УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ УРОВНЯ СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК G01F23/296 

Изобретение относится к технической кибернетике, автоматике, вычислительной технике, в частности к акустической дальнометрии.

Известно устройство для акустической дальнометрии (см. Измеритель уровня зерна. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ИЭ 561.719.000 ТО, Таганрог, ТРТИ, 1991 г.), содержащее генераторы (*) гармонических колебаний и тактовых импульсов, первый (*), второй, третий и четвертый арифметические (множительные) блоки, первый (*) и второй делители частоты, расширитель импульсов, узел селекции, первый (*) и второй усилители, аналоговый и три цифровых компаратора, триггер, два счетчика (*) импульсов, четыре регистра оперативной памяти, элемент И (*), дешифратор, персональную ЭВМ, мультиплексоры каналов и в каждом канале приемные и передающие электроакустические преобразователи (*). (здесь * - признаки, характерные для объекта изобретения).

Известное устройство путем ручного ввода значений температуры окружающей сыпучий материал среды позволяет корректировать погрешность дальнометрии на температурные изменения скорости распространения акустического сигнала, чем достигается повышение точности устройства, кроме того, по четырем отсчетам с последующим их взаимным сравнением обеспечивается подтверждение достоверности результатов измерения уровня материалов в пространстве их размещения.

Однако известное устройство обладает существенными недостатками, состоящими в необходимости ручного ввода значений температуры воздуха пространства над уровнем сыпучего материала, значительной аппаратурной избыточностью и вероятностью, в случае взаимного неравенства всех значений канальных отсчетов, потери информации, что может быть обусловлено наклоном или неплоскостностью поверхности сыпучего материала или непараллельностью лоцирующей и лоцируемой поверхностей.

Известно устройство для акустической дальнометрии (см. Авторское свидетельство СССР N 1396108, м. кл. G 01 V 1/38, б.18, 1988 г.), содержащее источник и приемник акустических излучений (*), усилитель (*), соединенный входом с выходом приемника акустических излучений, пиковый вольтметр, соединенный входом с выходом усилителя, первый пороговый элемент (*), цифроаналоговый преобразователь (*), генератор (*) тактовых (эталонных) импульсов, первый и второй элементы задержки (*), первый и второй формирователи импульсов, делитель (*) частоты, соединенный входом с выходом генератора (*) тактовых импульсов, первый элемент ИЛИ (*), соединенный первым входом с выходом делителя частоты, а выходом - с входом первого элемента задержки, второй пороговый элемент, соединенный входом с выходом источника акустических излучений (колебаний), первый триггер (*), соединенный входом обнуления с выходом первого элемента ИЛИ, а единичным входом - с выходом второго порогового элемента, первый элемент И (*), соединенный первым входом с выходом генератора тактовых импульсов, а вторым входом - с единичным выходом триггера, первый счетчик импульсов (*), соединенный входом обнуления с выходом первого элемента задержки, а счетным входом - с выходом первого элемента И, группу вторых элементов И, соединенных первыми входами поразрядно с выходами первого счетчика импульсов, а вторыми входами - с выходом второго элемента задержки, выходы группы элементов И поразрядно соединены с цифровыми выходами устройства, третий элемент задержки, соединенный входом с выходом делителя частоты, а выходом - с входом источника акустических колебаний, второй счетчик импульсов, соединенный входом обнуления с выходом делителя частоты, а счетным входом - с выходом первого формирователя импульсов, вход которого через первый пороговый элемент соединен с выходом пикового вольтметра, коммутатор (*), соединенный входами поразрядно с выходами второго счетчика импульсов, а выходом - с вторым входом первого элемента ИЛИ и с входом второго элемента задержки, блок определения ранжированного значения параметра (*), соединенный входами поразрядно с выходами группы вторых элементов И (*), а выходами - поразрядно с входами цифроаналогового преобразователя (*), блок определения границ поля дисперсии параметра (*), соединенный информационными (сигнальными) входами поразрядно с выходами группы вторых элементов И, индикаторы значений верхней и нижней границ поля дисперсии параметра, соединенные поразрядно с соответствующими выходами блока определения границ поля дисперсии параметра, причем усилитель выполнен с управляемым коэффициентом усиления, вход управления которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя. (Здесь * - признаки, характерные для объекта изобретения).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является акустический уровнемер (см. Авт. свид. СССР N1783310, кл. A1, G 01 F 23/28, 1992 г.), содержащий источник и приемник акустических колебаний, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, первый элемент И, триггер, счетчик импульсов и первый формирователь импульсов.

Недостатки известных устройств - одноканальность, что ограничивает их функциональные возможности, и отсутствие возможности коррекции результатов измерений при изменении температуры среды распространения акустических колебаний, что снижает точность оценки уровня сыпучих материалов.

Задача изобретения состоит в повышении точности оценки уровня сыпучих материалов за счет температурной коррекции результатов измерений, расширении функциональных возможностей за счет оценки уровня сыпучих материалов при произвольных наклонах и криволинейностях их поверхностей.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства.

Его технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее источник и приемник акустических колебаний, два элемента задержки, элемент ИЛИ, цифроаналоговый преобразователь, делитель частоты, первый элемент И, триггер, счетчик импульсов, детектор, усилитель, первый формирователь импульсов и генераторов тактовых импульсов, соединенный выходом с входом делителя частоты и первым входом первого элемента И, первый коммутатор, единичный вход триггера подключен к второму входу первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, к входу обнуления которого подключен выход первого элемента задержки, вход которого и вход обнуления триггера соединены с выходом элемента ИЛИ, к первому входу которого и входу второго элемента задержки подключен выход делителя частоты, блок определения границ поля дисперсии параметра, соответствующие выходы которого поразрядно соединены с цифровыми выходами текущих значений нижней и верхней границ поля дисперсии оцениваемого параметра, блок определения ранжированного значения параметра, выходы которого поразрядно подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом управления усилителя с управляемым коэффициентом усиления, выходом последовательно соединенного с детектором, пороговым элементом и первым формирователем импульсов, группу вторых элементов И и третий элемент задержки, выход которого подключен к вторым входам группы вторых элементов И, первые входы которых поразрядно соединены с выходами счетчика импульсов, введены группа излучателей акустических колебаний, при этом входы всех излучателей акустических колебаний поразрядно соединены с выходами первого коммутатора, второй коммутатор, группа приемников акустических колебаний, причем выходы всех приемников акустических колебаний подключены к сигнальным входам второго коммутатора, выход которого соединен с сигнальным входом усилителя, генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к сигнальному входу первого коммутатора, одновибратор, вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, последовательно соединенные датчик температуры среды распространения акустических колебаний и аналого-цифровой преобразователь, арифметический блок, кольцевой регистр сдвига, к шине сдвига которого подключен выход делителя частоты, и соединенный с единичным входом триггера второй формирователь импульсов, к входу которого подключен выход одновибратора, соединенный также с вторым входом управления первого коммутатора, к первым входам управления которого и входам управления второго коммутатора поразрядно подключены выходы кольцевого регистра сдвига, выход первого разряда которого соединен с входом обнуления блока определения границ поля дисперсии параметра, к входам которого и входам блока определения ранжированного значения параметра подключены соответствующие выходы арифметического блока, первые и вторые входы которого поразрядно соединены с выходами соответственно группы вторых элементов И и аналого-цифрового преобразователя, при этом выход первого формирователя импульсов подключен к второму входу элемента ИЛИ и входу третьего элемента задержки, а выходы блока определения ранжированного значения параметра поразрядно подключены к цифровым выходам вывода текущих значений оцениваемого параметра.

Схема устройства приведена на чертеже.

Устройство для оценки уровня сыпучих материалов содержит источник 1 и приемник 2 акустических колебаний, генератор 3 тактовых импульсов, делитель 4 частоты, соединенный входом с выходом генератора 3 импульсов, первый элемент 5 И, соединенный первым входом с выходом генератора 3, первый коммутатор 6, триггер 7, соединенный выходом с вторым входом элемента 5 И, счетчик 8 импульсов, соединенный счетным входом с выходом элемента 5 И, первый элемент 9 задержки, соединенный выходом с входом обнуления счетчика 8, элемент 10 ИЛИ, соединенный первым входом с выходом делителя 4, а выходом - с входом обнуления триггера 7 и входом элемента 9 задержки, второй элемент 11 задержки, соединенный входом с выходом делителя 4, блок 12 определения границ поля дисперсии параметра, соединенный соответствующими выходами с цифровыми выходами вывода текущих значений нижней и верхней границ поля дисперсии параметра, блок 13 определения ранжированного значения параметра, цифроаналоговый преобразователь 14, соединенный входами поразрядно с выходами блока 13 определения ранжированного значения параметра, усилитель 15 с управляемым коэффициентом усиления, соединенный входом управления с выходом цифроаналогового преобразователя 14, детектор 16, соединенный входом с выходом усилителя 15, пороговый элемент 17, соединенный входом с выходом детектора 16, первый формирователь 18 импульсов, соединенный входом с выходом порогового элемента 17, а выходом - с вторым входом элемента 10 ИЛИ, группу вторых элементов 19 И, соединенных первыми входами поразрядно с выходами счетчика 8, третий элемент 20 задержки, соединенный входом с выходом формирователя 18, а выходом - с вторыми входами группы элементов 19 И, группу источников 21 акустических колебаний, в состав которой вошел и источник 1 акустических колебаний, соединенных входами поразрядно (поканально) с выходами коммутатора 6, второй коммутатор 22, выход которого соединен с сигнальным входом усилителя 15, группу приемников 23 акустических колебаний, в состав которой вошел и приемник 2 акустических колебаний, соединенных выходами поразрядно (поканально) с сигнальными (информационными) входами коммутатора 22, генератор 24 гармонических колебаний, соединенный выходом с сигнальным входом коммутатора 6, одновибратор 25, соединенный входом с выходом элемента 11 задержки, а выходом - с первым входом управления коммутатора 6 и единичным входом триггера 7, датчик 26 температуры среды распространения акустических колебаний (среды между поверхностью источников и приемников акустических колебаний, лоцирующая поверхность, и поверхностью сыпучего материала, лоцируемая поверхность), аналого- цифровой преобразователь 27, соединенный входом с выходом датчика 26, арифметический блок 28, соединенный поразрядно первыми входами с выходами группы элементов 19 И, вторыми входами - поразрядно с выходами аналого-цифрового преобразователя 27, а выходами - с информационными входами блока 12 определения границ поля дисперсии параметра и блока 13 определения ранжированного значения параметра, кольцевой регистр 29 сдвига, соединенный шиной сдвига с выходом делителя 4 частоты, а выходами - поразрядно с первыми входами управления коммутатора 6 и входами управления коммутатора 22, выход первого разряда регистра 19 И, вторыми входами - поразрядно с выходами аналого-цифрового преобразователя 27, а выходами - с информационными входами блока 12 определения границ поля дисперсии параметра и блока 13 определения ранжированного значения параметра, кольцевой регистр 29 сдвига, соединенный шиной сдвига с выходом делителя 4 частоты, а выходами - поразрядно с первыми входами управления коммутатора 6 и входами управления коммутатора 22, выход первого разряда регистра 29 соединен с входом обнуления блока 12 определения границ поля дисперсии параметра, и второй формирователь 30 импульсов, соединенный входом с выходом одновибратора 25, а выходом - с единичным входом триггера 7 и вторым входом управления коммутатора 6, причем выходы блока 13 поразрядно соединены с цифровыми выходами вывода текущих значений оцениваемого параметра.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии генераторы 3 и 24 выключены, выходы блоков 6, 7, 12, 13, 14, 22, 27, 28 и 29 обнулены. С включением устройства генератор 3 генерирует тактовые импульсы с частотой f₃, а генератор 24 - гармонические колебания с частотой f₂₄, при этом на выходе делителя 4 частоты генерируются импульсы с частотой f₄ (F₄ = f₃/n, где n - коэффициент деления делителя 4). Регистр 29 имеет число разрядов K, равное числу акустических каналов, и на каждом его разрядном выходе последовательно во времени устанавливается высокий потенциал с частотой f_29i = f₄/K = f₃/nK, . Каждый импульс с выхода первого разряда регистра 29 поступает на вход обнуления блока 12 определения границ поля дисперсии параметра, а каждым импульсом высокого потенциала с i-го выхода регистра 29 коммутаторами 6 и 22 коммутируются соответствующие (i-ые) каналы так, что вход одного из источников 1 или 21 и выход одного из приемников 2 или 23 акустических колебаний, но одноименного канала, оказываются соединенными с выходом генератора 24 и входом усилителя 15 соответственно на период, равный длительности импульса на выходе одновибратора 25 и на i-ом выходе регистра 29. Каждым импульсом с выхода делителя 4 через элемент 10 ИЛИ и элемент 9 задержки счетчик 8 обнуляется, а через элемент 11 задержки каждым импульсом засекается одновибратор 25, импульс высокого потенциала с выхода которого через формирователь 30 поступает на второй вход управления коммутатора 6 и модулирует сигнал с выхода генератора 24, чем достигается срабатывание одного (i-го) из источников 1 или 21 акустических колебаний. Кроме того, импульсом с выхода формирователя 30 триггер 7 переводится в единичное состояние, а высоким потенциалом с единичного выхода последнего открывается элемент 5 И, при этом импульсы с выхода генератора 3 через элемент 5 И поступают на счетный вход счетчика 8. В момент поступления отраженного от лоцируемой поверхности акустического сигнала срабатывает приемник 2 или 23, а сигнал с его выхода через коммутатор 22 поступает на сигнальный вход усилителя 15, коэффициент усиления которого всегда отличен от нуля, но зависит от состояния выходов цифроаналогового преобразователя 14. Сигнал с выхода источника 1 или 21 распространяется со скоростью c= F(t), где t - температура среды распространения акустического сигнала, в пределах диаграммы направленности источника. Отраженный от лоцируемой поверхности акустический сигнал, попав на вход приемника 2 или 23, преобразуется в электрический сигнал той же частоты. После усиления усилителем 15, детектирования детектором 16 и с задержкой во времени τ₁₇ сигнал поступает на вход формирователя 18, коротким импульсом с выхода формирователя 18, через элемент 10 ИЛИ, триггер 7 обнуляется, элемент 5 И закрывается, счетчик 8 останавливается, зафиксировав числовой код N₈, пропорциональный произведению периода следования импульсов с выхода генератора 3 на время распространения акустического сигнала τ от его источника 1 или 21 до лоцируемой поверхности и от лоцируемой поверхности до приемника 2 или 23 соответственно. Но по импульсу с выхода формирователя 18 через элемент 20 задержки, с задержкой τ₂₀ , открываются элементы 19 И, и содержимое счетчика 8 через элементы 19 И поступает на первые входы арифметического блока 28, на вторые входы которого поступает код N₂₇, пропорциональный потенциалу на выходе датчика 26, но u₂₆=F(t), а следовательно, скорости распространения акустического сигнала. Т.к. скорость акустического сигнала зависит от температуры среды его распространения, то, например, в воздухе определяется из
c_в = 10,0335(t)^1/2,
а с учетом двойного пробега акустического сигнала от лоцирующей поверхности до лоцируемой и обратно
c = c_в = 20,0670(t)^1/2.

Арифметическим блоком 28 коды входных величин N₈ и N₂₇ перемножаются, в результате на его выходе генерируется код N₂₈, пропорциональный расстоянию L от лоцирующей поверхности до лоцируемой
N₂₈= L = c_в(t)τ = N₈N₂₇.
С выходов блока 28 каждое значение N₂₈, пропорциональное L, поступает на входы блоков 12 и 13. На выходах блока 12 генерируются коды N_28min и N_28max из выборки кодов N₂₈ ограниченной (фиксированной) длины, а на выходах блока 13 генерируются коды медианных, например средних, значений N_28ср. Так для устройства с К каналами ранг числа N₁₃ может определяться по R=(K+1)/2, получается N_28ср, пропорциональное L_ср. Код N₁₃ значения L_ср поступает на выходы вывода текущих значений параметра и на входы преобразователя 14, на выходе которого генерируется аналоговый сигнал u₁₄ управления коэффициентом усиления усилителя 15, пропорциональный усредненному значению L, чем обеспечивается постоянство амплитуды сигнала на выходе усилителя 15 и крутизны фронта видеоимпульса на выходе детектора 16. На выходах устройства генерируются цифровые коды N_28min = L_min, N_28max = L_max и N_28ср = L_ср из конечной выборки значений N₂₈ с постоянным ее обновлением, исключением устаревших данных и пополнением поступившими по последнему, по дате поступления, приему информации. Устройство работает по замкнутому циклу неограниченно во времени.

Т.о., устройство обеспечивает
а) расширение функциональных возможностей за счет его многоканальности, а следовательно, возможности оценивать уровень лоцируемой поверхности значительных размеров с выводом значений L_min, L_max и L_ср;
б) повышение точности измерения L_min, L_ср и L_max за счет учета температурного коэффициента распространения акустических колебаний в среде и оперативного корректирования значений L;
в) повышение надежности в работе за счет исключения потерь информации при непараллельной или криволинейной поверхности сыпучих материалов.

Изобретение относится к акустической дальнометрии. Устройство содержит группы источников и приемников акустических колебаний, генератор тактовых импульсов, делитель частоты, элементы И, два коммутатора, триггер, счетчик импульсов, три элемента задержки, элемент ИЛИ, блок определения границ поля дисперсии параметра, блок определения ранжированного значения параметра, аналого-цифровой преобразователь, усилитель с управляемым коэффициентом управления, детектор, пороговый элемент, два формирователя импульсов, генератор гармонических колебаний, одновибратор, датчик температуры среды распространения акустических колебаний, арифметический блок, кольцевой регистр сдвига, соединенных соответствующим образом. Обеспечено расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Устройство для оценки уровня сыпучих материалов, содержащее источник и приемник акустических колебаний, два элемента задержки, элемент ИЛИ, цифроаналоговый преобразователь, делитель частоты, первый элемент И, триггер, счетчик импульсов, детектор, усилитель, первый формирователь импульсов и генераторов тактовых импульсов, соединенный выходом с входом делителя частоты и первым входом первого элемента И, первый коммутатор, единичный вход триггера подключен к второму входу первого элемента И, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, к входу обнуления которого подключен выход первого элемента задержки, вход которого и вход обнуления триггера соединены с выходом элемента ИЛИ, к первому входу которого и входу второго элемента задержки подключен выход делителя частоты, блок определения границ поля дисперсии параметра, соответствующие выходы которого поразрядно соединены с цифровыми выходами текущих значений нижней и верхней границ поля дисперсии оцениваемого параметра, блок определения ранжированного значения параметра, выходы которого поразрядно подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом управления усилителя с управляемым коэффициентом усиления, выходом последовательно соединенного с детектором, пороговым элементом и первым формирователем импульсов, группу вторых элементов И и третий элемент задержки, выход которого подключен к вторым входам группы вторых элементов И, первые входы которых поразрядно соединены с выходами счетчика импульсов, отличающееся тем, что в него введены группа излучателей акустических колебаний, при этом входы всех излучателей акустических колебаний поразрядно соединены с выходами первого коммутатора, второй коммутатор, группа приемников акустических колебаний, причем выходы всех приемников акустических колебаний подключены к сигнальным входам второго коммутатора, выход которого соединен с сигнальным входом усилителя, генератор гармонических колебаний, выход которого подключен к сигнальному входу первого коммутатора, одновибратор, вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, последовательно соединенные датчик температуры среды распространения акустических колебаний и аналого-цифровой преобразователь, арифметический блок, кольцевой регистр сдвига, к шине сдвига которого подключен выход делителя частоты, и соединенный с единичным входом триггера второй формирователь импульсов, к входу которого подключен выход одновибратора, соединенный также с вторым входом управления первого коммутатора к первым входам управления которого и входам управления второго коммутатора поразрядно подключены выходы кольцевого регистра сдвига, выход первого разряда которого соединен с входом обнуления блока определения границ поля дисперсии параметра, к входам которого и входам блока определения ранжированного значения параметра подключены соответствующие выходы арифметического блока, первые и вторые входы которого поразрядно соединены с выходами соответственно группы вторых элементов И и аналого-цифрового преобразователя, при этом выход первого формирователя импульсов подключен к второму входу элемента ИЛИ и входу третьего элемента задержки, а выходы блока определения ранжированного значения параметра поразрядно подключены к цифровым выходам вывода текущих значений оцениваемого параметра.