Ультразвуковой способ измерения уровня и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении уровня материалов с неровной наружной поверхностью, например, круглых лесоматериалов, руды, щепы и т.д.

Известен способ измерения неровной водной поверхности и устройство для его осуществления.

Уровень неровной водной поверхности в данном способе определяется в результате сравнения реальной и смодулированной поверхности. Для этой цели устройство для осуществления способа снабжено приемо- излучающим преобразователем, генератором модулированных колебаний, усилителем, измерителем временных интервалов и регистратором.

Данный способ и устройство для его осуществления могут быть использованы для измерения уровня жидкостей насыщенных взвесями или газовыми пузырьками с типовой (волновой) неровной поверхностью. Если неровная поверхность стохастическая, то при измерении уровня будут наблюдаться значительные погрешности.

так как при этом невозможно точное модулирование реальной поверхности и поэтому невозможна точная регулировка верхнего и нижнего порогов срабатывания амплитудного дискриминатора.

Наиболее близким по технической сущности является ультразвуковой способ измерения уровня путем вырабатывания электрических импульсов, формирования их в направленные акустические ультразвуковые и измерения времени прохождения импульсов до контролируемой поверхности и обратно. Устройство для осуществления способа содержит генератор зондирующих импульсов и усилитель, подключенные к обратимому электроакустическому преобразователю, схему совпадения, зарядно-разрядное устройство, элемент сравнения, два компаратора, генератор и индикаторное устройство.

Основным недостатком данного способа и устройства является невысокая точность измерения уровня материалов со значительно неоднородной стохастической наружной поверхностью.

Ё

VI XJ 00 СП 4 О

Основная погрешность возникает при локации неровностей величиной больше Я /4 ультразвуковой волны вследствие интерференции отраженных от неровной поверхности воды, приводящей к погашению части полупериодов колебаний принимаемого импульса, а следовательно, к существенному изменению положения переднего фронта отраженного импульса.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в известном ультразвуковом способе измерения уровня путем вырабатывания электрических импульсов, формирования их в направленные акустические ультразвуковые и измерения времени прохождения импульсов до контролируемой поверхности и обратно, напол- нение зондирующих импульсов осуществляют различной частотой в диапазоне, определяемом из уравнения

11

f2

n+i

фиксируют время прохождения всех импульсов до контролируемой поверхности и обратно, а уровень определяют по наименьшему времени прохождения.

Здесь fi, f2 - границы диапазона изменения частоты наполнения зондирующих импульсов;

п - число длин Я , укладывающееся в разности хода.

При этом устройство для осуществления способа, содержащее генераторы зондирующих импульсов и пилообразного напряжения, усилитель, подключенный к обратимому электроакустическому преобразователю, измеритель временных интервалов и индицирующее устройство, снабжено генератором качающей частоты, выход которого соединен с входом электроакустического преобразователя, а два входа - соответственно с выходами генераторов зондирующих импульсов и пилообразного напряжения, анализатором временных интервалов, вход которого соединен с выходом измерителя,временных интервалов, а выход - с индицирующим устройством, при этом второй вход индицирующего устройства соединен с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, а измеритель временных интервалов, первый вход которого подключен к генератору зондирующих импульсов, а второй - к выходу усилителя, выполнен в цифровых элементах.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа; на фиг.

2 - диаграммы его работы; на фиг. 3 - схема локации неровной поверхности.

Предложенное устройство содержит электроакустический преобразователь 1,генератор зондирующих импульсов 2, усилитель 3, генератор качающейся частоты 4, генератор пилообразного напряжения 5, цифровой измеритель временных интервалов 6, анализатор временных интервалов 7

и индицирующее устройство 8.

Устройство работает следующим образом.

Генератор зондирующих импульсов 2 вырабатывает прямоугольные импульсы

(эпюра 1, фиг. 2) с частотой повторения, обеспечивающей полное затухание отраженных импульсов к моменту появления следующего зондирующего импульса. Эти импульсы управляют высокочастотной частью генератора 4 качающейся частоты, фор- мируя не его выходе радиоимпульс с переменной частотой наполнения (эпюра 2, фиг. 2).

Частотой наполнения радиоимпульса

управляет генератор пилообразного напряжения 5, изменяя ее в пределах 19 кГц-10%. Радиоимпульсы преобразуются в ультразвуковые сигналы электроакустическим преобразователем 1. Отраженные от наружной поверхности исследуемого материала акустические волны обратно преобразуются преобразователем 1 в электрические им- пульсы, которые после усиления и детектирования блоком 3 поступают на измеритель временных интервалов 6 (эпюра 3, фиг. 2).

Измеритель временных интервалов измеряет время t между передним фронтом генератора 2 зондирующих импульсов и передним фронтом первого отраженного импульса, то есть время прохождения ультразвукового импульса от электроакустического преобразователя 1 до контролируемой среды и обратно.

При локации уровня неровных поверхностей со значительными перепадами по высоте, имеющими стохастический характер, например, круглых лесоматериалов (фиг. 3) пути возврата отраженных импульсов могут быть различными. При этом истинный сигнал 1 по сравнению с ложными 2, 3, 4 всегда имеет наименьшее время прохождения ультразвукового импульса от излучателя к контролируемой среде и обратно, то

есть является по времени первым отраженным импульсом, который фиксируется измерителем временных интервалов. Однако в апертурный угол в электроакустического преобразователя могут попадать импульсы

(сигнал 2 фиг. 3), сдвинутые по фазе на п по отношению к волнам истинного луча 1, что приводит к растягиванию переднего фронта первого отраженного импульса или даже к его погашению в результате интерференции.

Это соответствует условию

2l2-2h Ai(n+l),(1)

где 11 и 2 текущие расстоя ния до неровной поверхности контролируемой среды в зоне апертурного узла;

п-число длин волн А , укладывающееся в разности хода.

Для снятия интерференционного погашения достаточно изменить частоту наполнения возбуждающего радиоимпульса таким образом, чтобы сдвиг фазы изменился на л/2, что соответствует условию

2l2-2lt n+ |)(2)

Из соотношений (1) и (2) определяется максимально необходимый диапазон изменения частоты наполнения радиоимпульсов на выходе генератора качающейся частоты 4

ЯУ fa

(3)

где f 1 и fa - границы диапазона изменения частоты наполнения радиоимпульсов.

Для получения круглого фронта отраженного импульса по лучу 1 (фиг. 3) достаточно исключить интерференционное погашение второго положительного полупериода в радиоимпульсе (п 1), что соответствует, как следует из уравнения (3). изменению частоты наполнения в пределах 10%.

За время прохождения этого диапазона частот время сканирования равно периоду колебаний генератора пилообразного напряжения 5 (эпюра 4, фиг. 1), измеритель временных интервалов фиксирует время прихода последовательности импульсов, один из которых по крайней мере соответствует случаю отсутствия интерференционного погашения в принятом импульсе и, следовательно, крутому фронту продетекти- рованного импульса. Этот импульс имеет минимальное время прохождения до контролируемой поверхности и обратно, все остальные импульсы, время прохождения которых больше минимально зафиксированного, являются ложными.

Информация о времени прихода каждого импульса за один период сканирования по частоте с измерителя временных интервалов 6 в двоично-десятичном коде поступает на анализатор временных интервалов 7,

сравнивая времена прихода импульсов за один период сканирования, оставляет в своей памяти только минимальное время, соответствующее истинному положению 5 исследуемого уровня, Задним фронтом импульса пилообразного напряжения содержимое памяти анализатора временных интервалов сбрасывается в индицирующее устройство 8, шкала которого проградуиро0 вана в единицах измерения уровня (метрах). В качестве анализатора временных интервалов может быть использован программируемый микрокалькулятор МК-46 или микропроцессор с программой, осуществ5 ляющей сравнение временных интервалов и выбору минимального.

Программа МК-46 в этом случае имеет следующее содержание: 01.1; 02,1; 03.0; 04.0; 05.0 ; 10.0 ; 11.Р9 ; 12. 13 П ; 13.1;

0 14.0; .Р2;21РЗ;22.РЗ;23.СП;24.ВП; 25.1; 30,0; 32.F2; 33.1: 34.F3; 35. ; 40.Рх 0; 41.F2; 42.F2; 43.РЗ; 44БП; 45.F2.

Период колебаний генератора пилообразного напряжения (время сканирования

5 по частоте) берется как минимум на порядок больше периода следования зондирующих импульсов.

Пример. Измеряли уровень круглых лесоматериалов на подвижной в вертикаль0 ной плоскости платформе. Перемещение платформы с круглыми лесоматериалами осуществляли при помощи винтовой пары. Длину перемещения (приращение уровня) определяли путем измерения штангенцир5 кулем с точностью до 0,1 мм.

Начальное положение электроакустического излучателя 1 было равно 980 мм.

В процессе эксперимента уровень измеряли при работающем качающемся гене0 раторе 4 (при изменяющейся частоте заполнения радиоимпульсов) и при отключенном его состоянии (при постоянной частоте заполнения импульсов). Результаты измеренных уровней сравнивали с истин5 ным его значением, которое определяли как сумму первоначального положения (980 мм) и величины хода платформы. Контроль осуществляли по пяти точкам.

Погрешность измерения уровня лесо0 материалов предложенного способа по пяти контрольным точкам соответственно равна: 0; 1,8; 0,6; 0,9: 0,9%.

Погрешность прототипа по этим же контрольным точкам была равна: 0; 1,8; 12,9;

5 18,6:4,4%.

То есть погрешность предложенного способа в среднем примерно на порядок меньше погрешности прототипа.

Применение предложенного способа и устройство для его осуществления по сравнению с прототипом позволит значительно повысить точность измерения уровня контролируемых сред с неровной наружной поверхностью. Повышение точности обеспечивается за счет изменения частоты заполнения зондирующих импульсов в диапазоне, обеспечивающем вероятность иск- лючения по крайней мере один раз интерференции основного сигнала, соответствующего истинному уровню. В резуль- тате из числа принятых импульсов выбирается один, имеющий наименьшее время прохождения зондирующего импульса к контролируемой среде и обратно, что соответствует истинному уровню. В резуль- тате точность предложенного способа примерно на порядок выше прототипа при измерении уровня материалов с неровной наружной поверхностью.

Повышение точности измерения уровня дает значительную экономию при учете материалов.

Формула изобретения 1. Ультразвуковой способ измерения уровня, заключающийся в том, что вырабатывают электрические импульсы, преобразуют их в направленные акустические и измеряют время прохождения импульсов до контролируемой поверхности и обратно, по которому определяют значение уровня, о т- личающийся тем, что, с целью повышения точности, наполнение зондирующих импульсов осуществляют различной

частотой в диапазоне, определяемом из уравнения

T1/f2 (n+l)/(n+|),

где fi и f2 - границы диапазона изменения частот наполнения электрических импульсов;

п - число длин волн, укладывающееся в разности хода;

а уровень определяют по наименьшему времени.

2. Ультразвуковое устройство для измерения уровня, содержащее генераторы зондирующих импульсов и пилообразного напряжения, электроакустический преобразователь, последовательно соединенный с усилителем и измерителем временных интервалов, блок обработки сигнала и индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, блок обработки сигнала выполнен в виде генератора качающейся частоты и анализатора временных интервалов, включенного последовательно между измерителем временных интервалов и индикатором, второй вход которого соединен с первым выходом генератора пилообразного напряжения, второй выход которого соединен с первым входом генератора качающейся частоты, к второму входу которого и второму входу измерителя временных интервалов подключен выход генератора зондирующих импульсов, а выход генератора качающейся частоты соединен с электроакустическим преобразователем.

Сущность изобретения: устройство содержит электроакустический преобразователь, генератор зондирующих импульсов, усилитель, генератор качающейся частоты, генератор пилообразного напряжения, измеритель временных интервалов, анализатор временных интервалов, индикатор. Импульсы вырабатывают с обеспечением выполне13 ния условия fi/f2 (п + -к )/( п + -т ) , где f 1 и f2 - границы диапазона частот; п - число волн. 1 з.п. ф-лы. 3 ил.

Фиг. I

N

К К к

А.