Ультразвуковой уровнемер

 

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-излучающую 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 F 23/28

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4874674/10 (22) 15.10.90 (46) 07,10.92; Бюл, ¹ 37 (71) Алтайский политехнический институт им. И.И.Позунова (72) Н.П.Воробьев и В.В.Гребенюк (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 564538, кл. G 01 F 23/28, 1976.

Авторское свидетельство СССР

N 267389, кл. В 06 В 1/06, 1968. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР (57) Сущность изобретения; уровнемер содержит синхронизатор 1, состоящий из бло„„Я2 „„1767354 A1 кинг-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-излучающую головку 11, формирователь 11 импул ьсов 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, 5-6-7-821-10-18, 8-9-10, 7-15, 8-11, 11-8, 20-19, 2016. 2 ил.

1767354

30

40

50

3

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 уста в кой с рабаты вания,п риемно-излучающий преобразователь, кипп-реле, элемент задержки, формирователь строб-импульсоВ, генератор счетных импульсв, 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, Также известен ультразвуковой уровнемер, содержащий синхрокольцо из генератора, преобразователя, приемного устрйства и схемы запрета, формирователь строб-импульсов, измеритель временных интервалов, компенсационное синхрокольцо, 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 первыйтриггер, приемно-излучающую головку, соединенную с входом первого усилителя, синхронизатор, выполненный в виде последовательно соединенных блокинг-генератора, 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 переменнойй составляющих.

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

Переменная составляющая задержки обусловлена нестабильностью момента привязки к переднему фронту продетектированного 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 контроля мало, а измерения производятся в сильно флуктуирующих, высокотемпературных или в агрессивных средах, что обуславливает наличие толстых защитных мембран на пьезопреобразователях и, как следствие, наличие заметного (до единиц и десятков процентов) паразитного времени задержки сигнала в синхронизаторе и в контролируемом канале.

Цель изобретения — увеличение точности измерений.

Указанная цель достигается тем, что в ультразвуковой уровнемер, 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 последовательно соединенных блокинг-генератора, дополнительного излучателя, дополнительного приемника, второго усилителя и формирующего каскада, выход которого соединен с входами блокинг-генератора и первого делителя частоты, согласно изобретению, 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 входам первой и второй схем И, вход формирователя импульсов задержки соединен с выходом второго усилителя, 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 схемы И соединен с выходом первого триггера.

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

1767354

20

30

40

55 с остальными элементами схемы. Таким образом, заявляе: ое 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 16, третий делитель частоты 17, вторую схему И 18 и счетчик

19 импульсов, 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

20 соединен 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-генератор 2 вырабатывает электрические импульсы, которые, пройдя через излучатель 3, преобразуются в акустические импульсы, поступают на приемник 4, преобразуются в электрические импульсы, ripoxoдятусилитель 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 Т„ 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 неинформативное время задержки сигнала, состоящее из постоянной и переменной саста вл я ющих.

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

Переменная составляющая задержки обусловлена нестабильностью момента привязки к переднему фронту продетектированного сигнала, что имеет место в формирующем каскаде 6 при изменении амплитуды принятого сигнала и постоянстве порога срабатывания, Переменная составляющая задержки компенсируется с помощью формирователя 12, пороговый уровень в котором в два раза превышает пороговый уровень формирующего каскада

В каждом периоде рециркуляции импульсы с выхода усилителя 5 одновременно поступают на блоки 6 и 12. На выходе формирователя 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 продетектированного 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 постоянной составляющей паразитной задержки, и через делитель 14 поступает на первый вход триггера 15, На входы триггера 15 в каждом периоде рециркуляции приходят сигналы, сдвинутые 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 импульсы, длительность Т > которых равна времени распространения ультразвука в акустической среде эталонного канала (синхронизатораа).

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

1767354 прохождением высокочастотных импульсов с периодом Т, с выхода генератора 20 на вход делителя 17, имеющий коэффициент деления Кд, Коэффициент деления делителей 7 и 14 одинаков и равен Кд1. Число N> 5

1 импульсов с длительностью К«Тэ (увеличенный в Кд1 эталонный интервал) и периодом Кд ° T>, поступивших с выхода триггера

15 на вход схемы И 16 в течение измерительного интервала времени, определится из ус- 10 ловия:

Йэ Кд1: Тэ = Кд- То. (1) откуда (2)

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 кото- 20 ром 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 Т», равный от1 ношению удвоенного лоцируемого расстояния и скорости ультразвука, и преобразуется в электрический импульс.

Последний через приемно-усилительный блок 9 поступает на первый вход триггера

10, на выходе которого формируются импульсы, с периодом Кд ° Т, автоциркуляции и длительностью Т »

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. 45

Общее число Nx высокочастотных импульсов, заполняющих N> эталонных интервалов времени, длительностью Т, каждый в течение измерительного интервала N>" Кд1

Тэ с учетом выражения (2) равно

50 — М вЂ” д = д (3)

) i 1 х — э

Т Т о к Т К1 Т

Принимая во внимание, что время рас- 55 пространения импульсов в эталонной и контролируемой среде равно

1 э

Тэ= — ; Т = —, Сэ Ск (6) где

К

2 Кд (7)

На фиг.2 приведены временные диаграммы работы устройства, причем диаграммы А,В,С,0 и Е соответствуютодноименным 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 .

Т а Кд1 .

Тэ

Таким образом, результат(6) измерений в предложенном устройостве не зависит от постоянной и переменной составляющих паразитного времени задержки сигнала в синхронизаторе и от постоянной составляющей паразитного времени задержки сигнала в контролируемом канале, что повышает точность измерений расстояния до объекта контроля (толщины или уровня) особенно в условиях; когда расстояние до объекта контроля мало, а измерения производятся в агрессивных, сильно флуктуирующих или высокотемпературных средах, что обуславливает наличие толстых защитных мембран на пьезопреобразователях и, как 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 где 1э и 1» — расстояние между излучателем и приемником ультразвука в эталонном канале (синхронизаторе) и удвоенное лоцируемое расстояние в контролируемом канале соответственно;

Сэ и С» — скорости звука соответственно в эталонном и контролируемом канале; имеем после подстановки значений Тэ и Т» в формулу (3):

Кд Ь Сэ (4) х КД1 (э. Ck

Учитывая, что С»=Сэ, формула (4) преобразуется к виду х (5)

Принимая во внимание, что l3 = const, можно записать, Ъ

Nx = Кд. — )

1767354 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.

1 g3

Л L,, I н

)13; /.

4/ P ) !

Составитель Н.Воробьев

Техред М.Моргентал Корректор М.Петрова

Редактор

Заказ 3542 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

Формула изобретения

Ультразвуковой уровнемер, содержащий последовательно соединенные первый делитель частоты, импульсный генератро, первый усилитель и первый триггер, приемно-излучающую головку, сединенную с входом первого усилителя, синхронизатор. выполненный в виде последовательно соединенных блокинг-генератора, дополнительного излучателя, дополнительного приемника, второго усилителя и формирующего каскада, выход которого соединен также с входом блокинг-генератора и первого делителя частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в него

5 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

10 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

15 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 тре20 тий вход второй схемы И подключен к выходу первого триггера.