Гидростатический нивелир Советский патент 1984 года по МПК G01C5/04 G01C9/22 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для определения превышений с помощью сообщающихся сосудов, наполненных однородной жидкостью, и «южет быть использовано для систематических измерений осадок промышленных и специальных сооружений.

Известны гидростатические нивелиры, содержащие два и более измерительных сосудов, соединенныхтрубопроводом и заполненных рабочей жидкостью, снабженные электродами для регистрации уровня жидкости в с рудах контактным способом, в частHOCTVL приборы, основанные на определении момента замыкания контактов электрической цепи жидкостью tl3.

Известны гидродинамические нивелиры, содержащие сообщающиеся сосуды с расположенными в них электроJ--лми для регистрации уров.ня жидкости, устройство для измерения уровня жидкости в сосудах и блок обработки информации 2 - 4.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является гидростатический нивелир, содержащий сообщающиеся сосуды с жидкостью, последовательно соединенные синхронизатор, триггер, первый генератор зондирующих импульсов, к выходу которого подключен первый акустический преобразователь, размещенный в верхней части первого сооби1ающегося сосуда, первый усилитель, измеритель времени, блок опроса, арифметический блок и индикатор, а также последовательно соединенные второй генератор зондирующих импульсов, вход которого соединен с первым выходом триггера, а выход - с вторым акустическим преобразователем, установленным аналогично первому во втором сообщающемся сосуде, и усилитель, выход которого подключен к второму входу измерителя времени, а также формирователь, включенный между вторым выходом триггера, соединенным с вторым входом блока опроса, и вторым

входом арифметического блока Csj.

I

Однако известный нивелир при его использовании в качестве прогибомера характеризуется низкой оперативностью: необходим многократный перемонтаж и перепривязка сосудов-датчиков, так как для определения прогиба необходимо знать превышения по крайней мере в трех точках конструкции. Особенно велики потери времени и экономические затраты при производстве контроля конструкций с большими пролетами. Таким образом, известное устройство характеризуется

недостаточными функциональными возможностями .

Целью изобретения является расшрение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее сообщающиеся сосуды с жидкостью, соединенные трубопроводом, в торце которых установлены акустические преобразователи, синхронизатор, триггер, последовательно соединенные генератор зондирующих импульсо усилитель-ограничитель, измеритель времени, а также последовательно соединенные блок опроса и арифметический блок с индикатором, формирователь, выход которого соединен с вторым входом блока опроса снабжено фильтром-смесителем, разделительным фильтром, блоком задерки, коммутатором, блоком ИЛИ с магистральным усилителем, блоком слекции и кода начала измерений, причем последовательно включены фильтр-смеситель, первый вход которого подключен к точке соединения формирователя и синхронизатора, а второй - к выходу источника питания, разделительный фильтр, первый выход которого соединен с входом триггера, а остальные - с шинами питания блоков, блок задержки, включенный между первым выходом триггера, соединенным с вторым входом измерителя времени, и входом генератора зондирующих импульсов, последовательно включены коммутатор, многоканальные входы которого подключены к соответстсвующим акустическим преобразователям, первый одноканальный вход - к второму выходу триггера, второй - к выходу генератора зондирующих импульсов, блок ИЛИ с магистральным усилителем, одноканальный вход которого подключен к второму выходу триггера, а многоканальный - к выходу измерителя времени, магистральный усилитель, выход которого соединен с многоканальным входом блока опроса, блок селекции и кода начала измерений, выход которого соединен с вторыми входами блока опроса и формирователя.

На чертеже показана блок-схема предлагаемого устройства.

Гидростатический нивелир содержит последовательно соединенные синхронизатор 1, фильтр-смеситель 2, второй вход которого подключен к выходу источника 3 питания, разделительный фильтр 4, триггер 5, блок 6 задержки, генератор 7 зондирующих импульсов, усилитель-ограничитель 8, измеритель 9 времени, второй вход которого соединен с первым выходом триггера 5, блок

ИЛИ 10 с магистральнЕлм усилителем, одиоканальный вход которого подключен к второму выходу триггера 5, м гистральный усилитель 11, блок 12 опроса, первий одноканальный вход которого подключен к выходу синхронизатора 1 через формирователь 13, вход которого соединен с вторы одноканальным входом блока 12 опроса и выходом блока 14 селекции кода начала измерений. Вход которого соединен с выходом магистраль ного усилителя 11. К выходу блока 12 опроса подключен арифметический блок 15 с индикатором. Кроме того, устройство снабжено по крайней мере двумя акустическими преобразователягФ 16 и 17, подключенными к соответствующим входам кo lмyтaтoра 16, первый одноканальный вход к торого соединен с вторым выходом триггера 5, а второй - с выходом генератора 7 зондирующих импульсов причем акустические преобразователи 16 и 17 установлены в торцах, например, верхних сосудов 19, соединенных между собой трубопроводом 20 и заполненных частично жидкостью 21.

Устройство работает следующим образом.

Перед проведением измерений сосуды 19, соединенные трубопроводом 20, заполняют жидкостью 21 и устанавливают на исследуемом объекте: если выполняется нивелировка, то один из сосудов 19 размещают На репере; если определяется прогиб конструкции, то сосуды 19 размещают с заданным шагом вдоль изгибаег-юго элемента. (Жидкость 21 по трубопроводу 20 распределяется в сосудах 19 согласно закону сообщающихся сосудов. При включении ус ройства Напряжение от источника 3 питания подается на основные блоки, в том числе через фильтр-смеситель 2, коаксиальный кабель и разделительный фильтр 4 на шины питания блоков 5-10 и 18. В арифметический блок 15 вводят соответствующую программу обработки числовы результатов.

Синхронизатор 1 вырабатывает короткие периодически следующие импульсы, которые через фильтр-смеситель 2, коаксиальный кабель и разделительный фильтр 4 подаются на счетный вход триггера 5, вызывая каждый раз изменение его состояния. Положительный потенциал (выбор полярности исключительно для наглядности описания ) , появляющийся на втором выходе триггера 5, вызывает изменение состояния счетчика коммутатора 18, вследствие чего к входу генератора 7 зондирующих импульсор подключается акустический преобразователь 16 или 17 (на практике число акустических преобразователей может быть много больше) , номер которого определяется выходным кодом счетчика коммутатора 18. .

С приходом очередного синхроимпульса триггер 5 изменяет свое состояние, и положительный потенциал появляется на его первом выходе. При этом измеритель 9 времени переводится в режим измерения: осущестляется сброс информации в его встренном счетчике, после чего начинается счет времени. Спустя интервал времени, необходимый для перевода измерителя 9 времени в режим измерений, на выходе блока 6 задержки тоже появляется импульс, которым осуществляется запуск генератора 7 зондирующих импульсов. Выходным импульсом генератора 7 возбуждае тся акустический преобразователь 16 или 17 (или иной, если устройство содержит большее число акустически преобразователей), который был подключен коммутатором 18 в предшествующем цикле. Акустический преобразователь 16 (17) посылает в направлении поверхности жидкости 21 ультразвуковой импульс, который отражается от ее поверхности и вновь преобразуется в электрический сигнал, поступающий через коммутатор 18 на вход усилителя-огран чителя 8. На выходе последнего вырабатывается импульс, передний фронт которого совпадает по времег ни с моментом регистрации эхо-импульса. Этот импульс останавливает процесс отсчета времени в измерителе 9, вследствие чего в счетчике блока 9 сохраняется число, равное времени распространения ультразвукового сигнала от момента его посылки до момента регистрации эхо-ипульса.

Поскольку скорость распространения ультразвука в воздухе известна, то по измеренном времени можн вычислить расстояние от поверхности акустического преобразователя до поверхности жидкости. Для этого предназначены прочие блоки устройства, которые работают следующим образом.

Входы блока ИЛИ 10 подключены к выходам счетчиков коммутатора 18 и измерителя 9 времени. Если на выходе триггера 5 имеется положительный потенциал, то на выходе блока ИЛИ 10 появляется выходной код (номера подключенного акустического преобразователя) встроенного счетчика коммутатора 18, усиленный с помощью внутреннего магистрального усилителя. В противном случае на выходе блока 10 появмчотся код реэультата измерения времени встроенного счетчика измерителя 9 времени. В1лходные потенциалы блока ИЛИ 10 с магистральным усилителем переаются по многожильному низкочастотному кабелю на вход магистрального усилителя 11. Необходимость введения указанных магистральных усилителей обусловлена тем, что в случае использования устройства в подвижных измерительных лабораториях расстояние между зоной контроя и самим комплексом может измеяться сотнями метров. При этом возникает необходимость согласования выходного сопротивления блока ИЛИ 10 и входного сопротивления бло ков, которые рассмотрены далее, с волновым сопротивлением низкочастотного кабеля.

Конструктивно сосуды. 19 выполнены таким образом, что между рабочей поверхностью акустического преобразователя 16 (17) и. поверхн остью жидкости 21 всегда имеется воздушный зазор, а следовательно, результат измерения времени всегда тличен от нуля. Состояние встроенного счетчика коммутатора 18 мо- ат быть равным 00... О в начальном цикле измерения. Код 00...О выделяется блоком 14 селекции коa начала измерений, который выраатывает импульс установки исходного состояния блока 12 опроса и форирователя 13 только при поступлении названного кода. Код 00...О появляется каждый раз после опросу всех акустических преобразователей 16 (17) и других, если они предусмотрены устройством.

Благодаря установке начального состояния, формирователь 13 вырабатывает управляющие сигналы, поступающие На вход блока 12 опроса, только при поступлении на его вход четных импульсов от синхронизатора 1. При этом на входе блока 12 опроса появляется код результата измерения времени, поступающий с выхода магистрального усилителя 11. Блок 12 опроса последовательно вводит в соответствующие регистры арифметического блока 15 числовые значения результатов измерения времени, а затем автоматически вырабатывает команду перевода арифмети ческого блока 15 в режим вычи лений. Результат вычислений отображает ся на индикаторе блока 15. При поступлении на вход формирователя 13 нечетных импульсов с выхода синхронизатора 1 импульс запуска блока 12 опроса не вырабатывается. Данное состояние совпадает с интервалом времени, когда на многоканальный вход формирователя 13 поступает код номера подключенного акустического

преобразователя 16 (17). Этот код используется для переключения счетчика регистра адреса блока 12 опроса. Для этого используется не импульсное, а потенциальное управление, осуществляемое по выходу формирователя 13. Конструктивно это обеспечивается включением в структуру формирователя 13 симметричного триггера, переключаемого импульсами

синхронизатора 1 и устанавливаемого в исходное состояние выходным импуль сом блока 14 селекции кода начала измерений.

Указанные операции повторяются до завершения всего цикла опроса всех акустических преобразователей 16 (17). В момент окончания ввода в арифметический блок 15 последнег результата измерений программно ввдится команда на окончательные вычисления, в процессе которых опредляются искомые значения превышений Затем цикл измерений повторяется в изложенной последовательности.

Технический эффект предлагаемого изобретения состоит в повышении оперативности измерений в ряде точек контроля (по крайней мере в дв.ух) , что позволяет расширить фунциональные возможности устроЯств а: нивелир может использоваться как прогибомер, если число точек контроля (сосудов) более трех. Кроме того, предложенная совокупность блоков и цепей их связи позволяет использовать устройство.в системах дистанционного контроля, например, на больших сооружениях и в составе подвижных измерительных комплексов, где расстояние от системы сосудов-датчиков до измеритепьных блоков может быть велико. При этом снимаются ограничения на число подключаемых сосудов-датчиков, что исключено в известном устройстве. Кроме того, исключается необходимость применения подъемного бака, что позволяет уменьшить (в 100 и более раз) объем рабочей жидкости и ошибки отсчета, связанные с нестабильностью уровня жидкости в баке, исключаются ошибки отсчета, обусловленные работой подъемно-кодовых блоков, представляющих собой как правило, электро-механические узлы, акустический способ измерения не чувствителен к состоянию и химическому составу жидкости, а по точности превосходит контактные устройства более чем в 10 раз (простейшая система измерений с погрешностью определения времени + 1 МКС обеспечивает погрешность измерения превышения не хуже +0,2 мм, использование методов фазометрии позволяет определить на

ванные расстояния с точностью не менее 10 -) .

Экономический эффект от внедрения устройства зависит от числа примененных сосудов-датчиков. Опрос двух датчиков при использовании объекта как нивелира дает положитель ный эффект относительно стандартных методов геодезии и устройств гидродинамического нивелирования

ft ft

с контактными датчиками. Однако при использовании устройства как прогйбомера исключаются расходы на перемонтаж и.дополнительную привязку сосудов-датчиков в смежных точках контроля, Основным преимуществом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства:оно может использоват ся и как нивелир,и как прогибомер.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЙ НИВЕЛИР, содержащий сообщакадиеся сосуды с жидкостью, соединенные трубопроводом, в торце которых установлены акустические преобразователи, синхронизатор, триггер, последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, усилитель- ограничитель, измеритель времени, а также последовательно соединенные блок опроса и арифметический блок с индикатором, формирователь, вьйсод которого соединен с вторым входом блока опроса, отличающийс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, он снабжен фильтром-смесителем, раз делительным фильтром, блоком задерж ки, коммутатором, блоком ИЛ1 с магистральным усилителем, блоком селекции и кода начала измерений, причем последовательно включены фильтрсмеситель, первый вход которого подключен к точке соединения формирователя и синхронизатора., а второй - к вьоходу источника питания, разделительный фильтр, первый выход которого соединен с входом триггера, а остальные - с шинами питания блоков, блок задержки, включенный между первым выходом триггера, соединенным с вторым вхос дом измерителя времени и входом генератора зондирующих импульсов, (Л последовательно включены коммутатор многоканальные входы которого подключены к соответствующим акустическим преобразователям, первый одноканальный вход - к второму выходу триггера, второй - к выходу генератора зондирующих импульсов, блок ИЛИ с магистральным усилителем, одноканальный вход которогд оо ьо подключён к второму выходу триггера, а многоканальный - к выходу измерителя времени, магистральный уси литель, выход которого соединен с многоканальным входом блока опроса, 4;: блок селекции и кода начала изме4i рений, выход которого соединен с вторыми входами блока опроса и формирователя.

21- -

8

7ff

rff