Ультразвуковой уровнемер

ООЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКЕСПУБЛИК 1767354 А 1 19) (1 1 Р 23 1)5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ СВИДЕТЕЛЬСТВ К АВТОРСК кинг-генератора 2, дополнит тель 3, дополнительный пр усилителя 5, 9, формирующи делителя 7, 14, 17 частоты, г пульсов, два триггера 10, 15, чающую головку 11, форм импульсов задержки, два бло жки, две схемы И 16, 18, счет сов, генератор 20 калибров 6-2-3-4-5-12-13-14-15-16-17-1 21-10-18, 8-9-10, 7-15, 8-11, 1 16. 2 ил. л, %37политехнический инст ев и В.В.Г видетельс 01 Е 23/2 видетельс 06 В 1/06 УКОВОЙ У зобретен изатор 1,(21) 4874674/10 (22) 15,10.90 (46) 07,10.92. Бю (71) Алтайский им. И.И,Позуно (72) Н,П.Воробь (56) Авторское с М 564538, кл. 0Авторское с М 267389, кл, В (54) УЛЬТРАЗВ (57) Сущность и держитсинхрон ребенюктво СССР8, 1976.тво СССР, 1968,РОВНЕМЕРия; уровнемер сосостоя щий из блоельный излучаиемник 4, два й каскад 6, три енератор 8 им- приемно-излуирователь 11 ка 13,21 задерчик 19 импульочной частоты,8-19, 5-6-7-8- 1-8, 20-19, 201767354 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 3Изобретение 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 вкой срабатывания,приемно-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 электрон ной схеме. Переменная составляющая задержкиобусловлена 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 связями5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 с остальными элементами схемы. Таким образом, заявляемое 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, проходятусилитель 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 Та 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 составляющих.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 6. В каждом периоде рециркуляции импульсы с выхода усилителя 5 одновременно поступают на блоки б 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 б 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 э которых равна времени распространения ультразвука в акустической среде эталонного канала (синхронизатораа).С выхода триггера 15 импул ьсы поступают на первый вход схемы И 16, управляяпрохождением 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 Кд 1, Число йэ 5 импульсов с длительностью Кд 1 Тэ (увеличенный в Кд 1 эталонный интервал) и периодом Кд Тэ, поступивших с выхода триггера 15 на вход схемы И 16 в течение измерительного интервала времени, определится из ус ловия;йэ Кд 1: Тэ = Кд То, (1) откуда(2)15Генератор 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 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 отношению 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 КдТэ автоциркуляции и длительностью Т40С выхода триггера 10 импульсы поступают на третий вход схемы И 17, управляя прохождением высокочастотных импульсов с второго выхода генератора 20 на вход счетчика 19, 45Общее число Кх высокочастотных импульсов, заполняющих Кэ эталонных интервалов времени, длительностью Т, каждый в течение измерительного интервала Иэ Кд 1 Тэ с учетом выражения (2) равно50 Тк Т Кд Го Кд " (3)) 1х -- эТ ТКд 1 Тэ Кд 1 ТэПринимая во внимание, что время рас пространения импульсов в эталонной и контролируемой среде равно1 1 зСэСк(7)На фиг.2 приведены временные диаграммы работы устройства, причем диаграммы А,В,С,О 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 Кд 1 деления частоты,Условие для выбора коэффициента КД 1 имеет вид,Т- , Кд 1ТэТаким 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 1 э 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 Сэ10 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. н ц) (уу/у( ,/1 /(л ПИ 44 Г. 2орг Корректор М,Петрова СоставителТехред М.М Воробьеентал едакт Заказ 3542 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 1 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, в него 5 введены последовательно соединенныеформирователь 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 тре тий вход второй схемы И подключен к выходу первого триггера.