Устройство дискретного контроля уровня кусковых материалов в подземных емкостях

 

Сущность изобретения: устройство содержит два датчика сейсмических колебаний, два формирователя импульсов, два одновибратора, инвертор, генератор импульсов, блок фазовой коррекции, делитель частоты, пять элементов совпадения, переключатель режимов измерения, регистр сдвига, две схемы ИЛИ, счетчик импульсов, триггер, решающее устройство. 2 з. п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

Изобретение относится к приборостроению, может быть использовано в горнодобывающей, металлургической, химической и других отраслях промышленности для автоматического контроля уровня кусковых материалов, например горной массы в подземных емкостях.

Известное устройство [1] дискретного контроля уровня кусковых материалов в подземных емкостях содержит два датчика сейсмических колебаний, связанных механически через тело горного массива с емкостью и подключенных к измерительному блоку, причем датчики расположены на разном расстоянии от подземной емкости, а измерительный блок состоит из первого и второго формирователей импульсов, входы которых подключены через первый и второй входы измерительного блока к первому и второму датчикам сейсмических колебаний, первого и второго одновибраторов, двухвходового инвертора, генератора тактовых импульсов, делителя частоты, регистра сдвига, элементов совпадения, число которых на три больше числа дискретных контролируемых уровней, счетчиков, число которых равно числу дискретных контролируемых уровней, многовходовой схемы ИЛИ, решающего устройства и триггера, при этом выход первого формирователя подключен к информационному входу регистра сдвига и к входу запуска первого одновибратора, выход которого подключен к первому входу инвертора, выход второго формирователя подключен к входу запуска второго одновибратора, выход которого подключен через инвертор к первому входу многовходовой схемы ИЛИ, выход которой подключен к входу обнуления триггера, вход установки которого подключен к выходу первого элемента совпадения, неинверсный выход триггера подключен к первому входу второго элемента совпадения, инверсный выход триггера подключен к входу управления решающего устройства и к первому входу третьего элемента совпадения, второй вход которого подключен к сигнальному выходу решающего устройства, третий вход третьего элемента совпадения подключен к выходу первого одновибратора, выход второго формирователя подключен к второму входу второго элемента совпадения и к первому входу первого элемента совпадения, и при этом также выход генератора подключен к третьему входу второго элемента совпадения и через делитель частоты к тактовому входу регистра сдвига, выходы которого подключены к первым входам оставшихся элементов совпадения, вторые входы которых подключены к выходу второго элемента совпадения, а выходы подключены к счетным входам счетчиков, выходы переполнения которых подключены к различным входам многовходовой схемы ИЛИ, причем информационные выходы счетчиков подключены к информационным входам решающего устройства, а выход третьего элемента совпадения подключен к входам обнуления счетчиков и к второму входу первого элемента совпадения.

Точность контроля в данном устройстве ограничена величиной дискретного интервала задержки сигнала, равной периоду Т повторения импульсов на тактовом входе регистра сдвига. В зависимости от фазы этих импульсов относительно входных сигналов, значение которой неизвестно, погрешность оценки сдвига сигналов достигает величины ±Т/2. Следовательно, повышение точности в прототипе невозможно без уменьшения длительности периода тактовых импульсов и соответствующего увеличения числа измерительных счетчиков. Другим недостатком устройства является то, что результат измерения может быть ошибочным, когда измерение прекращается не по сигналу переполнения одного из счетчиков, а по сигналу, поступающему с выхода инвертора при отсутствии входных сигналов. В таком усеченном цикле измерения, вследствие недостаточной продолжительности взаимодействия входных сигналов, значение результата может оказаться произвольным, особенно при наличии помех.

Целью изобретения является повышение точности за счет определения фазы тактовых импульсов и продолжительности поступления сигналов.

Цель достигается тем, что в устройство дискретного контроля уровня кусковых материалов в подземных емкостях, содержащее два датчика сейсмических колебаний, связанных механически через тело горного массива с емкостью, подключенных к измерительному блоку и расположенных на разном расстоянии от подземной емкости, измерительный блок, состоящий из первого и второго формирователей импульсов, входы которых подключены через первый и второй входы измерительного блока к первому и второму датчикам сейсмических колебаний, первого и второго одновибратора, двухвходового инвертора, генератора тактовых импульсов, делителя частоты, регистра сдвига, элементов совпадения, число которых на три больше числа дискретных контролируемых уровней, счетчиков, число которых равно числу дискретных контролируемых уровней, многовходовой схемы ИЛИ, решающего устройства и триггера, причем выходы первого и второго формирователей импульсов подключены к входам запуска первого и второго одновибраторов, выходы которых подключены к входам инвертора, выход многовходовой схемы ИЛИ подключен к входу обнуления триггера, вход установки которого подключен к выходу первого элемента совпадения, неинверсный выход триггера подключен к первому входу второго элемента совпадения, инверсный выход триггера подключен к входу управления решающего устройства, связанного сигнальным выходом с первым входом третьего элемента совпадения, второй вход которого подключен к выходу первого одновибратора, выход второго формирователя подключен к второму входу второго элемента совпадения и к первому входу первого элемента совпадения, и при этом также выход генератора подключен к третьему входу второго элемента совпадения и через делитель частоты к тактовому входу регистра сдвига, выходы которого подключены к первым входам оставшихся элементов совпадения, вторые входы которых подключены к выходу второго элемента совпадения, а выходы связаны со счетчиками импульсов, выходы переполнения которых подключены к различным входам многовходовой схемы ИЛИ, ин информационные выходы подключены к информационному входу решающего устройства, а выход третьего элемента совпадения подключен к входам обнуления счетчиков и к второму входу первого элемента совпадения, введены блок фазовой коррекции, переключатель режимов измерения, двухвходовые схемы ИЛИ, число которых равно числу счетчиков, и четвертый элемент совпадения, первый, второй и третий входы которого подключены к выходу инвертора, неинверсному выходу триггера и выходу генератора импульсов соответственно, выход четвертого элемента совпадения соединен с входами схем ИЛИ, выходы которых подключены к счетным входам счетчиков, сигнальный вход, первый и второй тактовые входы блока фазовой коррекции подключены соответственно к выходу первого формирователя импульсов, входу и выходу делителя частоты, выход блока фазовой коррекции соединен с информационным входом регистра сдвига через переключатель режимов измерения, который связан другим входом с выходом первого формирователя импульсов, второй информационный вход решающего устройства подключен к выходу второго элемента совпадения, а вход синхронизации соединен с выходом генератора импульсов. При этом блок фазовой коррекции выполнен в виде распределителя импульсов, схемы ИЛИ и элемента совпадения, первый и второй входы которого являются соответственно сигнальным и первым тактовым входами блока фазовой коррекции, выход элемента совпадения подключен к счетному входу распределителя импульсов, вход обнуления которого является вторым тактовым входом блока фазовой коррекции, выходы старших разрядов распределителя импульсов подключены к схеме ИЛИ, выход которой является выходом блока фазовой коррекции, причем число старших разрядов распределителя импульсов равно К/2+1, где К отношение частот импульсов на его тактовых входах. Кроме того, решающее устройство выполнено в виде блока запоминания и обработки результатов, счетчика импульсов, первого, второго и третьего элементов совпадения, первого и второго инверторов, первой и второй схем ИЛИ и распределителя импульсов, при этом информационный вход блока запоминания и обработки результатов, счетный вход счетчика импульсов и объединенные второй вход первого инвертора и второй вход третьего элемента совпадения являются соответственно первым и вторым информационными входами и входом управления решающего устройства, входом синхронизации которого является вход распределителя импульсов, который подключен через вторую схему ИЛИ к объединенным третьему входу третьего и второму входу первого элементов совпадения, первый выход распределителя импульсов подключен через первый инвертор к первому входу первого элемента совпадения, второй выход распределителя импульсов соединен через второй элемент совпадения с блоком запоминания и обработки результатов, второй информационный вход которого подключен к информационным выходам счетчика импульсов, третий выход распределителя импульсов соединен с входом обнуления счетчика импульсов, информационные выходы старших разрядов которого подключены через первую схему ИЛИ к второму входу второго элемента совпадения, четвертый выход распределителя импульсов является сигнальным выходом решающего устройства и соединен через второй инвертор и третий элемент совпадения с второй схемой ИЛИ.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 иллюстрация преобразования входного сигнала; на фиг. 3, 4 примеры распределения импульсов при измерении с коррекцией и без коррекции фазы сигнала; на фиг. 5 зависимость погрешности, обусловленной дискретизацией задержки, и разности чисел импульсов, накопленных решающим устройством и одним из счетчиков, от фазы тактовых импульсов.

Устройство контроля уровня содержит датчики 1 и 2 сейсмических колебаний, подключенные к ним формирователи 3 и 4 импульсов, выполненные, например, в виде соединенных последовательно усилителей и триггеров Шмитта, одновибраторы 5 и 6, подключенные входами к формирователям 3 и 4, а выходами к входам двухвходового инвертора 7, генератор 8 импульсов, связанные с генератором 8 блок 9 фазовой коррекции, делитель 10 частоты, элементы 11 и 12 совпадения, переключатель 13 режимов измерения, подключенный входами к выходам формирователя 3 и блока 9, состоящего из элемента 14 совпадения, который соединен входами через сигнальный вход блока 9 с выходом формирователя 3 и через первый тактовый вход с генератором 8, распределителя 15 импульсов и схемы ИЛИ 16, причем распределитель 15 соединен счетным входом с элементом 14 совпадения, входом обнуления через второй тактовый вход блока 9 с выходом делителя 10, а выходами старших разрядов через схему ИЛИ 16 с выходом блока 9, регистр 17 сдвига, подключенный информационным входом к переключателю 13, тактовым входом к делителю 10 частоты, а выходами к первым входам элементов 18 совпадения, схемы ИЛИ 19, связанные первыми и вторыми входами с выходами элементов совпадения 18 и 11 соответственно, счетчики 20 импульсов, элементы 21 и 22 совпадения, решающее устройство 23, подключенное первым и вторым информационными входами к информационным выходам счетчиков 20 и выходу элемента 12 совпадения, а входом синхронизации к генератору 8, схему ИЛИ 24, связанную входами с выходами переполнения счетчиков 20, подключенных счетными входами и входами обнуления соответственно к выходам схем ИЛИ 19 и элемента совпадения 21, и триггер 25, выход установки которого соединен через элемент 22 совпадения с выходом элемента 21 совпадения, вход обнуления с выходом схемы ИЛИ 24, неинверсный выход с входами элементов 11 и 12 совпадения, инверсный выход с входом управления решающего устройства 23, подключенного сигнальным выходом к входу элемента 21 совпадения, который связан другим входом с выходом одновибратора 5, выход формирователя 4 соединен с входами элементов 12 и 22 совпадения, а выход инвертора 7 с входом элемента 11 совпадения. Решающее устройство 23 содержит счетчик 26, подключенный счетным входом к второму информационному входу устройства 23, схему ИЛИ 27, элемент 28 совпадения, блок 29 запоминания и обработки результатов, первый информационный вход которого является первым информационным входом устройства 23, а второй связан с информационными выходами счетчика 26, из которых выходы старших разрядов подключены через схему ИЛИ 27 и элемент 28 совпадения к входу управления блока 29, распределитель 30 импульсов, четвертый выход которого является сигнальным выходом устройства 23 и подключен через инвертор 31 к входу элемента 32 совпадения, третий выход подключен к входу обнуления счетчика 26, второй выход к входу элемента 28 совпадения, первый выход через двухвходовый инвертор 33 к входу элемента 34 совпадения, входом управления устройства 23 являются объединенные вторые входы элемента 32 совпадения и инвертора 33, а вход синхронизации соединен через элементы 32, 34 совпадения и схему ИЛИ 35 с входом распределителя 30.

Устройство работает следующим образом.

При загрузке материала в подземную емкость возникают удары его отдельных кусков и порций о поверхность накопленного материала. Эти удары вызывают сейсмические колебания, которые распространяются в горном массиве, окружающем емкость, и возбуждают в датчиках 1 и 2 электрические сигналы. В приближенном к емкости датчике 1 сигналы появляются раньше, чем в отдаленном датчике 2. Величина взаимного сдвига сигналов во времени, определяемая разностью хода сейсмических лучей через тело горного массива от точки падения (удара) материала до датчиков 1 и 2, функционально связана с высотой контролируемого уровня материала.

Поскольку источник сейсмических колебаний является общим для обоих датчиков, то возникающие в них сигналы по своей структуре идентичны, хотя и могут искажаться помехами от разных источников. Полезные сигналы и помехи между собой не связаны, тогда как полезные сигналы физически взаимосвязаны между собой величиной запаздывания Θ сигнала отдаленного датчика 2 относительно сигнала ближнего датчика 1. Благодаря этой взаимосвязи устройством измеряется величина временного сдвига Θ сигналов путем совместной обработки сигналов, поступающих от датчиков 1 и 2 в виде смеси с помехами. Однако при преобразовании и цифровой обработке сигналов возникают погрешности, зависящие от длительности периода и фазы тактовых импульсов. Первая из них это начальное смещение опережающего сдвига, определяемое средней разностью фаз между тактовыми и информационными импульсами, а вторая это разность между дискретной оценкой и действительным значением измеряемого сдвига, зависящая от фазы тактовых импульсов относительно запаздывающего сигнала.

Сигналы от датчиков 1 и 2 поступают на формирователи 3 и 4, где усиливаются и преобразуются с помощью триггера Шмитта в последовательности прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой, соответствующей уровню логической единицы. С выхода формирователи 3 сигналы поступают на вход одновибратора 5, переключатель 13 и через сигнальный вход блока 9 фазовой коррекции на первый вход элемента 14 совпадения, на второй вход которого от генератора 8 через первый тактовый вход блока 9 подаются импульсы дополнительной дискретизации сигнала по времени. Если сигнал на первом входе элемента 14 совпадения имеет единичное значение, то импульсы поступают через него на счетный вход распределителя 15. Одновременно с этим импульсы с периодом Т_о от генератора 8 подаются на делитель 10 частоты, формирующий тактовые импульсы с периодом Т КТ_о, длительность которых примерно в полтора раза больше, чем на входе делителя (К коэффициент деления частоты). С выхода делителя 10 импульсы поступают на тактовый вход регистра 17, где обеспечивают сдвиг сигнала своим положительным перепадом, и через второй тактовый вход блока 9 на вход обнуления распределителя 15, устанавливая его в исходное состояние своим отрицательным перепадом. В результате максимальное число импульсов, которое может поступать на распределитель 15 за период Т, не превышает значения коэффициента К. С выходов распределителя 15 сигналы поступают через схему ИЛИ 16, выход блока 9 и переключатель 13 на информационный вход регистра 17. Поскольку на схеме ИЛИ 16 объединены выходы только старших разрядов распределителя 15, число которых равно K/2+1, единичный сигнал на выходе этой схемы появится только в том случае, когда число импульсов, поступивших на счетный вход распределителя 15 за период Т, будет не меньше половины числа импульсов, поступивших за это же время на вход делителя 10.

В зависимости от установленного посредством переключателя 13 режима измерения сигнал на информационный вход регистра 17 поступает с выхода формирователя 3 либо непосредственно, либо через блок 9 фазовой коррекции. На регистре 17 осуществляется преобразование сигнала в цифровой код и его задержка на дискретные интервалы времени, равные периоду Т. По мере продвижения по регистру 17 элементы кода в виде сигналов с уровнями логических нулей и единиц последовательно появляются на время Т на выходах регистра, откуда поступают на первые входы элементов совпадения 18. На их вторые входы одновременно подаются сигналы от формирователя 4 через элемент 12 совпадения, на котором осуществляется их дополнительная дискретизация по времени с периодом Т_опри наличии на третьем входе единичного сигнала, поступающего с неинверсного выхода триггера 25. В результате на выходах элементов 18 совпадения появляются серии импульсов, которые поступают через схемы ИЛИ 19 на счетные входы счетчика 20. Число импульсов в сериях пропорционально времени совместного присутствия на элементах 18 совпадения сигнала, поступающего от датчика 2 в виде импульсной последовательности, которая формируется на элементе 12 совпадения, и сигнала от датчика 1, задержанного регистром 17. Наиболее интенсивно импульсы поступают на тот счетчик, номер которого совпадает с числом интервалов задержки на регистре 17 опережающего сигнала от датчика 1 до момента его совпадения с сигналом от датчика 2. Этот счетчик накопит за время измерения наибольшее число импульсов и переполнится раньше остальных счетчиков 20. Суммарное число импульсов, характеризующее продолжительность взаимодействия на элементах 18 совпадения обоих сигналов, подсчитывается счетчиком 26.

Подготовка цикла измерения начинается с момента появления на выходе формирователя 3 единичного сигнала, поступающего на вход одновибратора 5. Одновибраторы 5 и 6 при их запуске сигналами от формирователей 3 и 4 вырабатывают единичные выходные сигналы (импульсы), длительность которых задается не менее, чем удвоенная величина максимального времени свободного падения материала в подземную емкость. С выхода одновибратора 5 сигнал подается на второй вход элемента 21 совпадения. Если при этом и на первом входе имеется единичный сигнал, поступающий с сигнального выхода решающего устройства 23, то на выходе элемента 21 совпадения появляется единичный сигнал, который поступает на вход обнуления счетчиков 20, устанавливая их в исходное состояние, и на вход элемента 22 совпадения. Запаздывающий единичный сигнал с выхода формирователя 4 подается на вход элемента 12 совпадения и через открытый элемент 22 совпадения на вход установки триггера 25. Последний переключается в состояние, при котором на его неинверсионном выходе появляется единичный сигнал, поступающий на входы элементов 11 и 12 совпадения, а на инверсном выходе нулевой сигнал. С этого момента начинается процесс измерения, который продолжается до момента переполнения одного из счетчиков 20.

При наличии единичного сигнала на выходе хотя бы одного из одновибраторов 5 и 6 сигнал на выходе инвертора 7 имеет нулевое значение. По прекращении поступления на входы инвертора 7 единичных сигналов от обоих одновибраторов на его выходе появляется единичный сигнал, поступающий на первый вход элемента 11 совпадения. Если при этом сигнал на его втором входе от триггера 25 также имеет единичное значение, то на все счетчики 20 до момента переполнения одного из них одновременно поступит серия импульсов от генератора 8 через открытый элемент совпадения 11 и схемы ИЛИ 19. Число этих импульсов учитывается вспомогательным счетчиком, подключенным к выходу элемента совпадения 11 (на чертеже не показано).

Сигналом переполнения одного из счетчиков 20, поступающим через схему ИЛИ 24, триггер 25 переключается в состояние, при котором единичный сигнал на его неинверсном выходе сменяется нулевым, а на инверсном наоборот. В результате поступление импульсов на счетчики через элементы 11, 12 совпадения прекращается. Единичный сигнал с инверсного выхода триггера 25 подается на вход управления решающего устройства 23, где осуществляются накопление и обработка результатов измерения.

В исходном состоянии решающего устройства 23 на первом выходе распределителя 30 импульсов присутствует единичный сигнал, а на его остальных выходах нулевые. На первый вход элемента 32 совпадения поступает единичный сигнал с выхода инвертора 31. Когда на его втором входе появляется единичный сигнал, поступающий с входа управления устройства 23, через элемент 32 и схему ИЛИ 35 на вход распределителя 30 начинают поступать импульсы с входа синхронизации. С поступлением первого импульса единичный сигнал возникает на втором входе распределителя 30. При этом, если число импульсов, поступивших на счетчик 26 за время данного цикла измерения, больше заданного порога, то сигнал на выходе схемы или 27 имеет единичное значение. В этом случае единичный сигнал с второго выхода распределителя 30 поступает через открытый элемент 28 совпадения на вход управления блока 29 запоминания и обработки, в котором записываются данные, поступающие через первый информационный вход устройства 23 от счетчиков 20 и с информационных выходов счетчика 26. Если число импульсов, зафиксированных счетчиком 26, не превышает порогового значения, то со схемы ИЛИ 27 на вход элемента 28 совпадения поступает нулевой сигнал и результат данного цикла измерения в блоке 29 не записывается.

Вторым импульсом распределитель 30 переключается в состояние, при котором единичный сигнал возникает только на третьем выходе, откуда он поступает на вход обнуления счетчика 26, устанавливая его в исходное состояние. Третий импульс вызывает появление единичного сигнала только на четвертом выходе распределителя 30, с которого он подается через сигнальный выход устройства 23 на первый вход элемента 2 совпадения и через инвертор 31 на первый вход элемента 32 совпадения, благодаря чему прохождение через этот элемент импульсов синхронизации прекращается. При наличии на входах элементов 21 и 22 совпадения единичных сигналов с выхода одновибратора 5 и формирователя 4, или по мере поступления этих сигналов выходной сигнал устройства 23 через элемент 21 совпадения устанавливает счетчики 20 в исходное состояние и, кроме того, через элемент совпадения 22 переключает триггер 25 в состояние, при котором единичный сигнал на его инверсном выходе сменяется нулевым. При наличии нулевых сигналов на обоих входах инвертора 33 на его выходе появляется единичный сигнал, открывающий элемент 34 совпадения. Через открытый элемент 34 совпадения и схему ИЛИ 35 с входа синхронизации устройства 23 проходит четвертый импульс, возвращающий распределитель 30 в исходное состояние, при котором единичный сигнал на сигнальном выходе устройства 23 исчезает и появляется на первом выходе распределителя 30, закрывая элемент 34 совпадения через инвертор 33. На этом заканчиваются считывание со счетчиков 20 и 26 результата измерения и подготовка устройства к очередному циклу.

Если через переключатель 13 на вход регистра 17 сигнал подается с выхода блока 9 фазовой коррекции, то значение результата будет практически несмещенным. Это обеспечивается благодаря симметрии (относительно нулевого значения) разности фаз между информационными импульсами, поступающими в случайные моменты времени с выхода формирователя 3, и тактовыми импульсами, поступающими с периодом Т на вход синхронизации регистра 17. При подаче сигнала на вход регистра 17 через переключатель 13 непосредственно с выхода формирователя 3 значение результата измерения смещено на величину -Т/2. Использование несмещенного и смещенного значений результата при одном и том же действительном значении высоты контролируемого уровня вдвое сокращает пределы систематической составляющей погрешности, обусловленной дискретностью интервалов задержки.

Процесс преобразования входного сигнала от датчика 1 в цифровой код, элементы которого запоминаются и задерживаются в регистре 17 на интервалы времени, равные периоду Т, иллюстрируется примером на фиг. 2, где представлены: а) фрагмент сигнала на входе формирователя 3; б) то же, но на выходе формирователя 3; в) импульсы с периодом Т_о, поступающие от генератора 8; г) импульсы с периодом Т КТ_о 8Т_о, поступающие с выхода делителя 10, а также импульсы, которые поступают за период Т на счетный вход распределителя 15; д) код сигнала, формируемый регистром 17 в режиме измерения с фазовой коррекцией сигнала (в режиме 1); е) то же, но в режиме измерения без фазовой коррекции (в режиме 2).

Из примера видно, что при режиме 1 значения погрешности ΔТ преобразования сигнала в код (ΔТ₁ и ΔТ₂ на фиг. 2д) находятся в пределах от -T/2 до +T/2, а при режиме 2 (ΔТ₃ и ΔТ₄ на фиг. 2е) в пределах от нуля до Т. Смещение пределов величины ΔТ приводит к дополнительной задержке сигнала, что, в свою очередь, уменьшает значение результата Θ*, т.е. смещает его на величину систематической погрешности ΔΘ_с. Математическое ожидание величины ΔΘ_с в режиме 1 равно нулю, а в режиме 2 -T/2 (фиг. 5) при среднем квадратическом отклонении, равном в обоих режимах T/2. В результате при одном и том же значении высоты Z контролируемого уровня материала наибольшее число импульсов накапливает в процессе измерения либо j-й счетчик при обоих режимах измерения, либо j-й счетчик при режиме 1 и (j-1)-й счетчик при режиме 2.

Результат Θ* измерения величины взаимного сдвига сигналов, выраженный через число j дискpетных интервалов Т задержки сигнала регистром 17 (одновременно j это номер счетчика 20 с наибольшим числом накопленных импульсов), а также пределы, в которых находятся действительное значение Θ_о сдвига сигналов и погрешность ΔΘ= Θ* -Θ_о, составляют: а) при режиме измерения 1 Θ* ₍₁₎ jT, (j 1/2)T <Θ_o < (j + 1/2)T, 1/2T < ΔΘ< + 1/2T; (1) б) при режиме 2 (с учетом поправки на ΔΘ_с Т/2) Θ* ₍₂₎ (j + 1/2)T, jT <Θ_o < (j + 1)T, -1/2T < ΔΘ< + 1/2T; (2) в) при использовании результатов, полученных при режимах измерения 1 и 2; если наибольшее число импульсов набирает j-й счетчик в обоих режимах, то Θ* ₍₃₎ 1/2 [Θ*₍₁₎ + Θ*₍₂₎] (j + 1/4)T, jT <Θ_o < (j + 1/2)T,
1/4T <ΔΘ<+ 1/4T; (3)
если наибольшее число импульсов накапливает j-й счетчик в режиме 1 и (j-1)-й счетчик в режиме 2, то
Θ*₍₄₎ 1/2 [Θ*₍₁₎ + Θ*₍₂₎] (j 1/4)T, (j 1/2)T <Θ_o < jT,
1/4T <ΔΘ<+ 1/4T. (4)
Изложенное поясняется примерами распределения импульсов по счетчикам 20 в режимах измерения 1 и 2 при периоде Т 1 мс, действительных значениях временного сдвига Θ_о 8,20 мс для высоты уровня Z_o 34,5 м (фиг. 3), Θ_о 8,65 мс для Z_o 31,4 м (фиг. 4). В первом примере (фиг. 3) наибольшее число импульсов за время измерения накапливает счетчик ≈8 при обоих режимах, а во втором (фиг. 4) счетчик N 9 при режиме 1 и счетчик N 8 при режиме 2. Полученные из выражений (1) (4) оценки Θ* сдвига сигналов, Z* высоты контролируемого уровня, а также значения ΔΘ_д Θ* -Θ_o и Z_д Z* Z_o действительной погрешности приведены в табл. 1 и 2.

Подсчитываемое счетчиком 26 общее число n_o импульсов, поступающих с элемента 12 совпадения, характеризует продолжительность взаимодействия сигналов от датчиков 1 и 2, а разность Δn n_o n_м дает информацию о фазе тактовых импульсов и значении погрешности результата данного цикла измерения (n_м максимальное число импульсов, накопленное одним из счетчиков 20). При недостаточной продолжительности поступления входных сигналов результат измерения автоматически бракуется как недостоверный. По значению разности Δn определяется поправка, вводимая в полученный результат с целью исключения погрешности, зависящей от фазы тактовых импульсов на входе синхронизации регистра 17 относительно момента совпадения сигнала второго датчика с одноименным сигналом первого датчика, задержанным в регистре сдвига. Наибольшее число n_м импульсов из общего числа n_o, при прочих равных условиях, j-й счетчик 20 набирает в тех случаях, когда _→ 0 т.е. когда момент совпадения входных сигналов расположен симметрично по отношению к ближайшим моментам прихода тактовых импульсов (при этом из-за фазовых погрешностей ΔТ всегда n_м < n_o с учетом исключения числа импульсов, поступающих на счетчики 20 через элемент 11 совпадения и схемы ИЛИ 19). В итоге разность Δn стремится к своему нижнему пределу Δn_мин. Наименьшее число n_м импульсов поступает на j-й счетчик и, соответственно, Δn стремится к своему верхнему пределу Δn_макс в случаях, когда _→ T/2, т.е. когда совпадение входных сигналов наступает в момент прихода очередного тактового импульса. Значения пределов Δn_мин и Δn_макс зависят от длительности периода Т и коэффициента К деления частоты.

Определение числа импульсов n_o, n_м и разности Δn позволяет оценить значение погрешности дискретизации ΔΘ=Θ* -Θ_o и исправить результат измерения путем введения в него соответствующей поправки. Значение ΔΘ оценивается либо на основе функциональной зависимости ΔΘ=ϕ(n_o, n_м), либо путем сравнения фактической разности Δn с ее предельными Δn_мин, Δn_макс и промежуточными Δn_п значениями, например, исходя из условий:
если (5)
когда о (6)
Взаимосвязь величин ΔΘ/Т и Δn поясняется графиками, приведенными на фиг. 5, где они показаны на двух интервалах задержки Т в пределах сдвига Θ= 7,8 10,2 мс при изменении действительного значения сдвига Θ_о через 0,1 Т, периоде тактовых импульсов Т 1 мс, коэффициенте деления К Т/Т_о 8, режимах измерения 1 (фиг. 5а) и 2 (фиг. 5б). Величина ΔΘ/Т для режима 2 (фиг. 5б) показана как в исходных пределах от 0 до -1, так и с учетом исправленных значений результата на величину ΔΘ_с/Т, т.е. в пределах от -0,5 до +0,5. При обоих режимах минимум значений Δn находится в той части периода Т, где погрешностьΔΘ| меньше некоторого промежуточного (между 0 и Т/2) значенияΔΘ_п| а максимум Δn в области, гдеΔΘ_п|≲|ΔΘ|≲T/2. Величине ΔΘ_п соответствует определенное промежуточное значение Δn_п разности Δn. В приведенном примере значение величины Δn_п принято приблизительно равным Δn_п≈1/2 (Δn_мин +Δn_макс). Для режима 1 Δn_п1≈35, для режима 2Δn_п2≈45. Эти значения Δn_п в примере соответствуют промежуточному значению погрешности ΔΘ_п≈0,3 Т. Участки задержки Θ, где 0≅|ΔΘ|<<|ΔΘ_п|≈0,3 Т, на фиг. 5 заштрихованы.

В условиях приведенного выше примера (фиг. 3) при действительном сдвиге сигналов Θ_о 8,20 мс значения разностей Δn₁ 33≈Δn_п1, Δn₂ 36 <Δnп₂. Это значит, что при режиме 1 значение погрешности результата Θ*₍₁₎ 8,0 мс по условиям (5) составляетΔΘ|≈ΔΘ_п≈0,3 мс, а при режиме 2 значение погрешности результата Θ*₍₂₎ 8,5 мс по условиям (6) находится в пределах 0 <|ΔΘ|<<ΔΘ≈0,3 мс. Кроме того, учитывая, что согласно (3) jT <Θ_o < (j + 1/2)T, т.е. 8,0 <Θ_о < 8,5 мс, оценка Θ*₍₃₎ 1/2[(8,0 + +0,3) + (8,5-0,3)]8,25±0,05 мс, а оценка Z* 34,2±0,3 м. При действительном сдвиге сигналов Θ_о 8,65 мс (фиг. 4) значения разностей Δn₁ 36≈Δn_п1, Δn₂ 33≈Δn_мин. Следовательно, при режимах 1 и 2 значения погрешностей ΔΘ результатов Θ *₍₁₎ 9,0 мс и Θ *₍₂₎ 8,5 мс по условиям (5) приблизительно равны ΔΘ≈0,3 мс и нулю соответственно. Учитывая, что согласно выражению (4) (j 1/2)T < <Θ_o < jT, т.е. 8,5 < Θ_о < 9,0 мс, оценка Θ*₍₄₎ 1/2[(9,0 0,3) + (8,5 + 0)] 8,6±0,1 мс, ΔΘ_д -0,05 мс, а оценка Z* 31,75±0,67 м, ΔZ_д 0,35 м. Пределы погрешности результата в обоих примерах сократились более чем в два раза по сравнению с указанными в табл. 1 и 2.

При некоторых условиях погрешностьΔΘ| может превысить величину Т/2, т.е. значение результата может иметь грубую погрешность измерения. ЕслиΔΘ|> T/2, то значение разности Δn будет больше своего верхнего предела Δn_макс, характерного для данного режима и условий применения устройства. Признак Δn > Δn_макс может быть использован для браковки результата измерения при его обработке в блоке 29.

В случаях, когда вследствие недостаточной продолжительности входных сигналов общее число n_o импульсов меньше установленного порога, результат измерения блоком 29 не запоминается (как недостоверный), поскольку элемент 28 совпадения окажется закрытым нулевым сигналом с выхода схема или 27. Указанный порог устанавливается путем соответствующего подключения входов схемы ИЛИ 27 к информационным выходам счетчика 26.

Повышение точности обеспечивается благодаря измерениям при разном начальном смещении задерживаемого сигнала и оценке погрешности результата по величине разности чисел импульсов, накапливаемых за цикл измерения решающим устройством и одним из основных счетчиков. В итоге максимальное значение погрешности дискретности в четыре и более раза меньше по сравнению с прототипом при одном и том же количестве основных измерительных счетчиков.

Формула изобретения

1. Устройство дискретного контроля уровня кусковых материалов в подземных емкостях, содержащее два датчика сейсмических колебаний, расположенных на разном расстоянии от подземной емкости и связанных с ней механически через тело горного массива, измерительный блок, состоящий из первого и второго формирователей импульсов, входы которых подключены через первый и второй входы измерительного блока к первому и второму датчикам сейсмических колебаний, первого и второго одновибратора, двухвходового инвертора, генератора тактовых импульсов, делителя частоты, регистра сдвига, элементов совпадения, число которых на три больше числа дискретных контролируемых уровней, счетчиков, число которых равно числу дискретных контролируемых уровней, многовходового элемента ИЛИ, решающего устройства и триггера, причем выход первого формирователя подключен к информационному входу регистра сдвига и входу запуска первого одновибратора, выход которого подключен к первому входу инвертора, выход второго формирователя подключен к входу запуска второго одновибратора, выход которого подключен через инвертор к первому входу многовходового элемента ИЛИ, выход которого подключен к входу обнуления триггера, вход установки которого подключен к выходу первого элемента совпадения, неинверсный выход триггера подключен к первому входу второго элемента совпадения, инверсный выход триггера подключен к входу управления решающего устройства и первому входу третьего элемента совпадений, второй вход которого подключен к сигнальному выходу решающего устройства, третий вход третьего элемента совпадения подключен к выходу первого одновибратора, выход второго формирователя подключен к второму входу второго элемента совпадения и первому входу первого элемента совпадения, при этом выход генератора подключен к третьему входу второго элемента совпадений и через делитель частоты к тактовому входу регистра сдвига, выходы которого подключены к первым входам оставшихся элементов совпадений, вторые входы которых подключены к выходу второго элемента совпадений, а выходы подключены к счетным входам счетчиков, выходы переполнения которых подключены к различным входам многовходового элемента ИЛИ, причем информационные выходы счетчиков подключены к информационным входам решающего устройства, а выход третьего элемента совпадений подключен к входам обнуления счетчиков и второму входу первого элемента совпадений, отличающееся тем, что в него введены блок фазовой коррекции, переключатель режимов измерения, двухвходовые схемы ИЛИ, число которых равно числу счетчиков, и четвертый элемент совпадений, первый, второй и третий входы которого подключены к выходу инвертора, неинверсному выходу триггера и выходу генератора импульсов соответственно, выход четвертого элемента совпадения соединен с входами схем ИЛИ, выходы которых подключены к счетным входам счетчиков, сигнальный вход, первый и второй тактовые входы блока фазовой коррекции подключены соответственно к выходу первого формирователя импульсов, входу и выходу делителя частоты, выход блока фазовой коррекции соединен с информационным входом регистра сдвига через переключатель режимов измерения, который связан другим входом с выходом первого формирователя импульсов, второй информационный вход решающего устройства подключен к выходу второго элемента совпадения, а вход синхронизации соединен с выходом генератора импульсов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок фазовой коррекции выполнен в виде распределителя импульсов, схемы ИЛИ и элемента совпадения, первый и второй входы которого являются соответственно сигнальным и первым тактовым входами блока фазовой коррекции, выход элемента совпадения подключен к счетному входу распределителя импульсов, вход обнуления которого является вторым тактовым входом блока фазовой коррекции, выходы старших разрядов распределителя импульсов подключены к схеме ИЛИ, выход которой является выходом блока фазовой коррекции, причем число старших разрядов распределителя импульсов равно K/2 + 1, где K отношение частот импульсов на его тактовых входах.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что решающее устройство выполнено в виде блока запоминания и обработки результатов, счетчика импульсов, первого, второго и третьего элементов совпадения, первого и второго инверторов, первой и второй схем ИЛИ и распределителя импульсов, при этом информационный вход блока запоминания и обработки результатов, счетный вход счетчика импульсов и объединенные второй вход первого инвертора и второй вход третьего элемента совпадения являются соответственно первым и вторым информационными входами и входом управления решающего устройства, входом синхронизации которого является вход распределителя импульсов, который подключен через вторую схему ИЛИ к объединенным третьему входу третьего и второму входу первого элементов совпадения, первый выход распределителя импульсов подключен через первый инвертор к первому входу первого элемента совпадения, второй выход распределителя импульсов соединен через второй элемент совпадения с блоком запоминания и обработки результатов, второй информационный вход которого подключен к информационным выходам счетчика импульсов, третий выход распределителя импульсов соединен с входом обнуления счетчика импульсов, информационные выходы старших разрядов которого подключены через первую схему ИЛИ к второму входу второго элемента совпадения, четвертый выход распределителя импульсов является сианальным выходом решающего устройства и соединен через второй инвертор и третий элемент совпадения с второй схемой ИЛИ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6