СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ОБЪЕКТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G01B17/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования параметров промышленных технологических процессов, например, при определении уровня хозяйственно-питьевой и технологической воды в резервуарах систем водоснабжения.

Известен способ контроля расстояния до объекта, заключающийся в том, что формируют информационный импульс длительностью, пропорциональной времени зондирования базового расстояния, используют данный импульс для предварительной корректировки периода следования счетных импульсов, излучают акустический импульс в направлении поверхности контролируемого объекта, формируют последовательность информационных сигналов и определяют значение расстояния до объекта по разности счетных импульсов, вырабатываемых в течение двух интервалов времени между информационными сигналами [1].

Устройство для реализации известного способа содержит ультразвуковой преобразователь, блок формирования счетных импульсов и блок формирования выходного сигнала с включением в состав последнего реверсивного счетчика.

Однако известный способ характеризуется недостаточной точностью измерения.

Известен способ измерения расстояния до объекта, предварительными операциями которого являются размещение первой плоскости излучения и плоскости регистрации зондирующих импульсов на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, и совмещение плоскости регистрации с второй плоскостью излучения, и который заключается в формировании первого зондирующего импульса в первой плоскости излучения, в переотражении первого зондирующего импульса плоскостью регистрации в направлении поверхности контролируемого объекта, в формировании второго и последующих зондирующих импульсов во второй плоскости излучения, в формировании первого информационного сигнала длительностью, равной интервалу времени, необходимому для прохождения первым зондирующим импульсом базового расстояния, в формировании второго информационного сигнала длительностью, равной интервалу времени, необходимому для проведения заданного количества регистраций зондирующих импульсов, в заполнении второго информационного сигнала импульсами, для предварительной корректировки периода следования которых используют первый информационный сигнал, и в считывании результатов измерения [2].

Устройство для реализации способа измерения расстояния до объекта, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, размещенные на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, семь электронных ключей, к выходу первого из которых подключен первый ультразвуковой преобразователь, а к выходу второго - вход и отпирающий вход третьего электронного ключа, и второй ультразвуковой преобразователь, генератор акустических импульсов, к выходу которого подключен вход первого, вход и отпирающий вход второго электронных ключей, а вход соединен с запирающим входом шестого электронного ключа, с отпирающим входом седьмого электронного ключа и подключен к выходу пятого и к выходу шестого электронного ключа, усилитель-формирователь, к выходу которого подключен вход шестого и вход седьмого электронных ключей, а вход подключен к выходу третьего электронного ключа, триггер, первый установочный вход которого подключен к выходу первого электронного ключа, ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, первый установочный вход соединен с вторым установочным входом триггера, с входом и отпирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу седьмого электронного ключа, а второй установочный вход соединен с запирающими входами второго, четвертого, пятого и седьмого электронных ключей и с отпирающими входами первого и шестого электронных ключей, первый счетчик, вход которого подключен к выходу ждущего мультивибратора, а вход сброса показаний соединен с отпирающим входом пятого электронного ключа и подключен к выходу первого электронного ключа, и второй счетчик, вход которого соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, с входом пятого электронного ключа и подключен к выходу четвертого электронного ключа, а к выходу подключен второй установочный вход ждущего мультивибратора.

В известном способе с целью увеличения периода следования счетных импульсов без снижения точности измерения организуют процесс автоциркуляции зондирующих импульсов и формируют для заполнения счетными импульсами второй информационной сигнал в виде непрерывной последовательности интервалов времени, пропорциональных значению контролируемого расстояния. Т.е. в известном способе точность измерения определяется не значением периода следования счетных импульсов, а длительностью второго информационного сигнала. При этом корректировку периода указанных импульсов производят лишь в начале каждого из производимых циклов измерения. Время проведения одного цикла измерения при реализации известного способа может достигнуть значения, при котором нестабильность температуры среды распространения зондирующих импульсов может привести к снижению достоверности результатов измерения.

Задача изобретения - повышение достоверности результатов измерения.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа измерения расстояния до объекта; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи 1 и 2, размещенные вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта 3, генератор 4 акустических импульсов, усилитель-формирователь 5, пять электронных ключей 6-10, первый и второй триггеры 11 и 12, ждущий мультивибратор 13, одновибратор 14, первый и второй счетчик 15 и 16 и два диода 17 и 18 (фиг. 1).

Способ заключается в следующем.

Предварительной операцией предлагаемого способа является операция размещения плоскости излучения и плоскости регистрации зондирующих импульсов 19-22 (фиг. 2) на базовом расстоянии L_б друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта 3. Базовое расстояние L_б задается первым и вторым ультразвуковыми преобразователями 1 и 2 (фиг. 1).

Первый цикл измерения расстояния L_x до объекта 3 начинается в момент формирования генератором 4 электрического импульса 25 (фиг. 2). Сформированный на первом выходе генератора 4 импульс 25 поступает на первый ультразвуковой преобразователь 1. Возбуждаясь, преобразователь 1 в плоскости излучения формирует первый зондирующий импульс 19. Сформированный на втором выходе генератора 4 импульс 25 поступает на первый установочный вход первого триггера 11. Триггер 11 запускается и приступает к формированию первого информационного сигнала 29, поступающего на управляющий вход ждущего мультивибратора 13.

Первый зондирующий импульс 19 (и последующие зондирующие импульсы 20-22) излучается преобразователем 1 в направлении плоскости регистрации, в которой установлен второй преобразователь 2, и одновременно в направлении контролируемого объекта 3. Спустя время t_o после момента излучения зондирующий импульс 19 в виде акустического сигнала 23 достигается плоскости регистрации и преобразователь 2 производит первую регистрацию зондирующего импульса 19, т. е. производит преобразование акустического сигнала 23 в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя-формирователя 5. Сформированный усилителем 5 импульс 26 отпирает второй электронный ключ 7, проходит открытый в исходном состоянии первый ключ 6, запирает его за собой, отпирает третий ключ 8, запирает четвертый ключ 9 и поступает на второй установочный вход триггера 11, соединенный с первым установочным входом ждущего мультивибратора 13. Формирование триггером 11 информационного сигнала 29 прекращается, а на вход первого счетчика 15 начинает поступать последовательность счетных импульсов 32-34 мультивибратора 13.

Длительность первого информационного сигнала 29 не зависит от значения расстояния L_x до объекта 3, поэтому сигнал 29 направляют на управляющий вход мультивибратора 14, т. е. используют длительность указанного сигнала для приведения (для предварительной корректировки) периода T_o следования счетных импульсов 32-43 в соответствие со значением скорости распространения зондирующих импульсов 19-22.

Следующим плоскость регистрации достигает акустический сигнал 24, соответствующий зондирующему импульсу 19 (20-22), излученному в направлении объекта 3 и последовательно переотраженному поверхностью объекта 3 и первым преобразователем 1. Т.е. спустя время T_x после первой регистрации излученного зондирующего импульса, где T_x - время, равное удвоенному значению интервала времени, необходимого для зондирования расстояния L_x, ультразвуковой преобразователь 2 произведет вторую регистрацию указанного зондирующего импульса.

Соответствующий акустическому импульсу 24 электрический импульс 27 через второй и третий ключи 7 и 8 закрывает за собой электронный ключ 8, открывает четвертый и пятый ключи 9 и 10 и поступает на вход второго счетчика 16 и первый установочный вход второго триггера 12. Счетчик 16 регистрирует импульс 27, а триггер 12 приступает к формированию первой последовательности информационных импульсов 30. Задний фронт каждого из информационных импульсов 30 определяется моментом формирования соответствующего счетного импульса 35, 38, 42 или 43, поступающего через открытый электронный ключ 10 на второй установочный вход триггера 12 спустя время dT₁ (dT₂-dT_n). Кроме того, счетные импульсы 35, 38 и т.д. закрывают за собой электронный ключ 10, поступают на второй установочный вход ждущего мультивибратора 13 и тем самым периодически прекращают процесс формирования счетных импульсов 32-43.

К выходу электронного ключа 10 подключен также вход генератора 4, поступая на который, счетный импульс 35 (38, 42 и 43) своим задним фронтом определяет момент формирования в плоскости излучения второго (и каждого последующего) зондирующего импульса 20 (21, 22 и 19), а также момент поступления на первый установочный вход первого триггера 11 электрического импульса с второго выхода генератора 4. Триггер 11 приступает к формированию очередного импульса 29 первого информационного сигнала длительностью t_o.

Первую регистрацию второго (и каждого последующего) зондирующего импульса 20 (21, 22) (регистрацию акустических сигналов 23) ультразвуковой преобразователь производит спустя время t, необходимое для прохождения указанным зондирующим импульсом базового расстояния L_б до плоскости регистрации. Соответствующий акустическому сигналу 23 электрический импульс 28 усилителя 5 через электронные ключи 7 и 9 и через диод 17 поступает на второй установочный вход первого триггера 11 и останавливает его работу. Сформированный триггером 11 импульс 29 первого информационного сигнала скорректирует период T_o следования счетных импульсов 36-38 (39-42), предназначенных для заполнения очередного интервала времени T_x между электрическими импульсами 28 и 27.

С выхода четвертого ключа 9 электрический импульс 28 поступает также на вход одновибратора 14. Управляющий вход одновибратора 14 подключен к выходу триггера 12, поэтому первый (или очередной) импульс 31 второй последовательности на выходе одновибратора 14 сформируется спустя время dT₁ (dT₂ - dT_n) после регистрации акустического сигнала 23, т.е. время формирования информационных импульсов 31 второй последовательности отсчитывается от момента первой регистрации очередного зондирующего импульса 20 (21, 22). Каждый из информационных импульсов 31 поступает на первый установочный вход ждущего мультивибратора 13, т.е. возобновляет процесс формирования последовательности счетных импульсов 32-43.

Вторая последовательность информационных импульсов 31 поступает также на отпирающий вход третьего ключа 8 и на отпирающий вход четвертого ключа 9 и тем самым периодически подключает выход усилителя 5 к первому установочному входу второго триггера 12.

Через открытый третий ключ 8 очередной электрический импульс 27 усилителя 5 запускает триггер 12 и вновь производит изменение состояний электронных ключей 8 и 9 для запуска очередным электрическим импульсом 28 усилителя 5 одновибратора 14 и для остановки через диод 17 первого триггера 11. Т.е. в интервале времени между электрическими импульсами 27 и 28 происходит формирование очередного импульса 29 первого информационного сигнала и очередного импульса 30 первой последовательности информационных сигналов, а также формирование в плоскости излучения очередного зондирующего импульса 20 (21, 22).

Другими словами, для измерения расстояния L до контролируемого объекта 3 организуется процесс автоциркуляции акустических и электрических импульсов по контуру: генератор 4 - ультразвуковой преобразователь 1 (зондирующие импульсы 19-22) - объект 3 - ультразвуковой преобразователь 2 (акустические сигналы 24) - усилитель 5 (электрические импульсы 27) - электронный ключ 7 - электронный ключ 8 - отпирающий вход электронного ключа 1- выход электронного ключа 10 (счетные импульсы 35, 38 и т.д.) - генератор 4. Длительность указанного процесса, сопровождаемого регистрацией первым счетчиком 15 счетных импульсов 32-43 и регистрацией вторым счетчиком 16 импульсов 27, определяется емкостью счетчика 17.

Каждый из указанных импульсов, поступающих на вход второго счетчика 16, означает, что устройством произведено две регистрации очередного зондирующего импульса. Следовательно, емкостью счетчика 16 задается количество регистраций, производимых в течение одного цикла измерения, при проведении которого формируются импульсы 29 первого информационного сигнала и дискретные интервалы времени T_x второго информационного сигнала.

Следует отметить, что по сравнению с прототипом, у которого второй информационный сигнал представляет собою непрерывную последовательность интервалов времени T_x, в предлагаемом способе каждый из счетных импульсов 35, 38, 42 и 43, останавливающих работу ждущего мультивибратора 13, является первым из счетных импульсов, предназначенных для заполнения очередного интервала времени T_x. Т.е. назначение первой и второй последовательностей информационных импульсов - исключение неизбежного снижения точности измерения при преобразовании непрерывной последовательности интервалов времени T_x в дискретную их последовательность. Это позволяет в промежутках времени между электрическими импульсами 27 и 28 формировать импульсам 29 первого информационного сигнала, т.е. производить корректировку периода следования счетных импульсов 32-43 для каждого из интервалов времени T_x второго информационного сигнала.

В конце каждого цикла измерения импульс переполнения второго счетчика 16 сбрасывает показания первого счетчика 15 и возвращает в исходные состояния электронные ключи 6 и 7, т.е. отключает вход одновибратора 14 от выхода усилителя 15 и подключает последний в первому установочному входу первого триггера 11. В результате очередной импульс 31 второй последовательности не сформируется, а триггер 11 приступит к формированию первого импульса 29 первого информационного сигнала для второго цикла измерение. Т.е. при переполнении емкости второго счетчика 16 устройство приступает к проведению следующего цикла измерения, а о значении расстояния L_x до контролируемого объекта 3 судят в конце каждого цикла измерения по показаниям первого счетчика 15.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет производить заполнение второго информационного сигнала счетными импульсами с относительно большим периодом следования без снижения достоверности результатов измерения, вызываемого нестабильностью температуры среды распространения зондирующих импульсов.

Изобретение предназначено для использования в системах автоматического контроля и регулирования параметров промышленных технологических процессов, например при определении уровня хозяйственно-питьевой и технологической воды в резервуарах систем водоснабжения. Способ измерения расстояния до объекта позволяет производить заполнение информационного сигнала счетными импульсами с относительно большим периодом следования без снижения достоверности результатов измерения, вызываемого нестабильностью температуры среды распространения зондирующих импульсов. Устройство для реализации способа содержит два ультразвуковых преобразователя, размещенные вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, генератор акустических импульсов, усилитель-формирователь, пять электронных ключей, два триггера, ждущий мультивибратор, одновибратор, два счетчика и два диода. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения расстояния до объекта, предварительной операцией которого является размещение плоскости излучения и плоскости регистрации зондирующих импульсов на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, и который заключается в формировании первого и последующих зондирующих импульсов в плоскости излучения, в формировании первого информационного сигнала, в формировании второго информационного сигнала длительностью, равной интервалу времени, необходимому для проведения заданного количества регистраций зондирующих импульсов, в заполнении второго информационного сигнала счетными импульсами, для предварительной корректировки периода следования которых используют первый информационный сигнал, и в считывании результатов измерения, отличающийся тем, что первый информационный сигнал формируют в виде последовательности электрических импульсов длительностью, равной интервалу времени, необходимому для прохождения первым и последующими импульсами базового расстояния, при этом формируют первую последовательность информационных импульсов, длительность каждого из которых выбирают равной интервалу времени между моментом второй регистрации очередного зондирующего импульса и моментом формирования очередного счетного импульса, совмещают момент формирования заднего фронта указанного счетного импульса с моментом формирования в плоскости излучения очередного зондирующего импульса, прекращают процесс формирования счетных импульсов в момент формирования очередного зондирующего импульса, формируют вторую последовательность информационных импульсов, время формирования каждого из которых, отсчитываемое от момента первой регистрации очередного зондирующего импульса, выбирают равным длительности предыдущего информационного импульса первой последовательности, и используют информационные импульсы второй последовательности для возобновления процесса формирования счетных импульсов. 2. Устройство для реализации способа измерения расстояния до объекта, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, размещенные на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, пять электронных ключей, к выходу второго из которых подключен вход третьего электронного ключа, генератор акустических импульсов, вход которого подключен к выходу пятого электронного ключа, усилитель-формирователь, первый триггер, ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу первого триггера, а второй установочный вход соединен с запирающим входом пятого электронного ключа, первый счетчик, вход которого подключен к выходу ждущего мультивибратора, и второй счетчик, вход которого соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, отличающееся тем, что в его состав включены первый и второй диоды, второй триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, с отпирающими входами четвертого и пятого электронных ключей и подключен к выходу третьего электронного ключа, второй установочный вход соединен с вторым установочным входом ждущего мельтивибратора и подключен к выходу пятого электронного ключа, и одновибратор, управляющий вход которого подключен к выходу второго триггера, вход через первый диод соединен с вторым установочным входом первого триггера и подключен к выходу четвертого электронного ключа, а к выходу, соединенному с выходом первого электронного ключа, подключены первый установочный вход ждущего мультивибратора, отпирающий вход третьего электронного ключа, запирающие входы первого и четвертого электронных ключей, и через второй диод второй установочный вход первого триггера, при этом к первому ультразвуковому преобразователю подключен первый выход генератора акустических импульсов, вход усилителя-формирователя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, вход первого, вход и отпирающий вход второго электронных ключей подключены к выходу усилителя-формирователя, вход пятого электронного ключа подключен к выходу ждущего мультивибратора, первый установочный вход первого триггера подключен к второму выходу генератора акустических импульсов, а вход сброса показаний первого счетчика соединен с отпирающим входом первого электронного ключа, с запирающим входом второго электронного ключа и подключен к выходу второго счетчика.