Ультразвуковой способ измерения уровня и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 78540 1)5 6 01 Е 23/2 1 Й КОМИТЕТЯМ И ОТКРЫТИЯМ ГОСУДАРСТВЕ ПО ИЗОБРЕТЕ ПРИ ГКНТ ССС ОПИСАН ИЗОБРЕ МУ СВИДЕТЕЛЬС К АВТО ирского полн и Е,П.Т теСССР81. ОБ ИЗМЕ ВО ДЛЯ Е ния условия т 1/т 2 ( и + -ГО 12 - границы диапазона1 з.п. ф-лы. 3 ил,Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении уровня. материалов.с неровной наружной поверхностью, например, круглых лесоматериалов, руды. щепы и т.д.Известен способ измерения неровной водной поверхности и устройство для его осуществления.Уровень неровной водной поверхности в данном способе определяется в результате сравнения реальной и смодулированной поверхности, Для этой цели устройство для осуществления способа снабжено приемо- излучающим преобразователем, генератором модулированных колебаний, усилителем, измерителем временных интервалов и регистратором..Данный способ и устройство для его осуществления могут быть использованы для измерения уровня жидкостей насыщенных взвесями или газовыми пузырьками с типовой (волновой) неровной поверхностью. Если неровная поверхность стохастическая, то при измерении уровня будут наблюдаться значительные погрешности,(21) 4884078/10(71) Ковровский филиал Владимитехнического института(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСНИЯ УРОВНЯ И УСТРОЙСТОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Сущность изобретения: устройство содержит электроакустический преобразователь, генератор зондирующих импульсов, усилитель, генератор качающейся частоты, генератор пилообразного напряжения, измеритель временных интервалов, анализатор временных интервалов, индикатор. Импульсы вырабатывают с обеспечением выполне 2 )/( и + 4 ), гДе 11 и 1 3частот; п - число волн,так как при этом невозможно точное модулирование реальной поверхности и поэтому невозможна точная регулировка верхнего и нижнего порогов срабатывания амплитудного дискриминатора.Наиболее близким по технической сущности является ультразвуковой способ измерения уровня путем вырабатывания электрических импульсов, формирования их в направленные акустические ультразвуковые и измерения времени прохождения импульсов до контролируемой поверхности и обратно. Устройство для осуществления способа содержит генератор зондирующих импульсов и усилитель, подключенные к обратимому электроакустическому преобразователю, схему совпадения. зарядно-разрядное устройство, элемент сравнения, два компаратора. генератор и индикаторное устройство,Основным недостатком данного способа и устройства является невысокая точность измерения уровня материалов со значительно неоднородной стохастической наружной поверхностью, 177854010 15 20 25 30 35 40 45 50 Основная погрешность возникает при локации неровностей величиной больше. 1/4 ультразвуковой волны вследствие интерференции отраженных от неровной поверхности воды, приводящей к погашению части полупериодов колебаний принимаемого импульса, а следовательно, к существенному изменению положения переднего фронта отраженного импульса.Целью изобретения является повышение точности измерения.Цель достигается тем, что в известном ультразвуковом способе измерения уровня путем вырабатывания электрических импульсов, формирования их в направленные акустические ультразвуковые и измерения времени прохождения импульсов до контролируемой поверхности и обратно, наполнение зондирующих импульсов осуществляют различной частотой в диапазоне, определяемом из уравнения11 21 г +34фиксируют время прохождения всех импульсов до контролируемой поверхности и обратно, а уровень определяют по наименьшему времени прохождения.Здесь 11, 12 - границы диапазона изменения частоты наполнения зондирующих импульсов;и - число длин А, укладывающееся в разности хода.При этом устройство для осуществления способа, содержащее генераторы зондирующих импульсов и пилообразного напряжения, усилитель, подключенный к обратимому электроакустическому преобразователю, измеритель временных интервалов и индицирующее устройство, снабжено генератором качающей частоты, выход которого соединен с входом электро- акустического преобразователя, а два входа - соответственно с выходами генераторов зондирующих импульсов и пилообразного напряжения, анализатором временных интервалов, вход которого соединен с выходом измерителя, временных интервалов, а выход - с индицирующим устройством, при этом второй вход индицирующего устройства соединен с вторым выходом генератора пилообразного напряжения, а измеритель временных интервалов. первый вход которого подключен к генератору зондирующих импульсов, а второй - к выходу усилителя, выполнен в цифровых элементах.На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа; на фиг,2 - диаграммы его работы; на фиг. 3 - схема локации неровной поверхности,Предложенное устройство содержит . электроакустический преобразователь 1, генератор зондирующих импульсов 2, усилитель 3, генератор качающейся частоты 4, генератор пилообразного напряжения 5, цифровой измеритель временных интервалов б, анализатор временных интервалов 7 и индицирующее устройство 8,Устройство работает следующим образом.Генератор зондирующих импульсов 2 вырабатывает прямоугольные импульсы (эпюра 1, фиг. 2) с частотой повторения,обеспечивающей полное затухание отраженных импульсов к моменту появления следующего зондирующего импульса, Эти импульсы управляют высокочастотной частью генератора 4 качающейся частоты, формируя не его выходе радиоимпульс с переменной частотой наполнения (эпюра 2,фиг. 2). Частотой наполнения радиоимпульса управляет генератор пилообразного напряжения 5, изменяя ее в пределах 19 кГц+10/,Радиоимпульсы преобразуются в ультразвуковые сигналы электроакустическим преобразователем 1. Отраженные от наружной поверхности исследуемого материала акустические волны обратно преобразуются преобразователем 1 в электрические импульсы, которые после усиления и детектирования блоком 3 поступают на из-меритель временных интервалов 6(эпюра 3,фиг. 2),Измеритель временных интервалов измеряет время т между передним фронтом генератора 2 зондирующих импульсов и передним фронтом первого отраженного импульса, то есть время прохождения ультразвукового импульса от электроакустического преобразователя 1 до контролируемой среды и обратноПри локации уровня неровных поверхностей со значительными перепадами по высоте, имеющими стохастический характер, например, круглых лесоматериалов (фиг. 3) пути возврата отраженных импульсов могут быть различными, При этом истинный сигнал,1 по сравнению с ложными 2, 3,4 всегда имеет наименьшее время прохождения ультразвукового импульса от излучателя к контролируемой среде и обратно, то есть является по времени первым отраженным импульсом, который фиксируется измерителем временных интервалов. Однако в апертурный угол Оэлектроакустического преобразователя могут попадать импульсы(сигнал 2 фиг. 3), сдвинутые по фазе на л поЬтношению к волнам истинного луча 1, чтоприводит к растягиванию переднего фронтапервого отраженного импульса или даже кего погашению в результате интерференции,Это соответствует условию22 - 21= А 1 (и+ - ),12(1)где 1 и 12 - текущие расстояния до неровной 10поверхности контролируемой среды в зонеапертурного узла;и - числодлин волнА, укладывающеесяв разности хода,Для снятия интерференционного погашения достаточно изменить частоту наполнения возбуждающего радиоимпульсатаким образом, чтобы сдвиг фазы изменился на л/2, что соответствует условию22 - 21 =ф+ - )3 20(2)Из соотношений (1) и (2) определяетсямаксимально необходимый диапазон изменения частоты наполнения радиоимпульсовна выходе генератора качающейся частоты 4 2512 б 2и+ -4где 11 и 12 - границы диапазона изменения 30частоты наполнения радиоимпульсов,Для получения круглого фронта отраженного импульса по лучу 1 (фиг. 3) достаточно исключить интерференционноепогашение второго положительного полупериода в радиоимпульсе (и = 1), что соответствует, как следует из уравнения (3),изменению частоты наполнения в пределах100 .За время прохождения этого диапазона 40частот время сканирования равно периодуколебаний генератора пилообразного напряжения 5 (эпюра 4, фиг. 1), измерительвременных интервалов фиксирует времяприхода последовательности импульсов, 45один из которых по крайней мере соответствует случаю отсутствия интерференционного погашения в принятом импульсе и,следовательно, крутому фронту продетектированного импульса. Этот импульс имеет 50минимальное время прохождения до контролируемой поверхности и обратно, все остальные импульсы, время прохождениякоторых больше минимально зафиксироВанного, яВляются лОжными. 55Информация о времени прихода каждого импульса за один период сканированияпо частоте с измерителя временных интервалов 6 в двоично-десятичном коде поступает на анализатор временных интервалов 7,сравнивая времена прихода импульсов за один период сканирования, оставляет в своей памяти только минимальное время, соответствующее истинному положению исследуемого уровня, Задним фронтом импульса пилообразного напряжения содержимое памяти анализатора временных интервалов сбрасывается в индицирующее устройство 8, шкала которого проградуирована в единицах измерения уровня (метрах).В качестве анализатора временных интервалов может быть использован программируемый микрокалькулятор МКили микропроцессор с программой, осуществляющей сравнение временных интервалов и выбору минимального,Программа МКв этом случае имеет следующее содержание: 01,1; 02,1; 03.0;04.0; 05,0; 10.0; 11,Р 9; 12. 13 П; 13.1;.14.0; 15"; 20.Е 2; 21 РЗ; 22.ЕЗ; 23.СП; 24, ВП;25,1; 30,0; 31.+; 32,Е 2; 33 1: 34,ЕЗ; 35.; 40,Рх0; 41.Е 2; 42.Е 2; 43.РЗ; 44 БП; 45,Е 2.Период колебаний генератора пилообразного напряжения (время сканирования по частоте) берется как минимум на порядок больше периода следования зондирующих импульсов,П р и м е р, Измеряли уровень круглых лесоматериалов на подвижной в вертикальной плоскости платформе. Перемещение платформы с круглыми лесоматериалами осуществляли при помощи винтовой пары. Длину перемещения (приращение уровня) определяли путем измерения штангенциркулем с точностью до 0,1 мм.Начальное положение электроакустического излучателя 1 было равно 980 мм.В процессе эксперимента уровень измеряли при работающем качающемся генераторе 4 (при изменяющейся частоте заполнения радиоимпульсов) и при отключенном его состоянии (при постоянной частоте заполнения импульсов). Результаты измеренных уровней сравнивали с истинным его значением, которое определяли как сумму первоначального положения (980 мм) и величины хода платформы. Контроль осуществляли по пяти точкам.Погрешность измерения уровня лесоматериалов предложенного способа по пяти контрольным точкам соответственно равна: 0; 1,8; 0,6; 0,9; 0,9 о .Погрешность прототипа по этим же контрольным точкам была равна: 0; 1,8; 12,9;18,6; 4,4 ОД.То есть погрешность предложенного способа в среднем примерно на порядок меньше погрешности прототипа,Применение предложенного способа и устройство для его осуществления по срав 1778540нению с прототипом позволит значительно повысить точность измерения уровня контролируемых сред с неровной наружной поверхностью, Повышение точности обеспечивается за счет изменения частоты заполнения зондирующих импульсов в диапазоне, обеспечивающем вероятность исключения по крайней мере один раз интерференции основного сигнала, соответствующего истинному уровню. В результате из числа принятых импульсов выбирается один, имеющий наименьшее время прохождения зондирующего импульса к контролируемой среде и обратно, чтосоответствует истинному уровню. В результате точность предложенного способа примерно на порядок выше прототипа при измерении уровня материалов с неровной наружной поверхностью,Повышение точности измерения уровня дает значительную экономию при учете материалов,Формула изобретения 1. Ультразвуковой способ измерения уровня, заключающийся в том, что вырабатывают электрические импульсы, преобразуют их в направленные акустические и измеряют время прохождения импульсов до контролируемой поверхности и обратно, по которому определяют значение уровня, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, наполнение зондирующих импульсов осуществляют различной частотой в диапазоне, определяемом из уравнения1102 - (и + - )/ и + - )1 35 где б и 1 г - границы диапазона изменениячастот наполнения электрических импульсов;и - число длин волн, укладывающееся вразности хода;10 а уровень определяют по наименьшему времени.2. Ультразвуковое устройство для измерения уровня, содержащее генераторы зондирующих импульсов и пилообразного 15 напряжения, электроакустический преобразователь, последовательно соединенный с усилителем и измерителем временных интервалов, блок обработки сигнала и индикатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью 20 повышения точности, блок обработки сигнала выполнен в виде генератора качающейся частоты и анализатора временных интервалов, включенного последовательно между измерителем временных интервалов и ин дикатором, второй вход которого соединенс первым выходом генератора пилообразного напряжения, второй выход которого соединен с первым входом генератора качающейся частоты, к второму входу которого 30 и второму входу измерителя временных интервалов подключен выход генератора зондирующих импульсов, а выход генератора качающейся частоты соединен с электроакустическим преобразователем.1778540 ставитель Н,Можеговхред М.Моргентал то Корректор М.Андрушенко оизводственно издательскии комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гага 01 каз 4183 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж. Раушская наб 4/5