Способ компенсации погрешностей акустических локационных уровнемеров и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано для измерения и контроля уровня жидкости или сыпучих веществ в емкости методом ультразвуковой локации. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей. Отраженные от отражателя 12 и поверхности жидкости 13 реперный и измерительный ультразвуковые сигналы принимаются приемником 9 акустического датчика 8, усиливаются усилителем 10 и поступают на разделитель 11. В каждом новом цикле измерения в момент прихода реперного сигнала значение числа в регистре 16 памяти обновляется в соответствии с условиями распространения ультразвука и служит опорным числом при формировании последовательности счетных импульсов. Счетные импульсы F<SB POS="POST">сч</SB> формируются на выходе управляемого делителя и подсчитываются декадными счетчиками делителя 4. В результате всех преобразований фиксированному расстоянию L<SB POS="POST">р</SB> всегда ставится в соответствие постоянное, кратное 10, количество счетных импульсов, что эквивалентно разбиению этого расстояния на соответствующее число элементарных долей. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19! (11) (д1) 4 С 01 F 23/28

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГННТ СССР

1 (21) 3929238/24-10 (22) 12.07.85 (46) 15.!2.89, Бюл. У 46 (71) Новосибирский электротехнический институт (72) А,Д. Владимиров, Н.В.. Гуляев, Г.П, Каблов и О.К, Кочергин (53) 534,232(088.8) (56) Авторское свидетельство CCCF

l1 690310, кл. Г 01 F 23/28, !975.

Авторское свидетельство СССР

М 1160244, кл. С 01 F 23/28, 1985.

Авторское свидетельство СССР

У 765659, кл, G 01 F 23/28, 1979. (54) СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ

АКУСТИЧЕСКИХ ЛОКАЦИОННЬГл УРОВНЕМЕРОВ

И УСТРОЙСТВО ЛЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Из об ре те пие D THoc итс я к ультразвуковой технике и может быть использовано для измерения и контроля уровня жидкости или сыпучих веществ в емкости методом ультраэвуковой локации. Целью изобретения является расширение функциональных возможнос2 тей, Отраженные от отражателя 12 .и поверхности жидкости 13 реперный и измерительный ультразвуковые сигналы принимаются приемником 9 акустического датчика 8, усиливаются усилителем 10 и поступают на разделитель 11, В каждом новом цикле измерения в момент прихода реперного сигнала значение числа в регистре 16 памяти обновляется в соответствии с условиями распространения ультразвука и служит опорным числом при формировании последовательности счетных импульсов, Счетные импульсы f,> формируются на выходе управляемого делителя и подсчитываются декадными счетчиками делителя 4. В результате всех преобразований фиксированному расстоянию всегда ставится в соответствие постоянное, кратное 10> количество счетных импульсов, что эквивалентно разбиению этого расстояния на соответствующее число элементарных долей.

1 з.п, ф-лы, 3 ил °

1529047

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть испольэовано для измерения и контроля уровня жидкости или сыпучих веществ в емкостях методом ультразвуковой локации без непосредственного контакта акустического датчика с контролируемым веществом, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей за счет компенсации ошибок измерения в больших пределах и устойчивости работы измерителя, На фиг. 1 изображена структурная 15 схема устройства, с помощью которого реализуется способ; на фиг. 2 и 3 примеры реализации соответственно блока формирования счетных импульсов и схемы управления этого блока для 2р случая m=4, где m — количество разрядов цифрового преобразователя реперного временного интервала.

Устройство (фиг. 1) содержит синхронизатор I, выход которого подклю- 25 чен к тактовым входам, m — разрядного двоично-десятичного цифрового преобразователя 2 реперного временного интервала (ЦПРИ) и блока 3 формирования счетных импульсов (БФСИ), Информа- 30 ционные выходы ЦПРИ 2 подключены к соответствующим входам БФСИ 3, а входы установки нуля обоих блоков объединены и подключены к выходу М-разрядного декадного делителя 4 частоты (М ш) .

Выход БФСИ 3 соединен со входом делителя 4 частоты, выходы переноса (m-1) младших разрядов которого подключены к соответствующим входам уп- 40 равления БФСИ 3, а информационные выходы — к соответствующим входам блока 5 цифровой индикации (БЦИ).

К выходу делителя 4 подключены также последовательно соединенные 45 генератор 6 зондирующих ультразвуковых импульсов (ГЗИ) и излучатель

7 акустического датчика 8, Приемник 9 акус гического датчика

8 соединен через усилитель 10 с разделителем 11 реперного и измерительного сигналов, выход реперного сигнала которого соединен со входом записи

ЦПРИ 2, а выход измерительного сигнала — со входом записи БЦИ 5.

Акустический датчик 8 снабжен реперным отражателем 12, установленным на фиксированном расстоянии от него выше максимального уровня жидкости 13, находящейся в емкости 14, Синхронизатор 1 определяет временной режим работы устройства, предназначен для формирования прямоугольных импульсов с постоянной частотой следования.

ЦПРИ 2 предназначен для преобразования временного интервала, ограниченного моментами излучения ультразвукового импульса и прихода реперного импульса, в m-разрядное двоичное число и может быть выполнен на стандартных элементах, например, в виде

m-разрядного декадного счетчика 15, информационные выходы каждой декады которого соединены со входами соответствующих разрядов т-разрядного регистра 16 памяти.

Вход первой декады счетчика 15 является тактовым входом ЦПРИ 2, а выходы m-разрядного регистра 16 памяти — его информационными выходами, Входы установки нуля всех декад счетчика 15 объединены и подключены ко входу установки нуля Щ1РИ 2 ° Входы записи всех разрядов регистра 15 памяти также объединены и образуют вход записи ЦПРИ 2.

БФСИ 3 предназначен для формирования последовательности счетных импульсов из поступающих на его вход импульсов синхронизатора 1. БФСИ 3 для устройства с четырехразрядным

ЦПРИ 2 (фиг, 2) содержит коммутатор

17, один вход которого являе гся тактовым входом БФСИ 3, управляемый делитель 18 частоты, управляющие входы которого являются информационными входами старшего двоично-десятичного разряда БФСИ З,.а выход является выходом БФСИ 3, три цифровых компаратора 19, входы опорного кода каждого из которых являются информационными входами соответствующего двоично-десятичного разряда БФСИ 3, дополнительный двоично-деснтичный счетчик

20 и схему 21 управления. При этом один из выходов коммутатора 17 подключен ко входу управляемого делителя 18, второй выход — к счетному входу дополнительного счетчика 20, информационные выходы ко|орогo подключены параллельно ко вхо дам текущего кода всех трех KoMIIIраторов 19, выход каждого из которых ооединеH с соответствующим входом сброс > схемы 21

529047

1 управления, один иэ выходов которой соединен со входом сброса дополнительного счетчика 20, второй выход с другим входом коммутатора 17. Управляющие входы схемы 21 управления являются управляющими входами БФСИ 3, а вход установки нуля — входом установки нуля БФСИ 2, Коммутатор !7 предназначен для коммутации сигнала синхронизатора 1 в соответствии с сигналом управления, формируемым схемой 21 управления, либо на вход управляемого делителя 18, либо на счетный вход дополнительного счетчика 20, может быть выполнен, например, на стандартных логических элементах цифровой техники °

Управляемый делитель 18 предназначен для деления частоты поступающих на его вход импульсов в соответствии с заданным на его управляющих входах кодом десятичного числа °

Цифровые компараторы 19 предназначены для сравнения поступающих на его входы опорного и текущего кодов чисел и формирования выходного сигнала в момент их равенства.

Дополнительный счетчик 20 предназначен для формирования текущего кода числа, сравниваемого в компараторах 19 и может быть выполнен на основе стандартного двоична-десятичного счетчика.

Схема управления предназначена для формирования сигнала управления коммутатором 17 и сигнала дополнительного счетчика 20 и представляет собой логический автомат, выполненный на типовых функциональных элементах цифровой техники.

Схема 21 управления (фиг. 3) для рассматриваемого примера m 4 содержит два трехвходовых логических элемента ИЛИ 22 и 23, выход одного из которых является выходом сброса схемы управления, а выход второго — со вторым выходом, а также три одинаковых ячейки 24-26 управления, каждая из которых включает в себя двухвходовой логический элемент ИЛИ 27, RSтриггер 28 и трехвходовой логический элемент И 29. При этом первый вход элемента И 29 каждой ячейки 2426 является соответствующим входом сброса схемы 21 управления, второй вход соединен с соответствующим входом элемента ИЛИ 23 и подключен к прямому выходу RS-триггера 28, а выход — к соответствующему входу элемента ИЛИ 22 и одному из входов двух входового элемента ИЛИ 27 ° Третий

5 вход элемента И 29 подключен соотв етс тв енно для ячейки 24 к источнику

"1", для ячейки 25 — к инверсному выходу RS-триггера 28 ячейки 24, для ячейки 26 — к инверсному выходу RSтриггера 28 ячейки 25.

Вторые входы элементов ИЛИ 27 всех ячеек 24-26 объединены и являются входом установки нуля схемы

21 управления. Выход элемента ИЛИ

27 -каждой ячейки 24-26 соединен со входом RS-триггера 28 соответствующей ячейки, Входы S RS-триггеров 28 являются соответствующими управляющими входа20 ми схемы 21 управления, .ГЗИ 6 предназначен для запоминания кода текущего состояния декадного счетчика делителя 4 в момент прихода измерительного сигнала, пре25 образования его в код управления цифровым индикатором и отображения результата измерения в цифровом виде и может быть выполнен на типовых элементах цифровой техники.

30 ГЗИ 6, акустический датчик 8, усилитель 10, разделитель 11 репернаго и измерительного. сигналов и реперный отражатель 12 предназначены соответственно для формирования, излучения, приема, усиления и разделения реперного и измерительного сигналов .

Устройство работает следующим об-, 0 раз ом.

Синхронизатор 1 вырабатывает прямоугольные импульсы с постоянным периодом следования, которые поступают одновременно на тактовые входы m-разрядного LllIPH 2 и БФСИ 3. Преобразованая в БФСИ 3 последовательность импульсов синхронизатора 1 поступает на делитель 4, выполненный в виде

N-разрядного (Npm) декадного счетчика. Делитель 4 вырабатывает .на выходе старшей декады сигнал, определяющий начало цикла измерения, который ус" танавливает в исходные состояния

IgIPH 2, БФСИ 2, БФСИ 3 и запускает ГЗИ 6.

Выходной сигнал ГЗИ 6 возбуждает пьезоэлектрический преобразователь 7 и сформированный ультразвуковой импульсный сигнал излучается им в направлении реперного отражателя 12

1529047 и поверхности жидкости 13, Отраженные от отражателя 12 и поверхности жидкости 13 реперный и измерительный сигналы принимаются приемником

9 акустического датчика 8, усиливаются в усилителе 10 и поступают на разделитель 11 реперного и измерительного сигналов, где разделяются ио времени, Так как отражатель 12 устанавливается выше максимального уровня жидкости 13, реиерный сигнал всегда приходит раньше измерительного. Измерительный сигнал с выхода разделителя 11 поступает на вход записи БЦИ 5, а реперный — на аналогичный вход ЦПРИ 2. ЦПРИ 2 осуществляет преобразование реперного временного интервала

21р

Р С где 1 — расстояние от излучателя до

Г реперного отражателя;

С вЂ” скорость ультразвука, в m разрядное двоично-десятичное чис- 25 ло путем подсчета количества импульсов синхронизатора 1 с помощью декадного счетчика 15 на указанном временном интервале и записи его в регистр 16 памяти в параллельном двоично-деся- 30 тичном коде. Полученное число хранится в регистре 16 памяти в течение всего цикла измерения, При этом хранимое в каждом двоично-десятичном разряде регистра 16 памяти число А, соответствует значению аналогичного разряда десятичного числа пр, определяющего количество подсчитанных импульсов: м-2 — =А 10 +А 10 +...+ 40

М-

О"

1ЪЪ

+А, 10 = А; 10 =< где t, — период следования синхроимпульсов; A; — значение i-oro раз- 45 ряда числа n ; g x (— наименьшее целое число, не меньшее Х.

Период следования синхроимпульсов выбирается таким образом, чтобы при максимальной скорости ультразву- 50 ка С=С „„,их количество и> „,„„на реперном временном интервале С ц„ц было равно или превышало величину

0, т,е. Р мин 21 P 1<> <55

В каждом новом цикле измерения в момент прихода реиериого сигнала значение числа в регистре 16 памяти

ЦПРИ 2 обновляется в соответствии с условиями распространения ультразвука и служит опорным числом прН формировании последовательности счетных импульсов °

Счетные импульсы f, формируются на выходе управляемого делителя 18 (фиг. 2), который осуществляет деление частоты следования синхроимпульсов Г, поступающих на его вход через коммутатор 17. Коэффициент деления делителя 18 задается кодом с числа, хранимого в старшем двоично-де— сятичном разряде регистра 16 памяти, и по величине равен значению А, (A4 при m=4).

Выходные импульсы управляемоro делителя 18 подсчитываются декадными счетчиками делителя 4, Импульсы переноса р, возникающие в процессе счета на выходах m-1 младших декад делителя 1 (фиг. 1), поступают на соответствующие входы схемы 21 управления (фиг, 2) и осуществляют ее запуск °

По мере заполнения счетчика эти импульсы могут одновременно возникать на выходах нескольких декад, Число пришедших одновременно импульсов переноса определяют логику работы схемы управления 21.

В ответ на появление импульса переноса в одной или нескольких m-1 младшим декадах делителя 4 схема 21 управления вырабатывает сигнал, по которому коммутатор 17 отключает выход синхронизатора 1 от вмода управляемого делителя 18 и подключает его ко входу дополнительного двоично-десятичного счетчика 20. Импульсы синхронизатора ио мере иостуиления изменяют состояние счетчика 20, код которого параллельно сравнивается с кодами чисел А,„,, A ï 2,...,A„ m-1 младших двоично-десятичиых разрядов

ЦПРИ 2, При равенстве кодов дополнительного счетчика 20 и какого-либо разряда ЦПРИ 2 nîîònåòñòâóþè,èll компаратор 19 вырабатывает импульс сброса а, который пос-уиает на соответс тt вующий вход схемы 2.1 уиравлеиия.

Здесь принимает значения от 1 до

m-1; при m=4 — от l до 3 (фиг, 2, 3) °

Схема 21 управления формирует последовательность импульсов сброса дополнительного счетчика 20, поочередно подключая вых д одного из компараторов 19 к lllnnh г бр<» а, )529047

Ср;гзу после запуска схемы 21 к

mIIII<. гбросл подключается выход коми I I>щий на выходе этого

5 ком><пратера 13 момент равенства текущего кода дополнительного счетчика

20 и кодл опорного числа А,„,, сбрась>г<.>< т счетчик 20 в нулевое состояние и подк гючлет к шине сброса выход ком- !р плр,! тс p;i следующего (m-2)-ro разряда, Анлл о гич но сигнал а,„, воз никающий нл . ыходе компаратора (m-2)-ro разряд;1, вноггь сбрасывает дополнительный сч тчик 20 и подключает к шине сброса 15 выход компара тора следующего (m-3) -ro рлз;,ядл и ч . >7, Описьвггемый процесс эак,I II«IIII I eтс я; о<-л» формирс>в лния числа импульсов с б росл, равного колич ес тв у 1!ос ту! fsff3!I!Ifsf нл схему 21 илгпульс ов р

Ifep<.IIoca, Гхемл 21 управления возвращаетсяя в исходнс>е состояние, и коммутатор 17 подключает выход синхрониэлторл к управляс мому делителю 18 °

Схема 21 управления на фиг. 3 рь 25 ллизует описанный алгоритм работы для устрой< <.вл с четырехрлэрядным II!IPH 2, 1 игх<:иное с.<>гт яиие схем, пс револитг я имп","1ьс и ус тл нс>вк и ну.ч, пос туплн>щим < . высочл г>еглсднеи > oкл Im дели— теля 4 3<яра:>ле ls <о на входы R всех

RS-три>1 е р в 28 через соотв счнг твующие гхемы !ьг!!< 27. При этом все триггеры

28, I;i„по чн>я» li .с р< .лг. лемег>т<1p, палы—

-,и,:с-.;3>;:3 3. 1>влются в нулевое coc i.c>sf

SI I i<..

II7IIII.; и фор. <ирования схемой 21 упраг лен <я 1:>пульсов сброса удобно расc>ioт.>еть ".Ptl по туплении на нее трех импульсо>3 I;< ре>>оса р,, р, р

» .t

3> этом луч<1 с;.гнал 1, снимаемыи г прял: го ь>:о гл триггера 2V ячейки

24, г,одготлв:I .II il<>ч cõ<ìó И 29 к пеР.,<3 1Е >>МИУ.! I . J хилtl,аР т >Ра тРЕтЬЕГО разряда 3 3.,»JII<,si рс мог но сигналы

> t гi »

0 с ним<> с.л> >< >п>в (! c Hhfx 13 ыходов тригг еpofi 28 si if. E !i 24 H 2 ;, 6JloKH

Г»<>s!f .ic!! > . 1<л пульсов перс носа в одн I »I!ióõ 1:ли -.рс-:: младших декад;<х делите:Isi 4 < <риг. I ) с г>ответствующее число три!.геров 28 г ереводится в еди- 40

>ичн<,е состоянис. Розникновение "1" нл в Is«>;!e х >гя ы одного триггера 8 >>рг>в гj!1! 1 к по «в ленин> с и гнала "едиt> ничггг го урс>13 ьг>3 !IH вь>ходе элемента

И;)И 23, коч с рыи, управляя работой коммут;.< l орл 17, включа T дополнительный счетчик 20.

1 руют передачу через элементы И 29 соответственно ячеек 25 и 26 выходных сигналов компараторов второго и первого разрядов (а и а ), возник-! нов ение которых возможно вниду параллельной работы всех компараторов.

Сигнал а, возникающий при равенстве текущего кода дополнительного счетчика 20 и кода числа А (фиг. 2)

Ъ У проходит на выход элемента И 29 ячейки 24, возвращает в исходное состояние триггер 28 этой ячейки и одновременно через элемент ИЛИ 22 поступает на выход схемы 21 управления, осуществляя сброс счетчика 20. После перехода триггера 28 ячейки 24 в исходное состояние сигнал t>0>t с его прямого выхода блокирует элемент И 29 названной ячейки. Одновременно сигнал

t! >1 с инверсного выхода этого триггера подготавливает схему И 29 следующей ячейки 25 к передаче сигнала компаратора второго разряда а, По поступлении сигнала а на выхоz де элемента И 29 ячейки 25 формируется второй импульс сброса и повторя— ется описанная процедура блокиосг,>ггия уже данной ячейки и подготовки сле-дующей ячейки 26 °

После аналогичного формировл>п<ч третьего импульса сбрбса схема управления 21 возвращается в исходное состояние, Появляющийся при этом сигнал "0" на выходе элемента И !И 23, управляя коммутатором 17, останавливает дополнительный счетчик 20 и включает управляелгый делитель !8.

Процесс формирования импульсов сброса при меньшем числе поступивших на вход рассматриваемой схемы управления импульсов переноса протекаеч аналогично и завершается после формирования числа импульсов сброса, равного количеству пришедших импульсов переноса.

Построение схемы 21 управления для устройства, содержащего ЦПРИ 2 с большим числом разрядов, может быть выполнено путем простого наращивания числа ее ячеек и не представляет особых затруднений.

Последовательность счетных импульсов f „ формируется в результате вьполнения следующ1<х операций: Периодичиского исключения комл<утатором 17 из последовательности синхроимпульсов

f А, импульсов при каждом появлении импульса переносы р; иа i-ом управляю12

45

55

)1

15290 шем входе схемы 2.1 управления, где д=1 2 3...(m — 1); Деления частоты следования оставшихся импульсов синхропоследонательности управляемым делителем 18, коэффициент деления которого задается значением числа А старшего разряда ЦПРИ 2.

В результате выполнения этих операций суммарное число исключенных им- 10 пульсон на временном интервале, равном реперному, составляет п «1! =Aò< 10 +А«< т 10 + ° ° ° +

<<< -< о

«10 = А;10

Количество счетных импульсов, образующихся на выходе управляемого делителя 18, на этом же временном интервале очевидно будет 20 и -и.

"р

««

<<<

Полученное значение счетных импульсов не зависит от скорости распространения ультразвука и при ныб- 25 раиной величине сохраняется неизменным.

Таким образом, в устройстве фиксированному расстоянию всегда ставится в соответствие постоянное, крат- 30 ное 10 количество счетных импульсов, что эквивалентно разбиению этого расстояния на соответствующее число элементарных долей, Подсчет количества сформированных описанным способом счетных импульсов в течение измеряемого временного интервала

=21„/С, где 1 — измеряемое расстояние, дает оценку измеряемого расстояния в соответствующих десятичных до- 40 лях фиксированного расстояния, Эта операция выполняется с помощью декадного делителя 4, состояние которого в момент прихода измерительного сигнала переносится н память БЦИ 5.

После соответствующего преобразования двоично-десятичного кода информация об измеряемой глубине выводится в цифровом виде на индикатор

БЦИ 5.

Формула изобретения

1. Способ компенсации погрешностей акустических локационных уровнемерон заключающийся в формировании синхроимпульсов, одновременном излучении ультразвуковых рабочих и реперных импульсов, их приеме, усилении и разделении во времени, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей за счет компенсации ошибок в больших пределах и повышения ус тойчивости измерения, период следования синхроимпульсов выбирают из условия равенства или превышения их количества на реперном временном интервале при максимальной скоросT

« 10 +А „,, 10 +.. ° +А,)t где. А„„

А,„ .. °,,,А, — значения соответствующих разрядов полученного десятичного числа, а t — период следонания синхроимпульсов, затем определяют количество счетных импульсов н рабочем интервале, отображающее измеряемое расстояние в десятичных долях фиксированного расстояния, 2 ° Устройство компенсации погрешностей акустических локационных уровнемеров, содержащее синхронизатор, последонательно соединенные делитель частоты, генератор зондирующих импульсов, акустический датчик, состоящий из излучателя и приемника, соединенного через усилитель с разделителем реперного и измерительйого сигналов, а также устанонленный на фиксированном расстоянии от акустического датчика реперный отражатель, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет компенсации ошибок в больших пределах и повышения устойчивости работы измерителя, н него введены m-разрядный дноичнодесятичный цифровой преобразователь реперного временного интервала, блок

13 152 формирования счетных импульсов и блок цифровой индикации, причем делитель выполнен в виде N-разрядного декадного счетчика, а синхронизатор вьг полнен неуправляемым, при этом тактовый вход m-разрядного двоично-десятичного цифрового преобразователя реперного временного интервала соединен с тактовым входом блока формирования счетных импульсов и подключен к выходу синхронизатора, его вход установки нуля соединен с аналогичным входом блока формирования счетных импульсов и подключен к выходу делителя частоты, вход эаписи

9047 l4 подключен к первому выходу разделителя реперного и измерительного сигналов, а информационные выходы соеди.

5 иены с соответствующими входами блока формирования счетных импульсов, входы управления которого подключены к соответствующим выходам переноса младших разрядов делителя частоты, а выход — к счетному входу делителя частоты, информационные выходы N декад которого соединены с соответствующими входами блока цифровой индикации, вход записи которого подклюl 5 чдн; ко второму выходу разделителя реперного и измерительного сигналов.

1529047

Составитель Н. Бурбело

Редактор Н. Горват Техред М.Ходанич Корректо р Г1, Макс имиджи»е и

Заказ 7840/36 Тираж 660 Подписное

Производственно-издате: ьски» комбинат "Патент", г. Ужгород, у i. I,»гарина, 101

ВНИИПИ Государственног ) комитета по изобретениям и открыт»ям»p» 1 hI{! (.C(;p

113035, Москва, Ж-Э5, Раушская наб., д. 4/5