Способ измерения расстояния до объекта и устройство для его реализации

 

Изобретения предназначены для использования 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 позволяет 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. Устройство для реализации способа содержит два ультразвуковых преобразователя, размещенных вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, генератор акустических импульсов, усилитель-формирователь, шесть электронных ключей, два триггера, ждущий мультивибратор и два счетчика. 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 подключен 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 выходу 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, шесть электронных ключей 6-11, 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. Предварительной операцией предлагаемого способа является операция размещения плоскости излучения и плоскости регистрации зондирующих импульсов 19-22 (фиг. 2) на базовом расстоянии L_δ друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта 3. 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 генератором 4 электрического импульса 18 (фиг. 2). Сформированный на первом выходе генератора 4 импульс 18 поступает на первый ультразвуковой преобразователь 1. Возбуждаясь, преобразователь 1 в плоскости излучения формирует первый зондирующий импульс 19. Сформированный на втором выходе генератора 4 импульс 18 проходит открытый в исходном состоянии первый электронный ключ 6, запирает его за собой и поступает на первый установочный вход первого триггера 12. Триггер 12 запускается и приступает к формированию первого информационного сигнала 39, поступающего на управляющий вход ждущего мультивибратора 14.

Первый зондирующий импульс 19 (как и последующие зондирующие импульсы 20-22) излучается преобразователем 1 в направлении плоскости регистрации, в которой установлен второй преобразователь 2, и одновременно в направлении контролируемого объекта 3. Спустя время t₀ после момента излучения зондирующий импульс 19 в виде акустического сигнала 23 достигает плоскости регистрации и преобразователь 2 производит первую регистрацию зондирующего импульса 19, т.е. производит преобразование акустического сигнала 23 в электрический сигнал, поступающий на вход усилителя-формирователя 5. Сформированный усилителем 5 импульс 31 отпирает третий электронный ключ 8, проходит открытый в исходном состоянии второй ключ 7, запирает его за собой, отпирает четвертый ключ 9, запирает пятый ключ 10 и поступает на второй установочный вход триггера 12, соединенный с первым установочным входом ждущего мультивибратора 14. Формирование триггером 12 информационного сигнала 39 прекращается, а на вход первого счетчика 16 начинает поступать последовательность счетных импульсов 46-57 мультивибратора 14.

Длительность первого информационного сигнала 39 не зависит от значения расстояния L_x до объекта 3, поэтому сигнал 33 направляют на управляющий вход мультивибратора 14, т. е. используют длительность указанного сигнала для приведения (для предварительной корректировки) периода T_x следования счетных импульсов 46-57 в соответствии со значением скорости распространения зондирующих импульсов 19-22.

Следующим плоскость регистрации достигает акустический сигнал 27, соответствующий зондирующему импульсу 19, излученному в направлении объекта 3 и последовательно переотраженному поверхностью объекта 3 и первым преобразователем 1. Т. е. спустя время T_x после первой регистрации первого зондирующего импульса 19 (где T_x - время, равное удвоенному значению интервала времени, необходимого для зондирования расстояния L_x) ультразвуковой преобразователь 2 произведет вторую регистрацию указанного зондирующего импульса.

Соответствующий акустическому импульсу 27 электрический импульс 32 через третий и четвертый электронные ключи 8 и 9 поступает на вход второго счетчика 17 и на вход генератора 4. В результате счетчик 17 зарегистрирует импульс 32, а в плоскости излучения сформируется второй зондирующий импульс 20.

Электрический импульс 32 поступает также на запирающий вход четвертого ключа 9, на отпирающие входы пятого и шестого ключей 10 и 11, и на первый установочный вход второго триггера 13. Триггер 13 приступает к формированию первой последовательности информационных импульсов 40-42, а через шестой ключ 11 на второй установочный вход ждущего мультивибратора 14 поступит очередной счетный импульс 49 и тем самым прекратит процесс формирования последовательности счетных импульсов 46-57.

Кроме того, счетный импульс закроет за собой электронный ключ 11 и остановит работу второго триггера 13. Т.е. длительность dT₁ сформированного триггером 13 первого информационного импульса 40 первой последовательности, равная интервалу времени между моментами формирования импульсов 20 и 49, отражает степень несоответствия интервала времени T_x между электрическими импульсами 31 и 32 целому числу периодов T счетных импульсов ждущего мультивибратора 14.

Первую регистрацию второго зондирующего импульса 20 (акустического сигнала 24) ультразвуковой преобразователь 2 производит спустя время, необходимое для прохождения указанным зондирующим импульсом базового расстояния L_δ до плоскости регистрации. Соответствующий сигналу 24 электрический импульс 33 усилителя 5 через электронные ключи 8 и 10 поступает на вход одновибратора 15. Управляющий вход одновибратора 15 подключен к выходу второго триггера 13, поэтому первый информационный сигнал 43 второй последовательности сформируется спустя время dT₁ после поступления на вход одновибратора 15 импульса 33. Информационный импульс 43 с выхода одновибратора 15 поступает на первый установочный вход ждущего мультивибратора 14 и, тем самым, возобновляет процесс формирования счетных импульсов 46-56.

Информационный импульс 33 поступает также на отпирающий вход четвертого ключа 9, к выходу которого подключены вход генератора 4 и первый установочный вход второго триггера 13, и на запирающий вход пятого ключа 10. Тем самым импульс 33 подготавливает схему устройства для формирования второго информационного импульса 41 первой последовательности и для излучения очередного зондирующего импульса 21.

Для измерения расстояния L_x до контролируемого объекта 3 организуется процесс автоциркуляции акустических и электрических импульсов по контуру: генератор 4 - преобразователь 1 (зондирующие импульсы 19-22) - объект 3 - преобразователь 1 - преобразователь 2 (акустические сигналы 27-30) - усилитель 5 (электрические импульсы 32, 34, 36, 38) - третий электронный ключ 8 - четвертый электронный ключ 9 - генератор 4. Длительность указанного процесса, сопровождаемого регистрацией первым счетчиком 16 счетных импульсов 46-57 и регистрацией вторым счетчиком 17 импульсов 32, 34 и т.д., определяется емкостью счетчика 17.

Каждый из указанных импульсов, поступающих на вход второго счетчика 17, означает, что устройством произведено две регистрации очередного зондирующего импульса. Следовательно, емкостью счетчика 17 задают количество регистраций, производимых в течение одного цикла измерения, по времени проведения состоящего из первого и второго информационных сигналов. Передний и задний фронты второго информационного сигнала задаются моментами регистрации акустических сигналов 23 и 30.

Как показано на фиг. 2, второй информационный сигнал состоит из дискретных интервалов времени T_x между импульсами 31 и 32, 33 и 34, 35 и 36, и т. д. , заполняемых счетными импульсами 46-57. Следует отметить, что по сравнению с прототипом, у которого второй информационный сигнал представляет собою непрерывную последовательность интервалов времени T_x, в предлагаемом способе каждый из счетных импульсов 49, 52 и 56, останавливающих работу ждущего мультивибратора 14, является первым из счетных импульсов, предназначенных для заполнения очередного интервала времени T_x, т.е. первая и вторая последовательности информационных импульсов 40-42 и 43-45 предназначены для исключения неизбежного снижения точности измерения при преобразовании непрерывной последовательности интервалов времени T_x в дискретную их последовательность. Это позволяет отказаться от организации процесса автоциркуляции одним преобразователем, т.е. распределить функцию излучения и регистрации зондирующих импульсов при проведении указанного процесса между двумя преобразователями.

В конце каждого цикла измерения импульс переполнения второго счетчика 17 сбрасывает показания счетчика 16 и возвращает в исходные состояния электронные ключи 6, 7 и 8. Поэтому электрический импульс со второго выхода генератора 4, соответствующий импульсу 38 усилителя-формирователя 5, через первый ключ 6 поступит на первый управляющий вход первого триггера 12, приступающего к формированию первого информационного сигнала 39 для второго цикла измерения. Своим передним фронтом сигнал 39 остановит работу ждущего мультивибратора 14 и второго триггера 13. В результате очередной импульс второй последовательности информационных импульсов 40-42 не сформируется, а последним счетным импульсом, сформированным ждущим мультивибратором 14 при проведении первого цикла измерения, будет импульс 57. Т.е. при переполнении емкости счетчика 17 устройство приступает к проведению следующего цикла измерения. О значении расстояния L_x до контролируемого объекта 3 судят в конце каждого цикла измерения 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 F 17/02, 1985.

Формула изобретения

1. Способ измерения расстояния до объекта, предварительной операцией которого является размещение плоскости излучения и плоскости регистрации зондирующих импульсов на базовом расстоянии друг от друга вдоль линии, параллельной поверхности контролируемого объекта, и который заключается в формировании первого и последующих зондирующих импульсов в плоскости излучения, в формировании первого информационного сигнала длительностью, равной интервалу времени, необходимому для прохождения первым зондирующим импульсом базового расстоянии, 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 каждый очередной зондирующий импульс формируют в плоскости излучения в момент второй регистрации предыдущего зондирующего импульса, при этом формируют первую последовательность информационных импульсов, длительность каждого из которых выбирают равной интервалу времени между моментом формирования очередного зондирующего импульса и моментом формирования очередного счетного импульса, используют указанный счетный импульс для прекращения процесса формирования счетных импульсов, формируют вторую последовательность информационных импульсов, время формирования каждого из которых, отсчитываемое от момента первой регистрации очередного зондирующего импульса, выбирают равным длительности предыдущего информационного импульса первой последовательности, и используют информационные импульсы второй последовательности для возобновления процесса формирования счетных импульсов.

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, шесть электронных ключей, генератор акустических импульсов, к второму выходу которого подключен вход первого электронного ключа, усилитель-формирователь, 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 первого триггера, первый счетчик, вход которого подключен к выходу ждущего мультивибратора, и второй счетчик, вход которого подключен к выходу четвертого электронного ключа, отличающееся тем, что оно содержит второй триггер, первый установочный вход которого соединен с запирающим входом четвертого электронного ключа, с отпирающими входами пятого и шестого электронных ключей, с входом генератора акустических импульсов и подключен к выходу четвертого электронного ключа, а второй установочный вход соединен с запирающим входом шестого электронного ключа, с вторым установочным входом и управляющим входом ждущего мультивибратора и подключен к выходу третьего электронного ключа, и одновибратор, вход которого подключен к выходу пятого электронного ключа, управляющий вход - к выходу второго триггера, а к выходу, соединенному с выходом второго электронного ключа, подключены второй установочный вход первого триггера, отпирающий вход четвертого электронного ключа, запирающий вход второго и запирающий вход пятого электронных ключей, при этом первый ультразвуковой преобразователь подключен к первому выходу генератора акустических импульсов, вход усилителя-формирователя подключен к второму ультразвуковому преобразователю, запирающий вход первого электронного ключа соединен с первым установочным входом первого триггера, отпирающий вход первого электронного ключа соединен с отпирающим входом второго электронного ключа, с запирающим входом третьего электронного ключа, с входом сброса показаний первого счетчика и подключен к выходу второго счетчика, вход второго электронного ключа соединен с входом и отпирающим входом третьего электронного ключа и подключен к выходу усилителя-формирователя, вход четвертого электронного ключа соединен с входом пятого электронного ключа и подключен к выходу третьего электронного ключа, а вход шестого электронного ключа подключен к выходу ждущего мультивибратора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2