RU2062980C1 - Ultrasound meter of movements - Google Patents

Abstract

FIELD: instruments for measuring linear and angle movements. SUBSTANCE: Device provides possibility to decrease error in measuring of movement by piezoelectric distance meters, to decrease number of current conductors. Device also provides possibility to increase precision in devices that use piezoelectric distance meters, to simplify design of devices for checking bends and diameters of channels in nuclear reactors. EFFECT: increased precision, simplified design, decreased cost. 2 dwg

Description

Изобретение относится н области измерительной техники и может быть использовано для измерений линейных и угловых смещений объектов в атомной технике, машиностроении, строительстве и т.д. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used to measure linear and angular displacements of objects in nuclear engineering, mechanical engineering, construction, etc.

Известны устройства для измерения смещений объектов, использующие принцип ультразвукового дальномера (1). Known devices for measuring the displacements of objects using the principle of an ultrasonic rangefinder (1).

Недостатком указанных устройств является низкая точность, по причине наличия в измерительной схеме одного дальномера, что ограничивает как точность системы при контроле комбинированных (линейно-угловых) смещений объектов, так и по причине отсутствия эталонного и дублирующего дальномера. The disadvantage of these devices is low accuracy, due to the presence of a single range finder in the measuring circuit, which limits both the accuracy of the system when monitoring combined (linear-angular) displacements of objects, and due to the lack of a reference and backup range finder.

Наиболее близкими к предложенному являются измерители смещений, использующие несколько ультразвуковых дальномеров, позволяющих точно измерить линейно-угловые смещения объектов. Помимо этого использование нескольких дальномеров позволяет реализовать дифференциальную схему измерений, или использовать эталонный дальномер параллельно с основным, что также улучшает точность измерений (2). Closest to the proposed are displacement meters that use several ultrasonic range finders, allowing accurate measurement of linear-angular displacements of objects. In addition, the use of several rangefinders allows you to implement a differential measurement scheme, or use a reference rangefinder in parallel with the main one, which also improves the accuracy of measurements (2).

Недостатком прототипа является низкая точность измерений, по причине неконтролируемого изменения показаний каждого из дальномеров, в зависимости от электрических параметров высокочастотной линии связи между пьезоэлементом каждого из дальномеров и измерительным блоком. Изменение электрических параметров высокочастотной линии связи происходит по следующим причинам:
1. Разная степень скручивания кабелей (петли, перегибы) приводит к изменению их эквивалентной емкости и индуктивного сопротивления.The disadvantage of the prototype is the low accuracy of the measurements, due to uncontrolled changes in the readings of each of the rangefinders, depending on the electrical parameters of the high-frequency communication line between the piezoelectric element of each of the rangefinders and the measuring unit. The change in the electrical parameters of the high-frequency communication line occurs for the following reasons:
1. A different degree of twisting of cables (loops, kinks) leads to a change in their equivalent capacitance and inductive resistance.

2. Разная температура кабелей приводит к изменению их сопротивления. 2. Different temperature of the cables leads to a change in their resistance.

3. Различная степень воздействия внешних возмущающих факторов на разные каналы высокочастотной линий связи также приводит к разбалансу измерительной схемы. 3. A different degree of influence of external disturbing factors on different channels of high-frequency communication lines also leads to an imbalance of the measuring circuit.

Все указанные недостатки, как правило, имеют место, где требуется значительное удаление измерительного блока от блока ультразвуковых дальномеров, что необходимо при проведении дистанционного контроля, например в атомной энергетике при контроле геометрии технологических каналов ядерных реакторов. В этом случае, из-за высокой радиации практически невозможно размещать электронику в одном корпусе с пьезоэлектрическими дальномерами. Те же ограничения на использование электроники имеют место в буровых скважинах или продуктопроводах с высокой температурой среды (более 100°С). All these disadvantages, as a rule, occur where significant removal of the measuring unit from the ultrasonic rangefinder unit is required, which is necessary when conducting remote monitoring, for example, in nuclear energy, when monitoring the geometry of the technological channels of nuclear reactors. In this case, due to the high radiation, it is almost impossible to place the electronics in one housing with piezoelectric range finders. The same restrictions on the use of electronics are found in boreholes or product pipelines with high ambient temperatures (over 100 ° C).

Целью изобретения является повышение точности измерений. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements.

Указанная цель достигается за счет того, что в ультразвуковом измерителе смещений, включающем корпус, блок ультразвуковых дальномеров, содержащих пьезоэлемент и экран, совмещенный с чувствительным к смещениям элементом, измерительный блок, многоканальную высокочастотную линию связи между пьезоэлементами дальномеров и измерительным блоком, пьезоэлементы всех дальномеров электрически подключены к одному из каналов многоканальной высокочастотной линии связи, а минимальное расстояние между пьезоэлементом и экраном i-того дальномера выбрано из соотношения:

где: L_{i min} минимальное расстояние между пьезоизлучателем и экраном i-того дальномера;
ΔL_i диапазон рабочего хода экрана i-того дальномера;
t₀ время затухания колебания пьезоэлементов при ударном возбуждении;
t_i время затухания отраженного сигнала;
С скорость ультразвука.This goal is achieved due to the fact that in an ultrasonic displacement meter including a housing, a block of ultrasonic rangefinders containing a piezoelectric element and a screen combined with an element sensitive to displacements, a measuring unit, a multi-channel high-frequency communication line between the piezoelectric elements of the rangefinders and the measuring unit, the piezoelectric elements of all rangefinders are electrically connected to one of the channels of a multi-channel high-frequency communication line, and the minimum distance between the piezoelectric element and the screen of the i-th range finder is Bran from the relation:

where: L _{i min the} minimum distance between the piezo emitter and the screen of the i-th range finder;
ΔL _{i the} range of the working stroke of the screen of the i-th range finder;
t ₀ the decay time of the oscillations of the piezoelectric elements under shock excitation;
t _i the decay time of the reflected signal;
With the speed of ultrasound.

На фиг. 1 изображен предложенный ультразвуковой измеритель смещений в одной из возможных его реализаций, на фиг.2 схема распределения возбуждающих и отраженных гармоник дальномеров на временной развертке осциллографа. In FIG. 1 shows the proposed ultrasonic displacement meter in one of its possible implementations; Fig. 2 shows the distribution diagram of the exciting and reflected harmonics of the range finders on the time base of the oscilloscope.

Измеритель смещений содержит корпус 1, в котором размещен блок ультразвуковых дальномеров 2, содержащих пьезоэлемент 3 и экран 4, совмещенный с чувствительным к смещениям элементом 5, измерительный блок 6, высокочастотную линию связи 7. Так как все пьезоэлементы электрически подключены к одному кабелю, для разделения отраженных гармоник каждого из дальномеров во времени, с целью их последовательной обработки измерительным блоком, расстояние L_{1 min}, L_{2 min}, L₃ между пьезоизлучателями и экранами каждого из дальномеров выбраны из условия, чтобы гармоники на налагались друг на друга во всем диапазоне рабочего хода экранов 4.The displacement meter contains a housing 1, in which there is a block of ultrasonic rangefinders 2 containing a piezoelectric element 3 and a screen 4, combined with an element 5 sensitive to displacements, a measuring unit 6, a high-frequency communication line 7. Since all the piezoelectric elements are electrically connected to one cable, for separation the reflected harmonics of each of the rangefinders in time, for the purpose of their sequential processing by the measuring unit, the distance L _{1 min} , L _{2 min} , L ₃ between the piezoelectric emitters and the screens of each of the rangefinders are selected so that The harmonics were superimposed on each other in the entire range of the working stroke of the screens 4.

К примеру, на фиг.1 показан блок ультразвуковых дальномеров, используемый в датчике углов наклонов. Наклон корпуса датчика 1 приводит к изменению уровня жидкости 8 над пьезоизлучателями 9, 10, включенными по дифференциальной схеме. Изменение уровня фиксируется дальномерами относительно плавающих отражателей 5. Для определения скорости ультразвука в жидкости 8, параллельно к пьезоэлементам 9, 10 подкачивается пьезоэлемент 11 эталонного дальномера с фиксированным экраном 12. Таким образом, в представленном варианте, к одноканальной высокочастотной линии связи подключаются три пьезоэлемента. Минимальное расстояние L_{1 min} между пьезоэлементом 9 и экраном 4 первого (по счету) дальномера, определяется из соотношения:
L_{1 min} t_оС, (1),
где: t время затухания пьезоэлементов при ударном возбуждении.For example, figure 1 shows a block of ultrasonic rangefinders used in a tilt angle sensor. The inclination of the housing of the sensor 1 leads to a change in the liquid level 8 above the piezoelectric emitters 9, 10, included in the differential circuit. The level change is recorded by the range finders relative to the floating reflectors 5. In order to determine the ultrasound velocity in the liquid 8, the piezoelectric element 11 of the reference range finder with a fixed screen 12 is pumped in parallel to the piezoelectric elements 9, 10. Thus, in the presented embodiment, three piezoelectric elements are connected to the single-channel high-frequency communication line. The minimum distance L _{1 min} between the piezoelectric element 9 and the screen 4 of the first (in a row) range finder is determined from the ratio:
L _{1 min} t _о С, (1),
where: t is the decay time of the piezoelectric elements upon shock excitation.

Таким образом, обеспечивается разделение гармоники возбуждения 13 пьезоэлементов и гармоники отражения первого дальномера 14 во времени (фиг.2). Thus, the separation of the harmonic of the excitation 13 of the piezoelectric elements and the harmonic of the reflection of the first range finder 14 in time is ensured (figure 2).

Расстоянием L_{2 min} для второго дальномера с пьезоздементом 10 выбирается из соотношения:
L_{2 min}= t_oC+ΔL₁+t₁C, (2),
где: ΔL₁ диапазон хода экрана первого дальномера;
t₁ время затухания отраженного сигнала (гармоника 14) первого дальномера (фиг.2).The distance L _{2 min} for the second range finder with piezoelectric 10 is selected from the ratio:
L _{2 min} = t _o C + ΔL ₁ + t ₁ C, (2),
where: ΔL ₁ range of the screen stroke of the first range finder;
t ₁ the decay time of the reflected signal (harmonic 14) of the first rangefinder (figure 2).

Расстояние L₃ min для эталонного дальномера выбирается из соотношения: L_{3 min}= t_oC+ΔL₁+ΔL₂+t₁C+t₂C, (3)
где: ΔL₂ диапазон рабочего хода экрана второго по счету дальномера пьезоэлемента 10;
t₂ время затухания отраженного сигнала (гармоника 15) второго дальномера (фиг.2).The distance L ₃ min for the reference range finder is selected from the relation: L _{3 min} = t _o C + ΔL ₁ + ΔL ₂ + t ₁ C + t ₂ C, (3)
where: ΔL _{2 is the} range of the working stroke of the screen of the second piezoelectric element range finder 10;
t ₂ the decay time of the reflected signal (harmonic 15) of the second rangefinder (figure 2).

Измеритель работает следующим образом. The meter works as follows.

В момент, когда требуется произвести замер показаний каждого из дальномеров, измерительный блок 6 посылает возбуждающий импульс по линии 7 одновременно на все пьезоэлементы. Этому моменту времени соответствует гармоника возбуждения 13, от начала которой начинается отсчет времени. At the moment when it is required to measure the readings of each of the range finders, the measuring unit 6 sends an exciting pulse along line 7 simultaneously to all piezoelectric elements. To this moment of time corresponds to the harmonic of the excitation 13, from the beginning of which the countdown begins.

Затем измерительный блок последовательно фиксирует время, прошедшее от момента ударного возбуждения до момента повторного возбуждения пьезоэлементов каждого из дальномеров отраженными импульсами 14, 15, 16 (фиг.2). Then the measuring unit sequentially fixes the time elapsed from the moment of shock excitation to the moment of re-excitation of the piezoelectric elements of each of the range finders with reflected pulses 14, 15, 16 (Fig.2).

Полученные временные промежутки квантируются и в цифровом виде обрабатываются на ЭВМ. The obtained time intervals are quantized and digitally processed on a computer.

Так как с увеличением числа пьезоэлементов в предложенном измерителе требуется увеличить расстояние L_{i min} i-того дальномера, что приводит к ослаблению отраженной волны каждого следующего дальномера, число пьезоэлементов измерителя целесообразно ограничить 4-5, что вполне достаточно для известных пьезоэлектрических датчиков линейных и угловых смещений. Предложенная схема подключения особенно эффективна с основным или при использовании для одного пьезоизлучателя двух экранов одного эталонного и одного чувствительного к смещениям. В этом случае, один и тот же пьезоэлемент оказывается включенным в два дальномера (по числу экранов), параметры каждого из которых определяются из соотношений 1, 2, 3.Since with an increase in the number of piezoelectric elements in the proposed meter, it is necessary to increase the distance L _{i min of the} i-th range finder, which leads to a weakening of the reflected wave of each subsequent range finder, it is advisable to limit the number of piezoelectric elements of the meter to 4-5, which is quite sufficient for known piezoelectric linear and angular displacement sensors . The proposed connection scheme is especially effective with the main one or when using two screens of the same piezoelectric transducer of one reference and one sensitive to displacement. In this case, the same piezoelectric element is included in two rangefinders (according to the number of screens), the parameters of each of which are determined from the relations 1, 2, 3.

Регулировка расстояния L_{i min} для каждого из дальномеров производится либо выбором размеров (высоты) отраженного экрана, либо путем помещения подкладок под пьезоэлементы.The adjustment of the distance L _{i min} for each of the rangefinders is made either by selecting the dimensions (height) of the reflected screen, or by placing pads under the piezoelectric elements.

Предложенный измеритель позволяет существенно уменьшить погрешность измерений смещений при использовании пьезоэлектрических дальномеров. The proposed meter can significantly reduce the measurement error of the displacements when using piezoelectric range finders.

Кроме того, сокращается число токоведущих кабелей, что упрощает измерительную систему и уменьшает ее стоимость. In addition, the number of live cables is reduced, which simplifies the measuring system and reduces its cost.

В предложенной варианте, любое скручивание или изменение электрических параметров электрической линии связи одинаково влияет на все пьезоэлементы всех дальномеров, что позволяет легко выделить и нейтрализовать это искажение. In the proposed embodiment, any twisting or changing the electrical parameters of the electric communication line equally affects all the piezoelectric elements of all rangefinders, which makes it easy to isolate and neutralize this distortion.

Использование предложенного изобретения существенно повысит точность измерения в системах с пьезоэлектрическими дальномерами, упростит аппаратуру контроля искривлений и диаметров технологических каналов ядерных реакторов, буровых скважин, продуктопроводов. Using the proposed invention will significantly increase the accuracy of measurements in systems with piezoelectric range finders, simplify the control equipment for the curvatures and diameters of the technological channels of nuclear reactors, boreholes, product pipelines.

Claims (1)

Ультразвуковой измеритель смещений, включающий корпус, блок ультразвуковых дальномеров, содержащих пьезоэлемент и экран, совмещенный с чувствительным к смещениям элементом, измерительный блок, многоканальную высокочастотную линию связи между пьезоэлементами дальномеров и измерительным блоком, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, пьезоэлементы всех дальномеров электрически подключены к одному из каналов многоканальной высокочастотной линии связи, а минимальное расстояние L_{i min} между пьезоэлементом и экранов каждого i-того дальномера выбрано из соотношения

где ΔL_i диапазон рабочего хода экрана i-го дальномера;
t₀ время затухания колебаний пьезоэлементов при ударном возбуждении;
t<mv>i<D> время затухания отраженного сигнала;
c скорость ультразвука.An ultrasonic displacement meter, including a housing, a block of ultrasonic rangefinders containing a piezoelectric element and a screen combined with an element sensitive to displacements, a measuring unit, a multi-channel high-frequency communication line between the piezoelectric elements of the rangefinders and the measuring unit, characterized in that, in order to increase the accuracy of measurements, the piezoelectric elements of all rangefinders electrically connected to one of the channels multichannel high frequency communication link, and the minimum distance L _{i min} between the piezo and screens azhdogo i-addition rangefinder selected from the relation

where ΔL _{i the} range of the stroke of the screen of the i-th range finder;
t ₀ the decay time of the oscillations of the piezoelectric elements under shock excitation;
t <mv> i <D> attenuation time of the reflected signal;
c is the speed of ultrasound.

Images