Ультразвуковой измеритель расстояния

 

Изобретение относится к средствам ультразвукового измерения расстояния до границы раздела двух сред и может быть использовано в уровнемерах, в устройствах для контроля расстояния между сближающимися объектами и т.п. Ультразвуковой измеритель содержит генератор зондирующих импульсов, связанный с входом электроакустического преобразователя, формирователь импульсов запаздывания в тракте приема отраженного сигнала с времяимпульсными преобразователями на выходе и счетчик. Времяимпульсный преобразователь сигнала запаздывания осуществляет одновременно компенсацию температурной погрешности, возникающей при изменении температуры среды, в которой распространяются акустические колебания. Он содержит формирователь счетных импульсов в виде двух ждущих автогенераторов, соединенных по кольцевой схеме, во времязадающую цепь одного из которых включен терморезистор, а резистор времязадающей цепи другого автогенератора используется для первоначальной калибровки, необходимой из-за разброса параметров времязадающей цепи. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к акустическим средствам измерения расстояния до границы раздела двух сред, и может быть использовано для контроля уровня жидких, пастообразных и сыпучих веществ, расстояния между сближающимися объектами, например при парковке автомобилей и т.п.

При ультразвуковом измерении расстояния определенную проблему составляет зависимость результатов измерения от температуры среды, в которой распространяются акустические колебания.

Известен ультразвуковой измеритель расстояния [1] содержащий излучающий и приемный электроакустические преобразователи и два электроакустических преобразователя частотного датчика температуры, установленные на фиксированном расстоянии вдоль канала распространения акустических колебаний и подключенные к триггеру, время единичного состояния которого является функцией температуры среды. Триггер подключен к генератору стабильных импульсов и модулирует его частоту в зависимости от изменения температуры среды.

Как видно, это довольно сложное решение, предполагающее, кроме прочего, установку двух дополнительных электроакустических преобразователей, так что узел компенсации погрешности соизмерим с приемно-передающим трактом.

Несколько проще в части компенсации температурной погрешности известный ультразвуковой измеритель [2] содержащий генератор зондирующих импульсов, подключенный к приемно-излучающему электроакустическому преобразователю, формирователь запаздывания и сумматор, один вход которого подключен к выходу узла компенсации температурной погрешности. Последний включает два датчика температуры, один из которых установлен вблизи электроакустического преобразователя, а другой у контролируемой поверхности, дополнительный сумматор, к входам которого подключены датчики температуры, формирователь напряжения, пропорционального изменению температуры среды, и преобразователь этого напряжения во временной интервал.

В указанном ультразвуковом измерителе компенсация осуществляется за счет формирования пропорционального изменению температуры среды сигнала и алгебраического сложения этого сигнала с измеренным сигналом запаздывания.

Наиболее близким к предлагаемому является ультразвуковой измеритель расстояния [3] содержащий формирователь зондирующих импульсов, выход которого подключен к электроакустическому преобразователю, формирователь импульса запаздывания, выход которого подключен к времяимпульсному преобразователю, включающему формирователь счетных импульсов с терморезистором в цепи управления частотой импульсов, и счетчик. Формирователь счетных импульсов выполнен в виде генератора синусоидальных колебаний с терморезистором в частотозадающей цепи и преобразователя синусоидальных колебаний в последовательность импульсов той же частоты.

Компенсация температурной погрешности в прототипе достигается изменением частоты счетных импульсов в соответствии с изменением температуры среды. Однако неизбежный разброс параметров будет вносить погрешность в работу узла компенсации, а необходимая в таком случае калибровка в устройстве-прототипе довольно проблематична.

Цель изобретения компенсация температурной погрешности с возможностью калибровки устройства при разбросе параметров времязадающей цепи.

Цель достигается тем, что в ультразвуковом измерителе расстояния, содержащем формирователь зондирующих импульсов, выход которого связан с электроакустическим преобразователем, формирователь импульсов запаздывания, подключенный к выходу формирователя импульса запаздывания, времяимпульсный преобразователь, включающий формирователь счетных импульсов с терморезистором в цепи управления частотой, и счетчик, формирователь счетных импульсов выполнен в виде двух ждущих автогенераторов, включенных по кольцевой схеме, а терморезистор включен во времязадающую цепь одного из них.

Благодаря такому решению период следования счетных импульсов складывается из длительности импульса, определяемой времязадающей цепью одного из автогенераторов, и времени паузы, определяемого параметрами времязадающей цепи другого. Поскольку одно из слагаемых периода зависит от температуры среды, при постоянном значении второго слагаемого период следования счетных импульсов будет изменяться в соответствии с изменением температуры, а необходимая калибровка из-за разброса параметров может быть обеспечена за счет изменения второго слагаемого периода, которое определяется времязадающей цепью другого автогенератора.

На фиг. 1 блок-схема двухпорогового измерителя уровня; на фиг. 2 эпюры напряжений на выходе элементов устройства.

Формирователь 1 зондирующих импульсов включает генератор 2 звуковых колебаний, подключенный к управляемому ключу 3, управляющий вход которого подсоединен к формирователю 4 импульсов. Выход формирователя 1 зондирующих импульсов через коммутатор 5 подсоединен к приемно-излучающему электроакустическому преобразователю 6, выполненному, например, в виде антенной решетки. Выход коммутатора 5 подключен к входу формирователя 7 импульсов запаздывания через усилитель 8, управляемый ключ 9 и детектор 10. Другой вход формирователя 7 импульсов запаздывания связан с формирователем 4 импульсов. К управляющему входу ключа 9 подсоединен формирователь 11 импульсов. Входы формирователей 4 и 11 импульсов подсоединены к генератору 12 прямоугольных импульсов. Выход формирователя 7 импульсов запаздывания подсоединен к времязадающему преобразователю, включающему формирователь 13 счетных импульсов, выполненный в виде двух ждущих автогенераторов 14 и 15, включенных по кольцевой схеме. Автогенератор 14 (15) представляет собой ждущий мультивибратор с двумя выходами запускa: один (А) по нарастающему перепаду управляющего импульса, другой (В) по спадающему и двумя выходами: прямым Q и инверсным . Времязадающие цепи автогенераторов 14 (15) образованы конденсатором 16 (17) и резистором 18 (19). Резистор 19 выполнен в виде термосопротивления, калибровочный резистор 18 в виде переменного, подстроечного, резистора. Выход формирователя 13 счетных импульсов подключен к блоку 20 совпадений, другой вход которого подсоединен к выходу формирователя 7 импульса запаздывания. Выход блока 20 совпадения подключен к счетчику 21 импульсов, выход которого через дешифратор 22 подключен к индикатору 23. Блок 24 управления подсоединен к дешифратору 22 и счетчику 21. Выход счетчика 21 связан также с двумя блоками сравнения 25 и 26, вторые входы которых подсоединены к соответствующему переключателю 27 (28) порога, а выход блоков 25 и 26 сравнения подсоединен к индикатору 29 критических состояний.

Ультразвуковой измеритель расстояния работает следующим образом.

Сигнал U₂ с выхода генератора 2 звуковых колебаний поступает на ключ 3, управляемый сигналом U₄ с выхода формирователя 4 импульсов. В результате на выходе формирователя 1 зондирующих импульсов появляются радиоимпульсы U₁, которые через коммутатор 5 подаются на электроакустический преобразователь 6 и излучаются в направлении контролируемой отражающей поверхности. Отраженный сигнал принимается тем же электрическим преобразователем 6 и через коммутатор 5 подается на усилитель 8 радиоимпульсов и затем через ключ 9, управляемый сигналом U₁₁ с выхода формирователя импульсов, на вход детектора 10.

Импульсы U₄ и U₁₁ формируются по передним фронтам сигнала U₁₂ с выхода генератора 12 прямоугольных импульсов. При этом импульсы, формируемые блоком 11, более длинные, чем излучаемые, что необходимо для предотвращения пролезания излучаемого сигнала на вход детектора 10. Продетектированный сигнал U₁₀ поступает на вход формирователя 7 импульсов запаздывания, где начало импульса запаздывания U₇ определяет сигнал с выхода формирователя 4 импульсов, а конец с выхода детектора 10. Сформированный таким образом импульс запаздывания заполняется счетным импульсом U₁₃, поступающим с формирователя 13 счетных импульсов. Формирователь 13 счетных импульсов осуществляет не только времяимпульсное преобразование сигнала U₇, но и компенсацию температурной погрешности.

Период следования счетных импульсов Т_с4 равен сумме длительностей импульсов Т₁ автогенератора 14 и Т₂ автогенератора 15: T_c4 T₁+T₂ K₁˙R₁₈ ˙C₁₆+K₂ ˙R₁₉ ˙C₁₇, где К₁, К₂ постоянные коэффициенты, зависящие от конкретного исполнения автогенератора; R₁₈, R₁₉ величина сопротивления резистора 18 и 19; С₁₆, С₁₇ емкость конденсатора 16 и 17.

Для идеальной компенсации Vt^o˙T_c4 const V(t^o)˙(K₃R₁₈+K₄ ˙R₁₉), где V(t^o) скорость звука.

Следовательно, R₁₉(t^o) a/v(t^o) -(bR₁₈) где а, b постоянные коэффициенты. Для воздуха V(t^o) 331,46 (1+1,83˙ 10^-3˙t^oC) Зависимость сопротивления полупроводниковых терморезисторов типового исполнения (ТР-4, ММТ-4) близка к случаю идеальной компенсации.

Неизбежный разброс параметров времязадающих цепей легко корректируется при первоначальной калибровке с помощью резистора 18 (R₁₈) автогенератора 14. Варьируя параметрами времязадающих цепей (R₁₈R₁₆) и (R₁₉C₁₇), можно обеспечить уменьшение погрешности от изменения температуры среды, как показали испытания, более, чем в 10 раз.

Импульсы запаздывания, заполненные счетными импульсами, поступают на двоично-десятичный счетчик 21, который обнуляется по окончании действия каждого импульса запаздывания U₇. Перед обнулением двоично-десятичный код записывается дешифратором 22, с выхода которого код расстояния поступает на цифровой индикатор 23 уровня.

Критические состояния фиксируются индикатором 29 критических состояний, информация на который поступает от блоков 25 и 26 сравнения текущего значения импульсов запаздывания с заданными пороговыми значениями.

Предложенный ультразвуковой измеритель был опробован при измерении расстояний от 0,3 до 10 м и изменения температуры среды от 20 до 75^оС, Погрешность измерения при этом не превышала 2%

Формула изобретения

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАССТОЯНИЯ, содержащий последовательно соединенные формирователь зондирующих импульсов, выход которого связан с электроакустическим преобразователем, формирователь импульсов запаздывания, времяимпульсный преобразователь, включающий формирователь счетных импульсов с терморезистором во времязадающей цепи, и счетчик, отличающийся тем, что формирователь счетных импульсов выполнен в виде двух ждущих автогенераторов, включенных по кольцевой схеме, а терморезистор включен во времязадающую цепь одного из них.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2