Акустический уровнемер Советский патент 1992 года по МПК G01F23/28 

Изобретение относится к области измерения уровня жидких и сыпучих сред, а также толщины и диаметра изделий с помощью ультразвука.

Известно устройство, содержащее акустический преобразователь, приемно-фор- мирующий блок, измеритель временных интервалов и импульсный генератор, соединенный через делитель частоты с синхронизатором.

Недостаток его в том, что отношение удвоенного максимума лоцируемого расстояния к расстоянию между излучателем и приемником синхронизатора ограничено коэффициентом деления делителя частоты. Это обстоятельство снижает точность в широком диапазоне изменений параметров среды, поскольку при этом приходится значительно (в несколько раз и более) увеличивать коэффициент деления делителя частоты.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является акустический уровнемер, содержащий соединенные генератор зондирующих импульсов и излучатель, последовательно включенные основные приемник и усилитель, первый триггер и первый каскад совпадений, делитель частоты, основной формирователь импульсов, счетчик импульсов, реверсивный счетчик и соединенные дополнительные приемник и усилитель, причем генератор зондирующих импульсов соединен также с вторым входом первого триггера.

Недостатком известного технического решения является узкий диапазон измерения расстояний за счет образования мертвой зоны вблизи излучателя и основного приемника, при которой сигнал с излучателя не попадает на приемник, а также пониженная точность измерений, т.к. преобразователь код-напряжение и генератор тактовых импульсов, управляемый на- пряжением, ограничивают погрешность измерений на уровне единиц и долей процента.

Целью изобретения является расширение диапазона и повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в акустическом уровнемере, содержащем соединенные генератор зондирующих импульсов и излучатель, последовательно включенные основные приемник и усилитель, первый триггер и первый каскад совпадений, делитель частоты, основной формирователь импульсов, счетчик импульсов, реверсивный счетчик и соединенные дополнительные приемник и усилитель, причем генератор зондирующих импульсов

соединен также со вторым входом первого триггера, согласно изобретению, счетчик импульсов выполнен с возможностью суммирования. В устройство дополнительно

введены основной детектор, дополнительные детектор и формирователь импульсов, включенные последовательно между дополнительным усилителем и генератором зондирующих импульсов, генератор калибровочной частоты, второй каскад совпадений, блоки управления, включения и памяти, схема НЕ, первая, вторая, третья и четвертая схемы И, формирователи переднего и заднего фронтов и второй триггер.

При этом основные детектор и формирователь импульсов включены последовательно между основным усилителем и первым триггером, выход которого соединен с первым входом второго каскада совпадений, ко второму и третьему входам которого подключены соответственно выходы генератора калибровочной частоты и делителя частоты, выход которого также подключен к первому входу первой схемы И, со вторым входом

которой соединен первый выход блока управления, второй выход которого подключен к первому входу третьей схемы И и входу схемы НЕ, выход которой соединен с первым входом четвертой схемы И, выход генератора калибровочной частоты подключен ко второму входу первого каскада совпадений, выход которого соединен со входом делителя частоты, выход второго каскада совпадений подключен ко вторым входам

суммирующего счетчика, третьей и четвертой схем И, выходы третьей и четвертой схем И подключены соответственно к третьему и четвертому входам реверсивного счетчика, с первым и вторым входами которого

соединены соответственно выходы блока памяти и формирователя переднего фронта, ко входу которого подключен выход первой схемы И, соединенный также со входом формирователя заднего фронта и вторым

входом второй схемы И, к первому входу которой подключен выход второго триггера, к первому и второму входам которого подключены соответственно выходы формирователя заднего фронта и блока включения,

выход второй схемы И соединен с первым входом суммирующего счетчика, причем излучатель и основной приемник выполнены в виде колец и расположены коаксиально, а дополнительный приемник выполнен в виде

диска и расположен соосно с излучателем. Предложенное техническое решение помимо расширенного диапазона измерений имеет на два-три порядка более высокую точность измерений, поскольку не

содержит цепей аналоговой передачи сигнала в измерительном интервале г величина Т « т что обеспечивает более плотное заполнение г импульсами с периодом Т0, длительность которых может достигать значения с и менее (в зависимости от выбранной элементной базы) при стабильности того же порядка. Практически при этом погрешность измерений определяется идентичностью каналов формирования вре- мени Тги Т1 , т.е. условиями их физической реализуемости. При этом также достигается расширение функциональных возможностей за счет измерения расстояния до контролируемых объектов, уровня жидких сред при размещении излучателя и приемника на дне резервуара и диаметра вращающихся цилиндрических деталей на токарных станках при сохранении возможностей прототипа - измерения уровня жидких и твердых сыпучих сред при размещении излучателя и приемника вне контролируемых сред.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 - структурная схема устройства; на фиг.2 - принципиальная схема блока управления; фиг.З - принципиальная схема блока памяти; фиг.4 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1 зондирующих импульсов, излучатель 2, основной приемник 3, дополнительный приемник 4, дополнительный усилитель 5, дополнительный детектор 6, дополнительный формирователь 7 импульсов, последовательно соединенные основной усилитель 6, основной детектор 9, основной формирователь 10 импульсов, первый триггер 11, первый каскад 12 совпадения, делитель 13 частоты, второй каскад 14 совпадения, четвертую схему 15 И, реверсивный счетчик 16, а также последовательно соединенные первую схему 17 И, формирователь 18 заднего фронта, второй триггер 19, вторую схему 20 И, счетчик 21 импульсов, последовательно соединенные блок управления 22, третью схему 23 И, а также схему 24 НЕ, формирователь переднего фронта 25, блок включения 26, блок27 памяти, генератор 28 калибровочной частоты. Выход формирователя 7 соединен со входом генератора 1. Второй вход счетчика 21 соединен с выходом каскада 14 совпадения, причем первый вход счетчика 21 является входом запрета счета, а второй его вход является счетным. Второй вход схемы 20 И соединен с выходом первой схемы 17 И, а первый вход первой схемы 17 И соединен с выходом делителя 13, второй вход триггера 11 соединен с выходом генератора 1. Третий вход счетчика 16 соединен с выходом схемы 23 И, второй вход схемы 23 И соединен со вторым входом схемы 15 И, а первый вход схемы 15 И соединен с выходом схемы 24 НЕ. Вход формирователя 25 5 соединен с выходом схемы 17 И, а его выход - со вторым входом счетчика 16, выход блока включения 26 соединен со вторым входом второго триггера 19, блок памяти 27 соединен с первыми входами реверсивного

0 счетчика 16. Первый выход-генератора 28 соединен со вторым входом второго каскада 14 совпадений, а второй его выход - со вторым входом первого каскада 12 совпадений Счетчик 22 выполнен с возможностью сум5 мирования. Излучатель 2 и основной приемник 3 выполнены в виде колец и расположены к.оаксиально, а дополнительный приемник 4 выполнен в виде диска и расположен соосно с излучателем 2.

0 Устройство работает следующим образом.

В случае, когда блок управления 22 выдает на втором своем выходе О и на первом выходе 1 (первый режим), генератор 1

5 вырабатывает электрический импульс .поступающий на излучатель 2, который преоб- разует его в акустический импульс Акустический импульс, отраженный отлоци- руемой поверхности, принимается основ0 ным приемником 3 и дополнительным приемником 4, последовательно проходит через усилитель 5, детектор 6, формирователь 7, Импульс с формирователя 7 поступает на вход генератора 1, что поддерживает

5 режим автоциркуляции в синхрокольце.

Акустический импульс, принятый основным приемником 3, преобразуется в электрический и последовательно проходит через усилитель 8, детектор 9, формирова0 тель 10, поступает на первый вход триггера 11. Импульсы с выхода генератора 1 поступают на второй вход триггера 11. Импульсы с выхода триггера 11 поступают на первый вход каскада 14. Импульсы калпбровоиной

5 частоты, вырабатываемые генератором 28, поступают на второй вход каскада 12.

Измерительный интервал г на выходе делителя 13 (диаграмма Ui3 на фиг.5) составит

50

г Т0

откуда

55

Т

Тогда

г(1-Т) Т0.К4

т +т -т

Г ()-То К,

следовательно

т +т

Г То Кд- (;р-),

где Т0 - период повторения импульса с выхода генератора 28;

Т - время распространения акустического импульса от излучателя 2 до основного приемника 3;

Т 1- время распространения акустического импульса от основного приемника 3 до дополнительного приемника 4;

Кд- коэффициент деления делителя 13.

Число импульсов, прошедших со второго выхода генератора 28 через блоки 14,15 на вход счетчика 16 за интервал г, равно

f

N - т т-

™ - ° Г Т 4-ТЛ

: То КдТо

Т + Т

т +т т

тт

1 |/ , Т/4-т Л Т

после домножения на С числителя и знаменателя имеем

N К , К -|т, Кд- - К Н,

где

- коэффициент:

Н т расстояние от излучателя до

лоцируемой поверхности;

С - скорость ультразвука в среде;

I - расстояние между основным и дополнительным приемником;

расстояние, проходимое акустическим импульсом от излучателя до основного приемника.

В случае, когда блок 22 управления выдает на втором своем выходе 1, а на первом выходе , и все переключатели блока памяти 27 разомкнуты (второй режим), расстояние от плоскости излучателя 2 до контролируемой поверхности является наибольшим, и устройство работает следующим образом. Все разряды счетчика 21 в момент включения прибора обнуляются. В момент включения прибора с выхода блока 13 к первому входу блока 17 приложен потенциал низкого уровня, поэтому на выходе блока 17 также присутствует потенциал низкого уровня, который поступает на второй вход блока 20. В результате чего с выхода блока 20 потенциал низкого уровня поступает на первый вход счетчика 21 и запрещает его работу. В момент включения блок 26 вырабатывает импульс, который поступает на второй вход блока 19, в результате чего

5

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

на его выходе появляется потенциал высокого уровня.

В момент времени 11 (фиг.4) на выходе блока 13 появляется разрешающий потенциал, который через блоки 17,20 поступает на первый вход счетчика 21 и на вход блока 25. С выхода блока 25 импульс, соответствующий переднему фронту разрешающего импульса (в момент времени ti, фиг.4), поступает на второй вход счетчика 16 , в результате чего информация с информационных входов этого счетчика проходит на его выходы. Одновременно импульсы с первого выхода генератора 28 через блок 14 поступают на второй вход счетчика 21, в котором начинается подсчет импульсов. На четвертый вход счетчика 16 через блок 15 также поступают импульсы с выхода блока 14, и счетчик 16 работает в вычитающем режиме. В момент времени i (фиг.4) на выходе блока 13 появляется-потенциал низкого уровня, через блок 17 этот потенциал проходит на входы блоков 18 и 20, в результате чего на выходе блока 20 появляется потенциал низкого уровня, запрещающий суммирование импульсов на счетчике 21, на выходе блока 18 появляется импульс, поступающий на первый вход второго триггера 19, в результате чего на выходе второго триггера 19 появляется потенциал низкого уровня, приложенный к первому входу блока 20 на все время работы устройства. В момент времени г прекращается счет импульсов в счетчике 21, на информационном табло которого загораются (гаснут) индикаторы, свидетельствующие о наличии (отсутствии) высокого потенциала на выходах счетчика 21.

В третьем режиме работы устройства вручную замыкают на землю те переключатели блока 27. против которых находятся несветящиеся индикаторы счетчика 21. Затем устройство работает аналогично второму режиму с той лишь разницей, что расстояние от излучателя 2 до контрольной поверхности должно соответствовать реальному расстоянию до объекта контроля, а с появлением разрешающего импульса (в момент времени ta на фиг.4) на выходе блока 13 этот импульс появляется и на выходе блока 17, в результате чего на выходе блока 25 появляется импульс, поступающий на второй вход счетчика 16. В этот же момент времени происходит перепись информации с выхода блока 27 через информационные входы блока 16 на выходы этого блока. Одновременно импульсы с выхода блока 14 через блок 15 поступают на четвертый вход счетчика 16, который начинает работать в вычитающем режиме. В момент времени 14

(фиг.4) вычитание импульсов в счетчике 16 прекращается и до момента времени м на индикаторах счетчика 16 высвечивается результат измерении, равный

N2 l i-l2 k2H2,

где № - число импульсов, прошедших на второй вход счетчика 21 во втором режиме работы устройства (с момента времени ti до t2 - фиг.4);

AN - число импульсов, которые вычитаются из счетчика 13 в третьем режиме работы устройства (с момента t3 до момента до t4- фиг.4);

h - расстояние, проходимое акустическим импульсов от излучателя 2 до основного приемника 3 во втором режиме работы устройства (в режиме юстировки);

2 - расстояние, проходимое акустическим импульсом от излучателя 2 до основного приемника 3 в третьем режиме работы устройства (в реж1 ме измерений);

II

Н2 1 2 - расстояние от лоцируемой поверхности до поверхности юстировки (например, уровень жидкости в баке при локации сверху).

При измерении, например, диаметра вращающейся детали на токарных станках величина На м - г, т.е. величина ka (коэффициент пропорциональности) в зависимости от объекта измерений может принимать значения 1 или 2 выбором значения Кд.

Из диаграммы следует, что каскад 12 должен обладать инверсной логикой по сравнению с каскадом 14 (т.е. сигнал на выходе каскада 12 должен появляться при наличии нулей на его входах, а сигнал на выходе каскада 14 - при наличии единиц на его входах).

Либо (при одинаково положительной логике блоков 12 и 14) на вход блока 12 должны подаваться сигналы с другого выхода блока 11, т.е. инвертированные, что легко осуществить, поскольку под блоком 11 подразумевается триггер с раздельными входй- ми, у которого, как правило, два выхода (прямой и инверсный).

Таким образом, предложенное устройство позволяет осуществлять измерения:

-расстояния до контролируемых объектов или уровня жидких сред при размещении излучателя и приемника на дне резервуара (режим 1);

-уровня жидких и твердых сред при размещении излучателя и приемника вне контролируемых сред (режим 2 и 3 - аналогично возможностям прототипа);

- диаметры вращающихся цилиндрических деталей на токарных стэйках (режим 2 и 3 при увеличении 2 раза).

Формула изобретения 51.Акустический уровнемер, содержащий соединенные генератор зондирующих импульсов и излучатель, последовательно включенные основные приемник и усилитель, первый триггер и первый каскад сов0 падений, делитель частоты, основной формирователь импульсов, счетчик импульсов, реверсивный счетчик и соединенные дополнительные приемник и усилитель, причем генератор зондирующих импуль5 сов соединен также со вторым входом первого триггера, отличающий-ся тем, что, с целью расширения диапазона и повышения точности измерений, счетчик импульсов выполнен с возможностью суммирования, в

0 устройство дополнительно введены основной детектор, дополнительные детектор и формирователь импульсов, включенные последовательно между дополнительным усилителем и генератором зондирующих

5 импульсов, генератор калибровочной частоты, второй каскад совпадений, блоки управления, включения и памяти, схема НЕ, первая, вторая, третья и четвертая схемы и, формирователи переднего и заднего фрон0 тов и второй триггер, при этом основные детектор и формирователь импульсов включены последовательно между основным усилителем и первым триггером, выход которого соединен с первым входом второго

5 каскада совпадений, к второму и третьему входам которого подключены соответственно выходы генератора калибровочной частоты и делителя частоты, выход которого также подключен к первому входу первой

0 схемы И, с вторым входом которой соединен первый выход блока управления, второй выход которого подключен к первому входу третьей схемы И и входу схемы НЕ, выход которой соединен с первым входом четвер5 той схемы И, выход генератора калибровочной частоты подключен к второму входу первого каскада совпадений, выход которого соединен с входом делителя частоты, выход второго каскада совпадений подключен

0 к вторым входам суммирующего счетчика, третьей и четвертой схем И, выходы третьей и четвертой схем И подключены соответственно к третьему и четвертому входам реверсивного счетчика, с первым и вторым

5 входами которого соединены соответственно выходы блока памяти и формирователя переднего фронта, к входу которо го подключен выход первой схемы И, соединенный также с входом формирователя заднего фронта и вторым входом второй схемы И, к

первому входу которой подключен выход второго триггера, к первому и второму входам которого подключены соответственно выходы формирователя заднего фронта и блока включения, выход второй схемы И соединен с первым входом суммирующего счетчика.

2. Уровнемер по п.1. отличающий- с я тем, что излучатель и основной приемник выполнены в виде колец и расположены коаксиалько, а дополнительный приемник выполнен в виде диска и расположен соосно с излучателем.

Фиг. 2

FI,..... ,-,.-- „птч.