RU1778540C - Ultrasonic level-measuring method and apparatus - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени : устройство содержит электроакустический преобразователь , генератор зондирующих импульсов, усилитель, генератор качающейс  частоты, генератор пилообразного напр жени , измеритель временных интервалов, анализатор временных интервалов, индикатор. Импульсы вырабатывают с обеспечением выполне13 ни  услови  fi/f2 (п + -к )/( п + -т ) , где f 1 и f2 - границы диапазона частот; п - число волн. 1 з.п. ф-лы. 3 ил.The inventive device comprises an electro-acoustic transducer, a probe pulse generator, an amplifier, a sweep frequency generator, a sawtooth voltage generator, a time interval meter, a time interval analyzer, an indicator. The pulses are generated with the fulfillment 13 of the condition fi / f2 (n + -k) / (n + -t), where f 1 and f2 are the boundaries of the frequency range; n is the number of waves. 1 s.p. f-ly. 3 ill.

Description

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано при измерении уровн  материалов с неровной наружной поверхностью, например, круглых лесоматериалов, руды, щепы и т.д.The invention relates to measuring technique and can be used to measure the level of materials with an uneven outer surface, for example, round timber, ore, wood chips, etc.

Известен способ измерени  неровной водной поверхности и устройство дл  его осуществлени .A known method for measuring uneven water surface and a device for its implementation.

Уровень неровной водной поверхности в данном способе определ етс  в результате сравнени  реальной и смодулированной поверхности. Дл  этой цели устройство дл  осуществлени  способа снабжено приемо- излучающим преобразователем, генератором модулированных колебаний, усилителем, измерителем временных интервалов и регистратором.The level of an uneven water surface in this method is determined by comparing the real and the modulated surface. For this purpose, the device for implementing the method is equipped with a transceiver transducer, a modulated oscillator, an amplifier, a time meter and a recorder.

Данный способ и устройство дл  его осуществлени  могут быть использованы дл  измерени  уровн  жидкостей насыщенных взвес ми или газовыми пузырьками с типовой (волновой) неровной поверхностью . Если неровна  поверхность стохастическа , то при измерении уровн  будут наблюдатьс  значительные погрешности.This method and device for its implementation can be used to measure the level of liquids saturated with suspensions or gas bubbles with a typical (wave) uneven surface. If the uneven surface is stochastic, then significant errors will be observed when measuring the level.

так как при этом невозможно точное модулирование реальной поверхности и поэтому невозможна точна  регулировка верхнего и нижнего порогов срабатывани  амплитудного дискриминатора.since in this case it is impossible to accurately modulate the real surface and therefore it is impossible to precisely adjust the upper and lower thresholds of the amplitude discriminator.

Наиболее близким по технической сущности  вл етс  ультразвуковой способ измерени  уровн  путем вырабатывани  электрических импульсов, формировани  их в направленные акустические ультразвуковые и измерени  времени прохождени  импульсов до контролируемой поверхности и обратно. Устройство дл  осуществлени  способа содержит генератор зондирующих импульсов и усилитель, подключенные к обратимому электроакустическому преобразователю , схему совпадени , зар дно-разр дное устройство, элемент сравнени , два компаратора, генератор и индикаторное устройство.The closest in technical essence is the ultrasonic method of measuring the level by generating electric pulses, forming them into directional acoustic ultrasonic pulses and measuring the time it takes for the pulses to reach the controlled surface and vice versa. A device for implementing the method comprises a probe pulse generator and an amplifier connected to a reversible electro-acoustic transducer, a matching circuit, a charge-discharge device, a comparison element, two comparators, a generator, and an indicator device.

Основным недостатком данного способа и устройства  вл етс  невысока  точность измерени  уровн  материалов со значительно неоднородной стохастической наружной поверхностью.The main disadvantage of this method and device is the low accuracy of measuring the level of materials with a significantly heterogeneous stochastic outer surface.

ЁYo

VI XJ 00 СП 4 ОVI XJ 00 SP 4 O

Основна  погрешность возникает при локации неровностей величиной больше Я /4 ультразвуковой волны вследствие интерференции отраженных от неровной поверхности воды, привод щей к погашению части полупериодов колебаний принимаемого импульса, а следовательно, к существенному изменению положени  переднего фронта отраженного импульса.The main error arises when locating irregularities larger than R / 4 of the ultrasonic wave due to interference of water reflected from the uneven surface, leading to the cancellation of part of the half-periods of the received pulse, and therefore to a significant change in the position of the leading edge of the reflected pulse.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени .The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement.

Цель достигаетс  тем, что в известном ультразвуковом способе измерени  уровн  путем вырабатывани  электрических импульсов , формировани  их в направленные акустические ультразвуковые и измерени  времени прохождени  импульсов до контролируемой поверхности и обратно, напол- нение зондирующих импульсов осуществл ют различной частотой в диапазоне , определ емом из уравнени The goal is achieved in that in the known ultrasonic method of measuring the level by generating electric pulses, forming them into directional ultrasonic pulses and measuring the time it takes for the pulses to reach the surface to be monitored and vice versa, the probe pulses are filled with different frequencies in the range determined from the equation

11eleven

f2f2

n+in + i

фиксируют врем  прохождени  всех импульсов до контролируемой поверхности и обратно, а уровень определ ют по наименьшему времени прохождени .the transit time of all pulses to the controlled surface and vice versa is recorded, and the level is determined by the shortest transit time.

Здесь fi, f2 - границы диапазона изменени  частоты наполнени  зондирующих импульсов;Here fi, f2 are the boundaries of the range of variation of the filling frequency of the probe pulses;

п - число длин Я , укладывающеес  в разности хода.n is the number of lengths of I that fit into the difference of stroke.

При этом устройство дл  осуществлени  способа, содержащее генераторы зондирующих импульсов и пилообразного напр жени , усилитель, подключенный к обратимому электроакустическому преобразователю , измеритель временных интервалов и индицирующее устройство, снабжено генератором качающей частоты, выход которого соединен с входом электроакустического преобразовател , а два входа - соответственно с выходами генераторов зондирующих импульсов и пилообразного напр жени , анализатором временных интервалов , вход которого соединен с выходом измерител ,временных интервалов, а выход - с индицирующим устройством, при этом второй вход индицирующего устройства соединен с вторым выходом генератора пилообразного напр жени , а измеритель временных интервалов, первый вход которого подключен к генератору зондирующих импульсов, а второй - к выходу усилител , выполнен в цифровых элементах.Moreover, the device for implementing the method, comprising probing pulse and sawtooth voltage generators, an amplifier connected to a reversible electro-acoustic transducer, a time interval meter and an indicating device, is equipped with a pumping frequency generator, the output of which is connected to the input of the electro-acoustic transducer, and two inputs, respectively, with the outputs of the probes and the sawtooth voltage generators, an analyzer of time intervals, the input of which is connected to the output m of the meter, time intervals, and the output to the indicating device, while the second input of the indicating device is connected to the second output of the sawtooth voltage generator, and the time interval meter, the first input of which is connected to the probe pulse generator, and the second to the amplifier output, is made in digital elements.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства дл  осуществлени  способа; на фиг.In FIG. 1 is a block diagram of an apparatus for implementing the method; in FIG.

2 - диаграммы его работы; на фиг. 3 - схема локации неровной поверхности.2 - diagrams of his work; in FIG. 3 is a diagram of the location of an uneven surface.

Предложенное устройство содержит электроакустический преобразователь 1,генератор зондирующих импульсов 2, усилитель 3, генератор качающейс  частоты 4, генератор пилообразного напр жени  5, цифровой измеритель временных интервалов 6, анализатор временных интервалов 7The proposed device comprises an electro-acoustic transducer 1, a probe pulse generator 2, an amplifier 3, a oscillating frequency generator 4, a sawtooth voltage generator 5, a digital time interval meter 6, a time interval analyzer 7

и индицирующее устройство 8.and indicating device 8.

Устройство работает следующим образом .The device operates as follows.

Генератор зондирующих импульсов 2 вырабатывает пр моугольные импульсыThe probe pulse generator 2 generates rectangular pulses

(эпюра 1, фиг. 2) с частотой повторени , обеспечивающей полное затухание отраженных импульсов к моменту по влени  следующего зондирующего импульса. Эти импульсы управл ют высокочастотной частью генератора 4 качающейс  частоты, фор- миру  не его выходе радиоимпульс с переменной частотой наполнени  (эпюра 2, фиг. 2).(diagram 1, Fig. 2) with a repetition rate that ensures complete attenuation of the reflected pulses by the time the next probing pulse occurs. These pulses control the high-frequency part of the oscillating frequency generator 4, but the radio pulse with a variable filling frequency does not exit (pulse 2, FIG. 2).

Частотой наполнени  радиоимпульсаRadio frequency filling frequency

управл ет генератор пилообразного напр жени  5, измен   ее в пределах 19 кГц-10%. Радиоимпульсы преобразуютс  в ультразвуковые сигналы электроакустическим преобразователем 1. Отраженные от наружной поверхности исследуемого материала акустические волны обратно преобразуютс  преобразователем 1 в электрические им- пульсы, которые после усилени  и детектировани  блоком 3 поступают на измеритель временных интервалов 6 (эпюра 3, фиг. 2).the ramp generator 5 is controlled by varying it within 19 kHz-10%. The radio pulses are converted into ultrasonic signals by the electro-acoustic transducer 1. Acoustic waves reflected from the outer surface of the test material are transformed by the transducer 1 into electric pulses, which, after amplification and detection by block 3, arrive at the time interval meter 6 (plot 3, Fig. 2).

Измеритель временных интервалов измер ет врем  t между передним фронтом генератора 2 зондирующих импульсов и передним фронтом первого отраженного импульса , то есть врем  прохождени  ультразвукового импульса от электроакустического преобразовател  1 до контролируемой среды и обратно.The time meter measures the time t between the leading edge of the probe pulse generator 2 and the leading edge of the first reflected pulse, i.e. the transit time of the ultrasonic pulse from the transducer 1 to the medium being monitored and vice versa.

При локации уровн  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 врем  прохождени  ультразвукового импульса от излучател  к контролируемой среде и обратно, тоWhen leveling uneven surfaces with significant differences in height, having a stochastic character, for example, round timber (Fig. 3), the return paths of reflected pulses can be different. In this case, the true signal 1 in comparison with the false 2, 3, 4 always has the smallest transit time of the ultrasonic pulse from the emitter to the controlled medium and vice versa, then

есть  вл етс  по времени первым отраженным импульсом, который фиксируетс  измерителем временных интервалов. Однако в апертурный угол в электроакустического преобразовател  могут попадать импульсыis the first reflected pulse in time, which is recorded by a time interval meter. However, pulses can enter the aperture angle in the electro-acoustic transducer

(сигнал 2 фиг. 3), сдвинутые по фазе на п по отношению к волнам истинного луча 1, что приводит к раст гиванию переднего фронта первого отраженного импульса или даже к его погашению в результате интерференции .(signal 2 of Fig. 3), phase shifted by n relative to the waves of the true beam 1, which leads to stretching of the leading edge of the first reflected pulse or even to its cancellation as a result of interference.

Это соответствует условиюThis is a condition

2l2-2h Ai(n+l),(1)2l2-2h Ai (n + l), (1)

где 11 и 2 текущие рассто  ни  до неровной поверхности контролируемой среды в зоне апертурного узла;where 11 and 2 are the current distances to the uneven surface of the controlled medium in the area of the aperture unit;

п-число длин волн А , укладывающеес  в разности хода.n-number of wavelengths A, which fit into the difference of stroke.

Дл  сн ти  интерференционного погашени  достаточно изменить частоту наполнени  возбуждающего радиоимпульса таким образом, чтобы сдвиг фазы изменилс  на л/2, что соответствует условиюTo remove interference suppression, it is sufficient to change the filling frequency of the exciting radio pulse so that the phase shift changes by l / 2, which corresponds to the condition

2l2-2lt n+ |)(2)2l2-2lt n + |) (2)

Из соотношений (1) и (2) определ етс  максимально необходимый диапазон изменени  частоты наполнени  радиоимпульсов на выходе генератора качающейс  частоты 4From relations (1) and (2), the maximum necessary range of variation of the filling frequency of the radio pulses at the output of the oscillating frequency generator 4 is determined

ЯУ faYau fa

(3)(3)

где f 1 и fa - границы диапазона изменени  частоты наполнени  радиоимпульсов.where f 1 and fa are the boundaries of the range of variation of the frequency of filling of the radio pulses.

Дл  получени  круглого фронта отраженного импульса по лучу 1 (фиг. 3) достаточно исключить интерференционное погашение второго положительного полупериода в радиоимпульсе (п 1), что соответствует , как следует из уравнени  (3). изменению частоты наполнени  в пределах 10%.To obtain a circular front of the reflected pulse along beam 1 (Fig. 3), it is sufficient to exclude interference cancellation of the second positive half-cycle in the radio pulse (n 1), which corresponds, as follows from equation (3). a change in filling frequency within 10%.

За врем  прохождени  этого диапазона частот врем  сканировани  равно периоду колебаний генератора пилообразного напр жени  5 (эпюра 4, фиг. 1), измеритель временных интервалов фиксирует врем  прихода последовательности импульсов, один из которых по крайней мере соответствует случаю отсутстви  интерференционного погашени  в прин том импульсе и, следовательно, крутому фронту продетекти- рованного импульса. Этот импульс имеет минимальное врем  прохождени  до контролируемой поверхности и обратно, все остальные импульсы, врем  прохождени  которых больше минимально зафиксированного ,  вл ютс  ложными.During the passage of this frequency range, the scan time is equal to the oscillation period of the sawtooth generator 5 (plot 4, Fig. 1), the time interval meter records the arrival time of the pulse train, one of which at least corresponds to the case when there is no interference cancellation in the received pulse and therefore, the steep front of the detected pulse. This pulse has a minimum travel time to and from the surface to be monitored, all other pulses, the travel time of which is longer than the minimum fixed, are false.

Информаци  о времени прихода каждого импульса за один период сканировани  по частоте с измерител  временных интервалов 6 в двоично-дес тичном коде поступает на анализатор временных интервалов 7,Information on the arrival time of each pulse for one frequency scanning period from the time interval meter 6 in the binary decimal code is supplied to the time interval analyzer 7,

сравнива  времена прихода импульсов за один период сканировани , оставл ет в своей пам ти только минимальное врем , соответствующее истинному положению 5 исследуемого уровн , Задним фронтом импульса пилообразного напр жени  содержимое пам ти анализатора временных интервалов сбрасываетс  в индицирующее устройство 8, шкала которого проградуиро0 вана в единицах измерени  уровн  (метрах). В качестве анализатора временных интервалов может быть использован программируемый микрокалькул тор МК-46 или микропроцессор с программой, осуществ5 л ющей сравнение временных интервалов и выбору минимального.comparing the arrival times of the pulses for one scanning period, only the minimum time corresponding to the true position 5 of the studied level is stored in its memory. By the trailing edge of the sawtooth voltage pulse, the contents of the memory of the time interval analyzer are reset to the indicating device 8, the scale of which is programmed in units level measurement (meters). As an analyzer of time intervals, the MK-46 programmable microcalculator or a microprocessor can be used with a program that compares time intervals and selects the minimum one.

Программа МК-46 в этом случае имеет следующее содержание: 01.1; 02,1; 03.0; 04.0; 05.0 ; 10.0 ; 11.Р9 ; 12. 13 П ; 13.1;The MK-46 program in this case has the following contents: 01.1; 02.1; 03.0; 04.0; 05.0; 10.0; 11.P9; 12.13 p; 13.1;

0 14.0; .Р2;21РЗ;22.РЗ;23.СП;24.ВП; 25.1; 30,0; 32.F2; 33.1: 34.F3; 35. ; 40.Рх 0; 41.F2; 42.F2; 43.РЗ; 44БП; 45.F2.0 14.0; .Р2; 21РЗ; 22.РЗ; 23.СП; 24.ВП; 25.1; 30.0; 32.F2; 33.1: 34.F3; 35.; 40.Px 0; 41.F2; 42.F2; 43.RZ; 44BP; 45.F2.

Период колебаний генератора пилообразного напр жени  (врем  сканировани Sawtooth generator oscillation period (scan time

5 по частоте) беретс  как минимум на пор док больше периода следовани  зондирующих импульсов.5 in frequency) it takes at least an order of magnitude longer than the probe pulse repetition period.

Пример. Измер ли уровень круглых лесоматериалов на подвижной в вертикаль0 ной плоскости платформе. Перемещение платформы с круглыми лесоматериалами осуществл ли при помощи винтовой пары. Длину перемещени  (приращение уровн ) определ ли путем измерени  штангенцир5 кулем с точностью до 0,1 мм.Example. The level of round timber was measured on a platform moving in a vertical plane. The round timber platform was moved using a screw pair. The displacement length (level increment) was determined by measuring the caliper 5 with an accuracy of 0.1 mm.

Начальное положение электроакустического излучател  1 было равно 980 мм.The initial position of the electro-acoustic emitter 1 was 980 mm.

В процессе эксперимента уровень измер ли при работающем качающемс  гене0 раторе 4 (при измен ющейс  частоте заполнени  радиоимпульсов) и при отключенном его состо нии (при посто нной частоте заполнени  импульсов). Результаты измеренных уровней сравнивали с истин5 ным его значением, которое определ ли как сумму первоначального положени  (980 мм) и величины хода платформы. Контроль осуществл ли по п ти точкам.During the experiment, the level was measured with the oscillating oscillator 4 operating (with a changing frequency of filling of the radio pulses) and with its state turned off (with a constant frequency of filling of pulses). The results of the measured levels were compared with its true value, which was determined as the sum of the initial position (980 mm) and the platform travel. The control was carried out at five points.

Погрешность измерени  уровн  лесо0 материалов предложенного способа по п ти контрольным точкам соответственно равна: 0; 1,8; 0,6; 0,9: 0,9%.The error in measuring the level of forest materials of the proposed method for five control points, respectively, is: 0; 1.8; 0.6; 0.9: 0.9%.

Погрешность прототипа по этим же контрольным точкам была равна: 0; 1,8; 12,9;The prototype error for the same control points was equal to: 0; 1.8; 12.9;

5 18,6:4,4%.5 18.6: 4.4%.

То есть погрешность предложенного способа в среднем примерно на пор док меньше погрешности прототипа.That is, the error of the proposed method is on average approximately less than the error of the prototype.

Применение предложенного способа и устройство дл  его осуществлени  по сравнению с прототипом позволит значительно повысить точность измерени  уровн  контролируемых сред с неровной наружной поверхностью . Повышение точности обеспечиваетс  за счет изменени  частоты заполнени  зондирующих импульсов в диапазоне , обеспечивающем веро тность иск- лючени  по крайней мере один раз интерференции основного сигнала, соответствующего истинному уровню. В резуль- тате из числа прин тых импульсов выбираетс  один, имеющий наименьшее врем  прохождени  зондирующего импульса к контролируемой среде и обратно, что соответствует истинному уровню. В резуль- тате точность предложенного способа примерно на пор док выше прототипа при измерении уровн  материалов с неровной наружной поверхностью.The application of the proposed method and the device for its implementation in comparison with the prototype will significantly improve the accuracy of measuring the level of controlled environments with an uneven outer surface. Improving the accuracy is achieved by changing the frequency of filling of the probe pulses in a range that ensures the probability of eliminating at least once the interference of the main signal corresponding to the true level. As a result, one of the received pulses is selected, which has the smallest transit time of the probe pulse to the controlled medium and vice versa, which corresponds to the true level. As a result, the accuracy of the proposed method is about an order of magnitude higher than the prototype when measuring the level of materials with an uneven outer surface.

Повышение точности измерени  уровн  дает значительную экономию при учете материалов .Improving the accuracy of level measurement provides significant savings in material accounting.

Claims (2)

Формула изобретени  1. Ультразвуковой способ измерени  уровн , заключающийс  в том, что вырабатывают электрические импульсы, преобразуют их в направленные акустические и измер ют врем  прохождени  импульсов до контролируемой поверхности и обратно, по которому определ ют значение уровн , о т- личающийс  тем, что, с целью повышени  точности, наполнение зондирующих импульсов осуществл ют различнойSUMMARY OF THE INVENTION 1. An ultrasonic method for measuring the level, comprising generating electric pulses, converting them into directional acoustic pulses, and measuring the transit time of the pulses to and from the surface to be monitored, by which the level value, which is determined by in order to increase accuracy, the filling of probe pulses is carried out by various частотой в диапазоне, определ емом из уравнени frequency in the range determined from the equation T1/f2 (n+l)/(n+|),T1 / f2 (n + l) / (n + |), где fi и f2 - границы диапазона изменени  частот наполнени  электрических импульсов;where fi and f2 are the boundaries of the frequency range of the filling of electrical pulses; п - число длин волн, укладывающеес  в разности хода;n is the number of wavelengths that fit into the difference of stroke; а уровень определ ют по наименьшему времени .and the level is determined by the least time. 2. Ультразвуковое устройство дл  измерени  уровн , содержащее генераторы зондирующих импульсов и пилообразного напр жени , электроакустический преобразователь , последовательно соединенный с усилителем и измерителем временных интервалов , блок обработки сигнала и индикатор , отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности, блок обработки сигнала выполнен в виде генератора качающейс  частоты и анализатора временных интервалов , включенного последовательно между измерителем временных интервалов и индикатором , второй вход которого соединен с первым выходом генератора пилообразного напр жени , второй выход которого соединен с первым входом генератора качающейс  частоты, к второму входу которого и второму входу измерител  временных интервалов подключен выход генератора зондирующих импульсов, а выход генератора качающейс  частоты соединен с электроакустическим преобразователем.2. An ultrasonic level measuring device comprising probing pulse and sawtooth voltage generators, an electro-acoustic transducer connected in series with an amplifier and a time interval meter, a signal processing unit and an indicator, characterized in that, in order to increase accuracy, the signal processing unit is made in in the form of a oscillating frequency generator and a time interval analyzer, connected in series between a time interval meter and an indicator, the second input of which connected to the first output of the sawtooth voltage generator, the second output of which is connected to the first input of the oscillating frequency generator, the output of the sounding pulse generator is connected to the second input of which and the second input of the time interval meter, and the output of the oscillating frequency generator is connected to the electro-acoustic transducer. Фиг. IFIG. I NN К К кK to K А.AND.