс, прошедший вдоль базового направления фиксированное расстояние, рассеивают и выбирают длительность информационного импульса равной удвоенному интервалу времени моментами излучения и рассеивания акустического импульса. Предлагаемое устройство для реализации способа содержит ультразвуковой датчик в составе пьезопреобразователя, первый луч двухлучевой диаграммы направленности ориентирован вдоль базового направления с пространственной ориентацией второго луча в направлении контролируемого объекта, и рассеивателя акустических импульсов, смещенного относительно пьезопреобразователя на фиксированное расстояние вдоль базового направления и электронный блок. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения линейных величин, заключающийся в том, что излучают акустические импульсы в направлении контролируемой поверхности объекта в режиме автоциркуляции и в базовом направлении на фиксированное расстояние, формируют электрический импульс регулировки частоты следования счетных импульсов в течение заданного числа зондирующих импульсов, а о расстоянии до контролируемой поверхности объекта судят по количеству счетных импульсов, отличающийся тем, что излучение акустических импульсов в базовом направлении и в направлении контролируемой поверхности объекта осуществляют одновременно, прошедшие фиксированное расстояние акустические импульсы рассеивают, а длительность электрического импульса регулировки частоты следования счетных импульсов выбирают равной удвоенному интервалу времени между моментами излучения и рассеивания акустического импульса. 2. Устройство для измерения линейных величин, содержащее ультразвуковой датчик, расположенный в нем пьезопреобразователь с двухлучевой диаграммой направленности и соединенный с пьезопреобразователем электронный блок с тремя ключами, генератором зондирующих импульсов и двумя счетчиками, первый луч диаграммы направления, а второй луч в направлении контролируемой поверхности объекта, отличающееся тем, что в него введен рассеиватель акустических импульсов, размещенных в ультразвуковом датчике на фиксированном расстоянии от пьезопреобразователя вдоль базового направления, а электронный блок выполнен из последовательно соединенных генератора зондирующих импульсов, первого ключа, усилителя-формирователя, второго ключа, первого счетчика, третьего ключа, триггера, ждущего мультивибратора и второго счетчика, выход генератора зондирующих импульсов подключен к пьезопреобразователю, выход которого связан с вторым входом первого ключа, выход второго ключа подключен к второму входу этого же ключа, входу генератора зондирующих импульсов, третьему входу первого ключа и к второму входу ждущего мультивибратора, выход усилителя-формирователя связан с третьим входом второго ключа и с вторым входом триггера, второй выход генератора зондирующих импульсов подключен к второму входу третьего ключа, третий вход которого связан с первым входом триггера, а выход первого счетчика подключен к третьему входу ждущего мультивибратора и к второму входу второго счетчика. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что при использовании его для определения уровня жидкости в резервуаре оно снабжено двумя коаксиальными трубами с глухим дном с рассеивающей поверхностью для вертикального их размещения в резервуаре и поплавком, расположенным в полости внутренней трубы, сообщенной с резервуаром в придонной ее области для заполнения жидкостью, а пьезопреобразователь выполнен в виде кольца, установленного на внешней поверхности внутренней трубы соосно ей на фиксированном расстоянии от дна труб.