Способ измерения расстояния до объекта и устройство для его реализации

 

Изобретения могут быть использованы в системах автоматического контроля и регулирования параметров промышленных технологических процессов, например, при определении уровня хозяйственно-питьевой и технологической воды в резервуарах систем водоснабжения. Способ измерения расстояния до объекта и устройство для его реализации позволяют преобразовать непрерывный информационный сигнал в набор дискретных информационных интервалов времени, заполняемых счетными импульсами с сохранением соотношения момента формирования переднего фронта очередного информационного интервала и момента формирования соответствующего счетного импульса, и тем самым разнести во времени моменты излучения очередного и регистрации предыдущего зондирующих импульсов. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматического контроля и регулирования параметров промышленных технологических процессов, например, при определении уровня хозяйственно-питьевой и технологической воды в резервуарах систем водоснабжения.

Известен способ контроля расстояния до объекта, заключающийся в том, что формируют информационный импульс длительностью, пропорциональной времени зондирования базового расстояния, используют данный импульс для предварительной корректировки периода следования счетных импульсов, излучают акустический импульс в направлении поверхности контролируемого объекта, формируют последовательность информационных сигналов и определяют значение расстояния до объекта по разности счетных импульсов, вырабатываемых в течение двух интервалов времени между информационными сигналами /1/.

Устройство для реализации известного способа содержит ультразвуковой преобразователь, блок формирования счетных импульсов и блок формирования выходного сигнала с включением в состав последнего реверсивного счетчика.

Однако известный способ характеризуется недостаточной точностью измерения.

Известен способ измерения расстояния до объекта, предварительными операциями которого являются размещение первой плоскости излучения и плоскости регистрации зондирующих импульсов на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, и совмещение плоскости регистрации со второй плоскостью излучения, и который заключается в формировании первого зондирующего импульса в первой плоскости излучения, в переотражении первого зондирующего импульса плоскостью регистрации в направлении поверхности контролируемого объекта, в формировании второго и последующих зондирующих импульсов во второй плоскости излучения, в формировании первого информационного сигнала длительностью, равной интервалу времени, необходимому для прохождения первым зондирующим импульсом базового расстояния, в формировании второго информационного сигнала длительностью, равной интервалу времени, необходимому для проведения заданного количества регистраций зондирующих импульсов, в заполнении второго информационного сигнала счетными импульсами, для предварительной корректировки периода следования которых используют первый информационный сигнал, и в считывании результатов измерения /2/.

Устройство для реализации способа измерения расстояния до объекта, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, размещенные на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, семь электронных ключей, к выходу первого из которых подключен первый ультразвуковой преобразователь, а к выходу второго - вход и отпирающий вход третьего электронного ключа, и второй ультразвуковой преобразователь, генератор акустических импульсов, к выходу которого подключен вход первого, вход и отпирающий вход второго электронных ключей, а вход соединен с запирающим входом шестого электронного ключа, с отпирающим входом седьмого электронного ключа и подключен к выходу пятого и к выходу шестого электронного ключа, усилитель-формирователь, к выходу которого подключены вход шестого и вход седьмого электронных ключей, а вход подключен к выходу третьего электронного ключа, триггер, первый установочный вход которого подключен к выходу первого электронного ключа, ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу триггера, первый установочный вход соединен со вторым установочным входом триггера, со входом и отпирающим входом четвертого электронного ключа и подключен к выходу седьмого электронного ключа, а второй установочный вход соединен с запирающими входами второго, четвертого, пятого и седьмого электронных ключей, и с отпирающими входами первого и шестого электронных ключей, первый счетчик, вход которого подключен к выходу ждущего мультивибратора, а вход сброса показаний соединен с отпирающим входом пятого электронного ключа и подключен к выходу первого электронного ключа, и второй счетчик, вход которого соединен с запирающим входом третьего электронного ключа, со входом пятого электронного ключа и подключен к выходу четвертого электронного ключа, а к выходи подключен второй установочный вход ждущего мультивибратора.

Согласно известному способу второй информационный сигнал формируют в виде непрерывного интервала времени, длительность которого выбирают кратной значению времени зондирования расстояния до контролируемого объекта. Это позволяет уменьшить погрешность измерения при несоответствии указанного времени зондирования целому числу периодов последовательности счетных импульсов. Однако, для формирования второго информационного сигнала в известном способе требуется организация такого процесса автоциркуляции импульсов, при котором моменты излучения очередного и регистрации предыдущего зондирующих импульсов одним и тем же ультразвуковым преобразователем не разделены во времени, что сказывается на точности измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

На фиг. 1 представлена схема устройства для реализации способа измерения расстояния до объекта; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи 1 и 2, размещенные вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта 3, генератор 4 акустических импульсов, усилитель-формирователь 5, пять электронных ключей 6-10, вентиль 11, первый и второй триггеры 12 и 13, ждущий мультивибратор 14, одновибратор 15, первый и второй счетчики 16 и 17 (фиг. 1).

Способ заключается в следующем.

Предварительными операциями предлагаемого способа являются операция размещения первой плоскости излучения и плоскости регистрации зондирующих импульсов 18-21 (фиг. 2) на базовом расстоянии L_δ друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта 3, и операция совмещения с плоскостью регистрации второй плоскости излучения зондирующих импульсов 19-21. При этом, базовое расстояние L_δ задается первым и вторым ультразвуковыми преобразователями 1 и 2 (фиг.1).

Первый цикл измерения расстояния L_x до объекта 3 начинается в момент формирования на выходе генератора 4 электрического импульса 27 (фиг.2). Импульс 27 проходит открытый в исходном состоянии первый электронный ключ 6 и поступает на первый ультразвуковой преобразователь 1. Возбуждаясь, преобразователь 1 формирует в первой плоскости излучения первый зондирующий импульс 18. Кроме того, импульс 27 запирает за собой ключ 6, отпирает второй электронный ключ 7, обнуляет показания первого счетчика 16 и поступает на первый установочный вход первого триггера 12. Триггер 12 запускается и приступает к формированию первого информационного сигнала 33, поступающего на управляющий вход ждущего мультивибратора 14.

Спустя время t₀ после момента излучения первого зондирующий импульс 18 в виде акустического сигнала 22 достигнет плоскости регистрации, в которой установлен второй ультразвуковой преобразователь 2, и переотразится ею в направлении поверхности контролируемого объекта 3. При этом преобразователем 2 производится первая регистрация зондирующего импульса 18 (регистрация акустического сигнала 22), т.е. преобразование его в электрический сигнал, поступающий через третий ключ 8 на вход усилителя-формирователя 5. Сформированный усилителем 5 импульс 28 отпирает четвертый ключ 9 и поступает на второй установочный вход первого триггера 12 и на первый установочный вход ждущего мультивибратора 14. Формирование триггером 12 первого информационного сигнала 33 прекращается, а на вход первого счетчика 16 начинает поступать последовательность счетных импульсов 43-54 ждущего мультивибратора 14.

Длительность t₀ информационного сигнала 33 не зависит от значения расстояния L_x; до объекта 3, поэтому сигнал 33 направляют на управляющий вход ждущего мультивибратора 14, т.е. используют длительность данного сигнала для приведения (для предварительной корректировки) периода T₀ следования счетных импульсов 43-54 в соответствие со значением скорости распространения зондирующих импульсов 18-21.

Спустя время T_x, необходимое для прохождения зондирующим импульсом 18 расстояния L_x от плоскости регистрации до поверхности объекта 3 и для повторного прохождения расстояния L_x в обратном направлении, ультразвуковой преобразователь 2 произведет вторую регистрацию зондирующего импульса 18, достигшего рабочую поверхность преобразователя 2 в виде акустического сигнала 23. Соответствующий сигналу 23 электрический импульс 29 с выхода усилителя-формирователя 5 проходит открытый импульсом 28 третий ключ 9 и поступает на вход второго счетчика 17, и на первый установочный вход второго триггера 13. Второй счетчик 17 регистрирует импульс 29, а триггер 13 приступает к формированию первой последовательности информационных импульсов 35-38.

Кроме того, импульс 29 поступит на запирающий вход третьего ключа 8 и на отпирающий вход пятого ключа 10. Запираясь ключ 8 предотвращает поступление на вход усилителя-формирователя 5 очередного электрического импульса с выхода генератора 4, а через пятый ключ 10 на второй установочный вход ждущего мультивибратора 14 поступит очередной счетный импульс 46, и, тем самым, прекратит процесс формирования счетных импульсов 43-54.

Импульс поступает также на второй установочный вход второго триггера 13, на вход одновибратора 15 и на вход генератора 4. В результате генератор 4 через второй ключ 7 возбудит преобразователь 2 и во второй плоскости излучения сформируется второй зондирующий импульс 19, определяющий начало следующего интервала времени длительностью T_x. В то же время завершится поступление первого информационного импульса 35 первой последовательности на управляющий вход одновибратора 15, приступающего к формированию второй последовательности информационных импульсов 39- 42. В результате, время формирования информационного сигнала 39, отсчитываемое от момента излучения зондирующего импульса 19, будет равным длительности dT₁ информационного сигнала 35.

Одновибратор 15 подключен к первому установочному входу ждущего мультивибратора 14, т.е. в момент формирования информационного импульса 39 процесс формирования счетных импульсов 43- 54 возобновляется. Следует отметить, что при совмещении момента регистрации акустического сигнала 23 с моментом формирования зондирующего импульса 19 счетный импульс 46 "занял" бы место информационного импульса 39, поэтому вход первого счетчика 16 при выделении ключом 10 импульса 46 не отключают от выхода ждущего мультивибратора 14, т. е. счетный импульс 46 является первым из счетных импульсов, заполняющих интервал времени T_x между зондирующим импульсом 19 и акустическим импульсом 24.

С момента излучения второго зондирующего импульса 19 начинается процесс автоциркуляции акустических и электрических импульсов по контуру: генератор 4 - ключ 7 - преобразователь 2 (зондирующие импульсы 24-26) - ключ 8 - усилитель 5 (электрические импульсы 30-32) - мультивибратор 14 - ключ 10 (счетные импульсы 49,52) - генератор 4. Данный процесс сопровождается регистрацией первым счетчиком счетных импульсов 47-54 и регистрацией вторым счетчиком 17 импульсов 29-32.

Емкостью счетчика 17 определяется длительность второго информационного сигнала, формируемого устройством в процессе измерения. Передний фронт данного сигнала определяется моментом регистрации акустического сигнала 33, а задний - моментом формирования на выходе счетчика 17 импульса 34 переполнения. Как показано на фиг.2 операция заполнения второго информационного сигнала счетными импульсами 43-54 сопровождается прекращениями на время dT_i(dT₁ - dT₄) процесса формирования последних в моменты излучения очередного зондирующего импульса 19-21 и возобновлениями указанного процесса в моменты формирования очередного информационного импульса 39-42 второй последовательности. Это позволяет разнести во времени моменты излучения и регистрации преобразователем 2 зондирующих импульсов без искажений результатов измерения.

В конце каждого цикла измерения импульс 34 переполнения с выхода счетчика 17 поступает на отпирающий вход первого ключа 6 и на запирающий вход второго ключа 7. Поэтому электрический импульс генератора 4, возбужденного через ключ 10 счетным импульсом 54, через ключ 6 поступит на ультразвуковой преобразователь 1 для формирования в первой плоскости излучения первого зондирующего импульса 18 следующего (второго) цикла измерения.

Кроме того, электрический импульс генератора 4 возвратит в исходное состояние четвертый ключ 9, сбросит показания счетчика 16 и поступит на первый установочный вход первого триггера 12, с выхода которого на управляющий вход ждущего мультивибратора начнет поступать первый информационный сигнал 33.

С управляющим входом идущего мультивибратора 14 соединен запирающий вход вентиля 11, поэтому последний информационный импульс 42 второй последовательности, формируемый одновибратором 15 для первого цикла измерения, на второй установочный вход ждущего мультивибратора 14 не поступит, а процесс формирования счетных импульсов, прерванный импульсом 54, для второго цикла измерения начнется спустя время t₀, необходимое для прохождения зондирующим импульсом 18 базового расстояния L_δ .

Значение расстояния L_x до контролируемого объекта 3 в конце каждого цикла измерения определяют по показаниям первого счетчика 16.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет преобразовать второй непрерывный информационный сигнал в набор дискретных информационных интервалов времени, заполняемых счетными импульсами с сохранением соотношения момента формирования переднего фронта очередного информационного интервала и момента формирования соответствующего счетного импульса, и тем самым разнести во времени моменты излучения очередного и регистрации предыдущего зондирующих импульсов, что позволяет повысить точность измерения.

Литература: 1. Авт. св. СССР N 1048322, кл. G 01 F 23/28, 1983.

2. Авт. св. СССР N 1180691. кл. G 01 B 17/02, 1985.

Формула изобретения

1. Способ измерения расстояния до объекта, предварительными операциями которого являются размещение первой плоскости излучения и плоскости регистрации зондирующих импульсов на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, и совмещение плоскости регистрации с второй плоскостью излучения, и который заключается в формировании первого зондирующего импульса в первой плоскости излучения, в переотражении первого зондирующего импульса в первой плоскости излучения, в переотражении первого зондирующего импульса плоскостью регистрации в направлении поверхности контролируемого объекта, в формировании второго и последующих зондирующих импульсов во второй плоскости излучения, в формировании первого информационного сигнала длительностью, равной интервалу времени, необходимому для прохождения первым зондирующим импульсом базового расстояния, в формировании второго информационного сигнала длительностью, равной интервалу времени, необходимому для проведения заданного количества регистраций зондирующих импульсов, в заполнении второго информационного сигнала счетными импульсами, для предварительной корректировки периода следования которых используют первый информационный сигнал, и в считывании результатов измерения, отличающийся тем, что формируют первую последовательность информационных импульсов, длительность каждого из которых выбирают равной интервалу времени между моментом регистрации очередного зондирующего импульса, достигшего поверхность контролируемого объекта и переотраженного последней в сторону плоскости регистрации, и моментом формирования очередного счетного импульса, используют указанный счетный импульс для формирования во второй плоскости излучения очередного зондирующего импульса, формируют вторую последовательность информационных импульсов, время формирования каждого из которых, отсчитываемое от момента излучения очередного зондирующего импульса, выбирают равным длительности соответствующего информационного импульса, выбирают равным длительности соответствующего информационного импульса первой последовательности, при этом операцию заполнения второго информационного сигнала счетными импульсами сопровождают прекращениями процесса формирования счетных импульсов в моменты излучения очередного зондирующего импульса и возобновлениями указанного процесса в моменты формирования очередного информационного импульса второй последовательности.

2. Устройство для реализации способа измерения расстояния до объекта, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, размещенные на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, пять электронных ключей, к выходу первого из которых подключен первый ультразвуковой преобразователь, а к выходу второго - вход и отпирающий вход третьего электронного ключа, и второй ультразвуковой преобразователь, генератор акустических импульсов, к выходу которого подключен вход первого, и вход второго электронного ключа, а вход подключен к выходу пятого электронного ключа, усилитель-формирователь, вход которого подключен к выходу третьего электронного ключа, первый триггер, первый установочный вход которого подключен к выходу первого электронного ключа, ждущий мультивибратор, управляющий вход которого подключен к выходу первого триггера, первый установочный вход соединен с вторым установочным входом триггера, и с входом и отпирающим входом четвертого электронного ключа, а второй установочный вход соединен с запирающим входом пятого электронного ключа, первый счетчик, вход которого подключен к выходу ждущего мультивибратора, а вход сброса показаний подключен к выходу первого электронного ключа, и второй счетчик, вход которого соединен с запирающим входом третьего электронного ключа и подключен к выходу четвертого электронного ключа, отличающееся тем, что в его состав включены второй триггер, первый установочный вход которого подключен к выходу четвертого электронного ключа, а второй установочный вход - к выходу пятого электронного ключа, одновибратор, вход которого соединен с вторым управляющим входом ждущего мультивибратора и с входом генератора акустических импульсов, а управляющий вход подключен к выходу второго триггера, и вентиль, вход которого подключен к выходу одновибратора, запирающий вход - к выходу первого триггера, а выход соединен с выходом усилителя-формирователя, при этом отпирающий вход первого и запирающий вход второго электронных ключей подключены к выходу второго счетчика, отпирающий вход второго электронного ключа подключен к выходу первого электронного ключа, вход четвертого электронного ключа подключен к выходу усилителя-формирователя, а запирающий вход подключен к выходу первого электронного ключа, вход пятого электронного ключа подключен к выходу ждущего мультивибратора, а отпирающий вход - к выходу четвертого электронного ключа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2