Ультразвуковой уровнемер Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

сл

с

Сущность изобретения уровнемер содержит синхронизатор 1, состоящий из блокинг-генератора 2, дополнительный излучатель 3, дополнительный приемник 4, два усилителя 5, 9, формирующий каскад 6, три делителя 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

XI

О vj СО СЛ

Изобретение относится к акустическим приборам и может найти применение для измерения уровня жидких сред, толщины изделий и для определения расстояния до объектов контроля в промышленности и сельском хозяйстве.

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

Недостатком указанного устройства является низкая точность измерений, обусловленная прямыми измерениями скорости ультразвука и наличием паразитной задержки сигнала в электронной схеме и мембране преобразователя.

Такж е известен ультразвуковой уровнемер, содержащий синхрокольцо из генератора, преобразователя, 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 влияния паразитных, задержек сигнала в обоих каналах.

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

Недостаток данного устройства в том, что период рециркуляции сигнала в синхронизаторе содержит помимо времени распространения сигнала в исследуемой среде еще и неинформативное время задержки сигнала, состоящее из постоянной и переменной составляющих.

Постоянная составляющая обусловлена задержкой сигнала в дополнительном излучателе, дополнительном приемнике и электронной схеме.

Переменная составляющая задержки обусловлена нестабильностью момента

привязки к переднему фронту продетекти- рованного сигнала, что имеет место в формирующем каскаде при изменении амплитуды (флуктуации) принятого сигнала

и постоянстве порога срабатывания.

Аналогичные задержки сигнала характерны и для контролируемого канала. Все это снижает точность измерений, особенно в условиях, когда расстояние до объекта

0 контроля мало, а измерения производятся в сильно флуктуирующих, высокотемпературных или в агрессивных средах, что обуславливает наличие толстых защитных мембран на пьезопреобразователях и, как следствие,

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

Цель изобретения - увеличение точно0 сти измерений.

Указанная цель достигается 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 усилителя, синхронизатор, выполненный в виде последовательно соединенных блокинг-генератора, дополни0 тельного излучателя, дополнительного приемника, второго усилителя и формирующего каскада, выход которого соединен с входами блокинг-генератора и первого делителя частоты, согласно изобретению, вве5 дены последовательно соединенные формирователь импульсов задержки, первый блок задержки, второй делитель частоты, второй триггер, первая схема И, третий делитель частоты, вторая схема И и счетчик

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

0 схемы И соединен с выходом первого триггера.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков: форми5 рователя импульса задержки, первого блока задержки, второго делителя частоты, второго триггера, первой схемы И, третьего делителя частоты, второй схемы И, счетчика импульсов, генератора стабильных колеба- ний и второго блока задержки, и их связями

с остальными элементами схемы. Таким образом, заявляемое утсройство соответствует критерию изобретения новизна.

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что все перечисленные блоки широко известны.

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами схемы в заявляемый ультразвуковой уровнемер вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к увеличению точности измерений. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию существенные отличия.

Устройство содержит синхронизатор 1, выполненный в виде последовательно соединенных блокинг-генератора 2, дополнительного излучателя 3, дополнительного приемника 4, второго усилителя 5, формирующего каскада 6, выход которого подключен к входам блокинг-генератора 2 и первого делителя 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 делителя 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 формирователя 12 соединен с выходом усилителя 5, второй вход триггера 15 соединен с выходом делителя 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, пройдя через излучатель 3, преобразуются в акустические импульсы, поступают на приемник 4, преобразуются в электрические импульсы, прохо- дятусилитель 5, формирующий каскад 6, где вырабатываются синхроимпульсы в момент превышения амплитуды сигнала постоянного порогового уровня, и поступают на вход

блокинг-генератора 2, вызывая повторный цикл автоциркуляции электроакустических импульсов с периодом Тэ, а также поступают на вход делителя 7, с выхода которого

импульсы поступают на вход генератора 8 и триггера 15.

Период рециркуляции содержит помимо времени распространения акустического импульса в исследуемой среде еще и неин0 формативное время задержки сигнала, состоящее из постоянной и переменней составляющих.

Постоянная составляющая обусловлена задержкой сигнала в излучателе, приемнике

5 и электронной схеме. Для ее компенсации используется блок 13 задержки, время задержки которого равно сумме времен задержки сигнала в излучателе, приемнике и электронной схеме.

0 Переменная составляющая задержки обусловлена нестабильностью момента привязки к переднему фронту продетекти- рованного сигнала, что имеет место в формирующем каскаде 6 при изменении

5 амплитуды принятого сигнала и постоянстве порога срабатывания. Переменная составляющая задержки компенсируется с помощью формирователя 12, пороговый уровень в котором в два раза превышает

0 пороговый уровень формирующего каскада 6.

В каждом периоде рециркуляции импульсы с выхода усилителя 5 одновременно поступают на блоки 6 и 12. На выходе фор5 мирователя 12 сигнал появится с задержкой относительно к сигналу на выходе формирователя 6, время которой равно переменной составляющей паразитной задержки, так как та часть переднего фронта продетекти0 рованного импульса, где происходит фиксация момента превышения его пороговых уровней в каскадах 6 и 12, обладает высокой линейностью. В блоке 13 сигнал дополнительно задерживается на время, равное по5 стоянной составляющей паразитной задержки, и через делитель 14 поступает на первый вход триггера 15.

На входы триггера 15 в каждом периоде рециркуляции приходятсигналы, сдвинутые

0 во времени относительно друг друга на время суммарной паразитной задержки, что позволяет в триггере 15 вычесть время паразитной задержки из периода рециркуляции и получить на выходе триггера 15 им5 пульсы, длительность Т э которых равна времени распространения ультразвука в акустической среде эталонного канала (синхронизатора).

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

прохождением высокочастотных импульсов с периодом Tt с выхода генератора 20 на вход делителя 17, имеющий коэффициент деления Кд. Коэффициент деления 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, определится из условия:

N3-KAi Тэ Кд-Т0,(1)

откуда

N3 , Кд1 Тэ

Генератор 8 вырабатывает электрические импульсы с периодом повторения Тэ. Эти импульсы одновременно поступают на приемно-излучающую акустическую головку 11 и на вход блока 21 задержки, в котором задерживаются на время, равное постоянной составляющей 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, распространяясь в лоцируемой среде, достигает граничной поверхности ее и, отразившись от нее, поступает на головку 11 через интервал времени Т1к, равный отношению удвоенного лоцируемого расстояния и скорости ультразвука, и преобразуется в электрический импульс. Последний через приемно-усилительный 6iioK 9 поступает на первый вход триггера 10, на выходе которого формируются импульсы, с периодом Кд Тэ автоциркуляции и длительностью Т к .

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

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

Т

Nx N3

ТЙ Кд То Кд Til

TJ

(3)

То Т° КД1 -Тэ КД1 Принимая во внимание, что время распространения импульсов в эталонной и контролируемой среде равно

t э

Тэ

-И Ik

где э и 1К - расстояние между излучателем и приемником ультразвука в эталонном канале (синхронизаторе) и удвоенное лоцируе- мое расстояние 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

Учитывая, что , формула (4) преобразуется к виду

Принимая 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 представляют собой статические триггеры с раздельными входами.

Блоки 7 и 14 одинаковы и отличаются от аналогичного блока 17 меньшим коэффициентом Кд1 деления частоты.

Условие для выбора коэффициента КД1 имеет вид:

Н40 Таким образом, результат(6) измерений в предложенном устройостве не зависит от постоянной и переменной составляющих паразитного времени задержки сигнала в синхронизаторе и от постоянной составля45 ющей паразитного времени задержки сигнала в контролируемом канале, что повышает точность измерений расстояния до объекта контроля (толщины или уровня) особенно в условиях, когда расстояние до

50 объекта контроля мало, а измерения производятся в агрессивных, сильно флуктуирующих или высокотемпературных средах, что обуславливает наличие толстых защитных мембран на пьезопреобразователях и, как

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

При этом появляется возможность не только уменьшить габариты эталонного и

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

Формула изобретения Ультразвуковой уровнемер, содержащий последовательно соединенные первый делитель частоты, импульсный генератро, первый усилитель и первый триггер, прием- но-излучающую головку, сединенную с входом первого усилителя, синхронизатор, выполненный в виде последовательно соединенных блокинг-генератора, дополнительного излучателя, дополнительного приемника, второго усилителя 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 делителя частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него

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

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

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

±

НЭ, 7

-----I1,

i,

1

Ч