многоканальный ультразвуковой уровнемер

Формула изобретения

1. МНОГОКАНАЛЬНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ УРОВНЕМЕР, содержащий приемопередатчики, подключенные к соответствующим N(N 1) акустическим блокам с передающими и приемными акустическими преобразователями, и центральный контроллер, выходы управления которого соединены с первыми входами приемопередатчиков, отличающийся тем, что каждый приемопередатчик выполнен в виде приемного и передающего усилителей-формирователей, вторые входы которых подключены к выходу ценрального контроллера, вход которого соединен с выходом приемного усилителя-формирователя, первый вход которого подключен к приемному акустическому преобразователю, а выход передающего усилителя-формирователя соединен с передающим акустическим преобразователем.

2. Уровнемер по п.1, отличающийся тем, что центральный контроллер выполнен с блоком управления, соединенным с устройством индикации, и блоком коммутации каналов, вход и выходы которого являются входом и выходами центрального контроллера.

3. Уровнемер по п.2, отличающийся тем, что блок коммутации каналов выполнен в виде мультиплексора сигналов управления и демультиплексора выходных сигналов приемопередатчиков, шины адреса которых подключены к шине адреса блока управления, информационные вход и выход которого соединены соответственно с информационным выходом демультиплексора и информационным входом мультиплексора, при этом вход демультиплексора и выход мультиплексора являются соответственно входом и выходом управления блока коммутации каналов.

4. Уровнемер по пп.2 и 3, отличающийся тем, что блок коммутации каналов выполнен с коммутатором напряжения питания приемопередатчиков, шина адреса которого подключена к шине адреса блока управления, а выход является выходом блока коммутации каналов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения уровня различных жидких и сыпучих продуктов в закрытых и открытых емкостях.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является многоканальный ультразвуковой уровнемер, содержащий N акустических блоков, подключенных к соответствующим приемопередатчикам, и центральный контроллер, формирующий сигналы управления приемопередатчиками и обеспечивающий их питание. Каждый приемопередатчик содержит емкостный накопитель энергии и переключатель, обеспечивающий их питание. Каждый приемопередатчик содержит емкостный накопитель энергии и переключатель, обеспечивающий в зависимости от сигнала управления подключение этого накопителя к линии связи или к цепям питания приемопередатчика. Центральный контроллер содержит выходной усилитель, подключенный через резисторы к линиям питания приемопередатчиков, и мультиплексор сигналов управления приемопередатчиками.

К недостаткам известного устройства следует отнести низкое быстродействие измерений, надежность и помехоустойчивость.

Целью изобретения является исключение управляемых генераторов в приемопередатчиках для повышения надежности и помехоустойчивости, а также создание условий для повышения быстродействия измерений уровня.

Поставленная цель достигается тем, что в многоканальный ультразвуковой уровнемер, содержащий N акустических блоков с передающими и приемными акустическими преобразователями, подключенных к соответствующим приемопередатчикам, и центральный контроллер, соединенный с приемопередатчиками линиями управления, введены дополнительные линии связи центрального контроллера с приемопередатчиками, которые выполнены в виде имеющих вход и выход приемных и передающих усилителей-формирователей, причем выходы передающих и входы приемных усилителей-формирователей соединены соответственно с передающим и приемным акустическими преобразователями акустических блоков, а входы передающих и выходы приемных усилителей-формирователей соединены соответственно с линиями управления и дополнительными линиями связи. Центральный контроллер при этом может содержать блок управления, соединенный с устройством индикации и блоком коммутации каналов, к которому подключены линии связи с приемопередатчиками.

Повышение быстродействия достигается тем, что блок коммутации каналов содержит мультиплексор сигналов управления и демультиплексор выходных сигналов приемопередатчиков, причем адресные входы мультиплексора и демультиплексора, информационный вход мультиплексора и информационный выход демультиплексора соединены с соответствующим выходами и входами блока управления. Блок коммутации каналов может дополнительно содержать коммутатор напряжений питания приемопередатчиков, адресные входы которого соединены с адресными выходами блока управления, а выходы коммутатора через дополнительные линии связи соединены с цепями питания приемопередатчиков.

Благодаря наличию отдельных линий связи приемопередатчиков с центральным контроллером обеспечивается возможность передачи по линиям управления сигналов на рабочей частоте передающего акустического преобразователя каждого канала и, следовательно, возможность выполнить приемопередатчики в виде простейших усилителей-формирователей. В предложенном устройстве центральный контроллер формирует пачку импульсов на рабочей частоте передающего акустического преобразователя. Передающий усилитель-формирователь осуществляет простейшие функции приема сигналов с линии и их усиления до необходимого уровня. Благодаря этому исключается необходимость применения в приемопередатчиках сложных управляемых генераторов, что и обеспечивает существенное упрощение и повышение надежности уровнемера. Это особенно существенно в случаях, когда приемопередатчики должны работать в широком диапазоне температур окружающей среды и построение стабильных генераторов (с учетом необходимости обеспечения соответствия частоты их выходных сигналов резонансной частоте передающего акустического преобразователя) связано с существенными техническими сложностями.

Ранее передача импульсов на рабочей частоте акустических преобразователей от центрального блока к приемопередатчикам и соответственно выполнение передающей части приемопередатчиков в виде простейших усилителей-формирователей в многоканальных ультразвуковых уровнемерах (дальномерах) и в других областях техники не применялась.

Применение отдельных линий связи приемопередатчиков с центральным контроллером и их разделение (цепями питания) позволяет также существенно повысить помехоустойчивость уровнемера. Воздействие помех на каждую линию приводит к получению ложной информации только в одном канале уровнемера. Работоспособность и метрологические характеристики остальных каналов при этом сохраняются.

Применение демультиплексора выходных сигналов приемопередатчика позволяет организовать одновременную работу всех каналов и тем самым существенно повысить быстродействие измерения уровня. В этом случае контроллер за короткий интервал времени передает управляющие импульсы на все каналы, а затем поочередно (с высокой частотой) опрашивает линии связи с выходами приемопередатчиков.

На фиг. 1 дана стpуктурная схема многоканального ультразвукового уровнемера; на фиг. 2 - блок коммутации каналов, вариант выполнения.

Многоканальный ультразвуковой уровнемер содержит N акустических блоков 1, подключенных к соответствующим приемопередатчикам 2, и центральный контроллер 3, который содержит блок 4 управления, устройство 5 индикации и блок 6 коммутации каналов. Каждый приемопередатчик 2 содержит передающий 7 и приемный 8 усилители-формирователи, выход и вход которых подключены соответственно к передающему 9 и приемному 10 акустическим преобразователям акустических блоков 1.

Блок 6 коммутации каналов соединен с приемопередатчиками 2 при помощи линий 11 управления и выходных линий 12 приемопередатчиков. Приемопередатчики 2 могут иметь автономные источники питания или получать питание от центрального контроллера 3 по дополнительным линиям 13 связи.

Блок 6 коммутации каналов (фиг. 2) в общем случае содержит мультиплексор 14 сигналов управления, демультиплексор 15 выходных сигналов приемопередатчиков 2 и коммутатор 16 напряжений питания, адресные входы которых при помощи адресной шины 17 соединены с адресными выходами блока 4 управления. Информационный вход мультиплексора 14 и информационный выход демультиплексора 15 при помощи линий 18 и 19 соединены с соответствующими выходом и входом блока 4 управления.

Приемные 9 и передающие 10 акустические преобразователи акустических блоков 1 выполнены в виде армированных сталью многослойных пьезокерамических пакетов и расположены в верхней части емкостей, в которых необходимо контролировать уровень каких-либо продуктов.

Передающий 7 и приемный 8 усилители-формирователи приемопередатчиков 2 в простейшем случае выполнены в виде высокочастотных усилителей. Передающий усилитель-формирователь 7 может иметь на входе пороговое устройство (компаратор), повышающее помехоустойчивость схемы. Приемный усилитель-формирователь 7, кроме одного-трех каскадов усиления на транзисторах или микросхемах, может содержать детектор и пороговое устройство (компаратор), обеспечивающее передачу в линию связи однополярных импульсов напряжения в случае, когда принимаемый приемным акустическим преобразователем 10 сигнал превышает заданную величину. Возможно также детектирование принимаемых сигналов непосредственно в блоке 4 управления.

Блок 4 управления может быть выполнен в виде одноплатного микроконтроллера на базе однокристальной микроЭВМ серии 1816. Возможно также применение серийно выпускаемой микроЭВМ, например типа С5-41. Устройство индикации 5 выполнено, в частности, в виде набора светодиодных или вакуумно-люминесцентных семисегментных цифровых индикаторов, подключенных к параллельным портам вывода информации блока 4 управления.

Мультиплексор 14 и демультиплексор 15 могут быть выполнены и на базе микросхем типа К561КП2 или К590КН3. В качестве мультиплексора можно использовать также дешифраторы серии К561 и К555. Коммутатор 16 напряжений питания приемопередатчиков 2 может быть выполнен в виде последовательно соединенного дешифратора (микросхемы серии К561, К555) и токовых ключей (микросхемы серии К1109).

Многоканальный ультразвуковой уровнемер работает следующим образом.

Блок 4 управления выставляет на адресной шине 17 код номера одного из приемопередатчиков 2 и одновременно на линии 18 формирует пачку импульсов с частотой около 44 кГц (в соответствии с резонансной частотой акустических преобразователей) и общей длительностью около 0,5 мс. Мультиплексор 14 по одной из линий 11 (в зависимости от выставленного адреса) передает эту пачку импульсов на соответствующий приемопередатчик 2. Передающий усилитель-формирователь 7 приемопередатчика 2 осуществляет усиление этих импульсов по мощности и их передачу на передающий акустический преобразователь 9. Через интервал времени, равный удвоенному времени прохождения ультразвукового импульса от акустического блока 1 до границы раздела с контролируемой средой, приемный акустический преобразователь 10 фиксирует отраженный сигнал. Этот сигнал усиливается при помощи приемного усилителя-формирователя 8 и по соответствующей линии 13 связи поступает на вход демультиплексора 15. Если на адресном входе этого демультиплексора установлен код, соответствующий данному каналу измерения уровня, то выходной сигнал приемопередатчика поступает на выходную шину 19 демультиплексора 15 и соответственно на вход блока 4 управления.

Блок 4 управления измеряет при помощи таймера продолжительность интервала времени между моментом передачи управляющих импульсов и передним фронтом принимаемого отраженного сигнала. Путем умножения длительности этого интервала на скорость распространения ультразвука определяется расстояние до поверхности контролируемой среды. Результат измерения уровня определяется как разность между расстоянием до условного дна (высотой емкости) и полученным расстоянием до поверхности среды. Этот результат вместе с номером канала передается на цифровое устройство 5 индикации.

При работе одновременно с несколькими каналами блок 4 управления последовательно (через 0,5 мс) изменяет адрес приемопередатчика, формируя при этом импульсы управления. В результате этого во всех емкостях формируются и начинают распространяться ультразвуковые импульсы. Затем блок 4 управления переходит в режим приема отраженных сигналов. При этом с высокой частотой последовательно изменяется адрес на входах мультиплексора 15 и блок 4 управления контролирует моменты прихода отраженных сигналов в каждом канале. Информация на устройство 5 индикации в этом случае выдается по заданной программе или по требованию оператора (органы управления на фиг. 1 условно не показаны).

При отсутствии жестких требований к энергопотреблению системы все приемопередатчики 2 запитываются одновременно от внутренних источников питания или от центрального контроллера 3 по линиям 13. Коммутатор напряжений питания приемопередатчиков 2 при этом отсутствует.

При повышенных требованиях к экономичности уровнемера в блок 6 коммутации каналов устанавливается дополнительный коммутатор 16, подающий напряжение питания только на тот приемопередатчик 2, с которым работает блок 4 управления в текущий момент времени.

Реализация предложенного технического решения позволяет по сравнению с прототипом значительно упростить приемопередатчики и, следовательно, повысить надежность многоканального уровнемера. Причем выигрыш в надежности будет возрастать при увеличении числа каналов в уровнемере.

Воздействие помех на любую из линий связи одного канала не приводит к искажению результатов измерения уровня по другим каналам. Пульсации и коммутационные помехи по цепям питания, ввиду разделенности выходных цепей и цепей питания, не влияет на работоспособность устройства. Поэтому помехоустойчивость предложенного многоканального ультразвукового уровнемера существенно выше, чем прототипа.

Кроме того, быстродействие измерения в предложенном устройстве значительно выше, чем в прототипе, за счет обеспечения возможности одновременного измерения уровня в нескольких каналах.