Акустический уровнемер Советский патент 1982 года по МПК G01F23/296 

(54) АКУСТИЧЕСКИЙ УРОВНЕМЕР

1

Изобретение относится к ультразвуковым измерениям.

Известен ультразвуковой индикатор уровня, содержащий обратимый электроакустический преобразователь, генератор зондирующих импульсов, усилитель с детектором и триггер с интегрирующей цепочкой 1.

Недостатком указанного устройства является низкая точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является ультразвуковой индикатор уровня, содержащий генератор зондирующих импульсов и усилитель, подключенные к обратимому электроакустическому преобразователю, триггер, элемент сравнения, элемент обратной связи и зарядно-разрядное устройство 2.

В элементе сравнения этого уровнемера происходит сравнение импульса с триггера, длительность которого несет информацию об уровне, и импульса с одного из выходов элемента обратной связи. Если длительность импульса из цепи обратной связи не равна длительности импульса триггера, то возникает сигнал разбаланса, который при помощи зарядно-разрядного устройства повышает или понижает выходное напряжение, что, в свою очередь, изменяет длительность импульса на выходе элемента обратной связи таким образом, что сигнал разбаланса уменьшается и стремится к нулю.

Другой выход элемента обратной связи (с которого снимается прямоугольный импульс с длительностью, несколько меньшей длительности импульса, сравниваемого с триггером) подключен к входу усилителя так, 10 что запирает его на время действия этого импульса, тем самым ограничивая воздействие импульсных помех на вход прибора и улучшая его помехоустойчивость.

,2 Обычно стробирующее «окно (т. е. интервал времени Т, когда усилитель открыт до появления эхо-сигнала) в известном уровнемере выбирается из соотношения Т (0,02-0,5) tfnax. где tmax максимальное время задержки отраженного сигнала

20 (предел измерения).

Уменьшение стробирующего «окна т для повышения помехоустойчивости недопустимо, так как приводит к ухудшению динамических свойств прибора.

H;i акустические импульсные уровнемеры помимо импульсной (аддитивной) помехи воздействует мультипликативная помеха, которая выражается в том, что полезный отраженный сигнал модулирован по амплитуде случайным процессом (имеет место флуктуация сигнала).

Кроме того, в известном уровнемере элемепг обратной связи выполнен в виде преобразователя напряжения во временной интервал одновибратора и сумматора, в связи с чем в погрешность прибора наряду с погрсмнностью преобразователя напряжения во временной интервал входит также нестабильность одновибратора.

Цель изобретения - повышение надежности и точности измерения акустического уровнемера.

Поставленная цель достигается тем, что акустический уровнемер снабжен двумя схемами совпадения и фильтром нижних частот, а элемент обратной связи вынолнен в виде генератора пилообразного напряжения, ограничителя и двух компараторов, причем выход усилителя через первую схему совпадения, триггер, фильтр нижних частот и вторую схему совпадения подключен к входу зарядно-разрядного устройства, выход которого подключен к первым входа.м первогч) и второго компараторов, вход генератора пилообразного напряжения подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, его выход подключен к второму входу первого ко.мпаратора и через ограничитель к второму входу второго компаратора, выход которого подключен к третьему входу элеAieirra сравнения, выход первого компаратора подключен к вторым входам элемента сравнения, первой схемы совпадения и тригч;ра, при это.м второй вход второй схемы совпадения и первый вход элемента сравнения подключены к выходу усилителя, а выход элемента сравнения подключен к второму входу зарядно-разрядного устройства.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагаемого уровнемера; на фиг. 2 - эпюры напряжений.

Уровнемер содержит генератор 1 зондируюп1их и.м пульсов, электроакустический преобразователь 2, усилитель 3 и компенсационный преобразователь 4, который, в свою очередь, содержит элемент 5 сравнения, первую схему 6 совпадения, триггер 7, фильтр 8 нижних частот, вторую схему 9 совпадения, зарядно-разрядное устройство 10 и эле.мент

11обратной связи, состоящий из генератора

12пилообразного напряжения, компараторов 13 и 14 и ограничительного элемента 15. Электроакустический преобразователь 2 расположен на резервуаре 16 с контролируемым .материалом. Выход зарядно-разрядного устройства 10 является выхо.аом уровнемера.

Генератор 1 вырабатывает зондирующие импульсы 17 (фиг. 2) с определенной частоТОЙ повторения, поступающие на электроакустический преобразователь 2. Отраженные от уровня контролируемого материала импульсы 18 и импульсная помеха 19, имеющаяся в акустическом тракте, поступают через усилитель 3 на схему 6 совпадения компенсационного преобразователя 4. На второй вход схемы б подается запирающий импульс 20 из цепи обратной связи с длительностью tof При неизменной величине уровня длительность tot равна времени t задержки отраженного импульса. Компенсационный преобразователь 4 вырабатывает выходной сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорциональный времени задержки отраженного сигнала. С выхода схемы б совпадения отраженные импульсы подаются на вход триггера 7, который был предварительно поставлен в рабочее состояние задним фронтом импульса 20 из цепи 11 обратной связи.

При неизменном уровне, когда длительность импульса 20 равна времени t задержки отраженного импульса, длительность импульса 21 на выходе триггера 7 практически равна нулю.

При изменении уровня таким образом, что отраженный импульс занял положение импульса 22, На выходе триггера 7 появляется прямоугольный импульс 21 (сигнал разбаланса) с соответствующей длительностью, пропорциональной из.менению уровня. Этот импульс поступает на фильтр 8 нижних частот, который преобразует его в импульс 23. Импульс 23 с выхода фильтра 8 нижних частот поступает на один из входов схемы 9 совпадения, другой вход схемы 9 совпадения подключен к выходу усилителя 3 (однако может быть подключен и к выходу схемы б совпадения).

На выходе схемы 9 совпадения будет импульс 24 только в том случае, если на другой вход схемы 9 поступает отраженный сигнал 22 с выхода усилителя 3, несущий информацию об уровне. В этом случае импульс 24 со схемы 9 совпадения поступает на вход зарядно-разрядного устройства 10 и воздействует на него таким образом, что понижает на его выходе напряжение 25. Это выходное напряжение подается на элемент 11 обратной связи, а именно на основной компаратор 13, где оно сравнивается с линейнопадающим пилообразным напряжением 26, поступающим от генератора 12 пилообразного напряжения. В связи с этим длительность импульса 20 на выходе компаратора 13 увеличивается, а длительность импульса 21 с триггера 7 уменьшается и стремится к нулю.

При длительности импульса 21, близкой к нулю, длительность импульса 24 с выхода схемы 9 совпадения также близка к нулю и изменение (уменьшение) выходного напряжения прекращается.

Если на уровнемер воздействует мультипликативная помеха и амплитуда отраженного сигнала уменьшится до порога ограничения, то на выходе схемы 9 совпадения не будет импульса 24, и, следовательно, выходное напряжение прибора не изменится. Воздействие аддитивной помехи (появление импульса 19 перед импульсом 22) не приводит к погрешности измерения, а вызывает лишь незначительное увеличение постоянной времени прибора. Выходное напряжение прибора подается также на вспомогательный компаратор 14, где оно сравнивается с пилообразным напряжением 27 (поступаюш,им с выхода ограничительного элемента 15), амплитуда которого несколько меньше амплитуды напряжения 26 за счет ограничительного элемента 15 (например, цепочки диодов). Поэтому на выходе вспомогательного компаратора 14 имеет место прямоугольный импульс 28 длительностью ioc несколько меньше длительности toe импульса 20 с выхода компаратора 13. Импульсы 20 и 28 с выходов элемента 11 обратной связи (с выходов компараторов 13 и 14) подаются на входы элемента 5 сравнения, тем самым ограничивая время пропускания сигнала с выхода усилителя на вход зарядно-разрядного устройства 10. Время пропускания акустического сигнала т (стробирующее «окно) выбирается из конкретных условий эксплуатации прибора и обычно лежит в пределах (0,02-0,05) tmax , где tmax - максимальное время задержки отраженного сигнала, т. е. предел измерения, так как стробирующее «окно формируется при помощи вспомогательного компаратора, импульс которого не участвует в формировании выходного сигнала, то нестабильность его, вызванная, например, нестабильностью ограничительного элемента, не влияет на погрешность прибора. Если уровень изменился таким образом, что отраженный импульс занял положение импульса 20, то этот импульс, попадая в стробирующее «окно, с выхода элемента 5 сравнения поступает на вход зарядно-разрядного устройства 10 и воздействует на него таким образом, что повышает на его выходе напряжение 25. Повышение напряжения 25 на выходе прибора вызовет уменьшение длительности импульса 20 (и соответственно длительности импульса 28) в цепи элемента 11 обратной связи. Уменьшение длительности импульса 20 будет происходить до тех пор, пока задний фронт импульса 20 не сравняется с передним фронтом отраженного импульса 29, т. е. до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие следящей системы. Воздействие мультипликативной помехи на уровнемер (в случае уменьшения амплитуды отраженного сигнала до порога ограничения) не приведет к погрешности прибора, так как на выходе элемента 5 сравнения импульса 29 не будет и, следовательно, напряжение на выходе зарядно-разрядного устройства останется без изменений. Воздействие аддитивной помехи (появление импульсов 19 в стробирующем «окне) приведет в предлагаемом уровнемере к некоторой погрешности измерения, однако она на несколько ПОРЯДКОВ меньше, чем в известных. Таким образом, предлагаемая схема позволяет повысить надежность предлагаемо|-о устройства и точность измерения уровня. Формула изобретения Акустический уровнемер, содержащий генератор зондирующих импульсов и усилитель, подключенные к обратимому электроакустическому преобразователю, триггер, элемент сравнения, элемент обратной связи и зарядно-разрядное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и точности измерения, он снабжен двумя схемами совпадения и фильтром нижних частот, а элемент обратной связи выполнен в виде генератора пилообразного напряжения, ограничителя и двух компараторов, причем выход усилителя через первую схему совпадения, триггер, фильтр нижних частот и вторую схему совпадения подключен к входу зарядно-разрядного устройства, выход которого подключен к первым входам первого и второго компараторов, вход генератора пилообразного напряжения подключен к выходу генератора зондирующих импульсов, его выход подключен к второму входу первого компаратора и через ограничитель к второму входу второго компаратора, выход которого подключен к третьему входу элемепта сравнения, выход первого компаратора подключен к вторым входам элемента сравнения, первой схемы совпадения и триггера, при этом второй вход второй схемы совпадения и первый вход элемента сравнения подключены к выходу усилителя, а выход элемента сравнения подключен к второму входу зарядно-разрядного устройства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 262420, кл. G 01 F 23/28, 1968. 2.Авторское свидетельство СССР № 396562, кл. G 01 F 23/28, 1971 (прототип) .

В - 7 -

If

Fli

vi %

ViVAl /-/

Ji II

- /(

r