ультразвуковое устройство для измерения расстояний в газовой среде

Формула изобретения

Ультразвуковое устройство для измерения расстояний в газовой среде, содержащее в рабочем канале излучающий преобразователь и последовательно соединенные приемный пьезокерамический преобразователь, усилитель и детектор-формирователь и аналогичные узлы в эталонном канале, содержащее также устройство управления, формирователь импульсов, соединенный выходом с входами обоих излучающих преобразователей, устройство индикации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения в условиях изменения физических характеристик газовой среды, дополнительно введен коррелометр, содержащий два электронных ключа в рабочем и эталонном каналах, дополнительный электронный ключ, фильтр нижних частот, суммирующий и инвертирующий усилители, два резистора, активный фильтр нижних частот, управлющие входы электронных ключей соединены с выходами соответствующих детекторов-формирователей, сигнальные входы электронных ключей с выходом суммирующего усилителя, причем электронный ключ рабочего канала соединен через инвертирующий усилитель, а электронный ключ эталонного канала и дополнительный электронный ключ соединены непосредственно, выход электронного ключа эталонного канала соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом суммирующего усилителя, опорный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выходы электронных ключей рабочего канала и дополнительного соединены через два резистора равной величины с входом активного фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом устройства индикации, выходы устройства управления соединены с входами формирователя импульсов, усилителей и детекторов-формирователей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к ультразвуковым средствам бесконтактного измерения дистанций, контроля взаимного положения элементов машин и конструкций, и может быть использовано для повышения точности измерения в условиях изменения физических характеристик газовой среды.

Ультразвуковые устройства получили развитие в связи с промышленной потребностью при управлении технологическими процессами в химическом производстве, в зонах с радиоактивным излучением, при пространственной ориентации и сопряжении крупных конструкций, сооружений и т. д. работающих в газовой среде, в сложных метеорологических условиях при изменении температуры от минус 40 до плюс 50^oС, относительной влажности до 98% и атмосферном давлении от 96 до 104 кПа.

Известно ультразвуковое устройство для измерения расстояний в газовой среде, содержащее в рабочем канале излучающий преобразователь и последовательно соединенные приемный пьезокерамический преобразователь, усилитель и детектор-формирователь и аналогичные узлы в эталонном канале, содержащее также устройство управления, формирователь импульсов, соединенный выходом с входами обоих излучающих преобразователей, устройство индикации.

Недостатком известного устройства является сравнительно невысокая точность измерения, обусловленная тем, что измеряемая дистанция зависит от скорости распространения звука в газовой среде, скорость, в свою очередь, зависит от случайных факторов, определяемых физико-химическими свойствами газовой среды, нестабильность которых приводит к появлению погрешности измерения. Необходимо отметить, что в практической реализации ультразвуковых устройств при проектировании эталонного канала необходимо считаться с тем, что конструктивно эталонный канал размещается в непосредственной близости от рабочего канала, но далеко не всегда ему параллелен, а скорее наоборот находится в плоскости, перпендикулярной направлению излучения, так как параллельное размещение отражающих поверхностей эталонного канала практически не может быть осуществлено при пространственных перемещениях конструкций машин и механизмов относительно друг друга.

Как правило, при выборе величины эталонной дистанции приходится эту дистанцию выбирать минимально возможной по конструктивным соображениям. При равенстве измеряемой и эталонной дистанций ультразвуковое устройство имеет нулевую погрешность измерения. Во всех других случаях измерения погрешность, обусловленная средой и другими факторами, будет присутствовать. Помимо этого, измеряемая дистанция зависит от естественной временной задержки приемоизлучающих узлов, в которых происходит преобразование электрических сигналов в акустические и наоборот, возникающей вследствие их ограниченной полосы пропускания, что требует некоторого времени на завершение переходных процессов в них как при излучении, так и при приеме ультразвуковых посылок. Эта временная задержка, называемая временем аппаратурного запаздывания, суммируется с измеряемым параметром временем пробега акустических волн до поверхности контролируемого изделия и обратно и как постоянная добавка приводит к прямой погрешности в измерениях. Эта погрешность, приведенная к измеряемой дистанции, может доходить до 5-15 мм.

Целью изобретения является повышение точности измерения в условиях изменения физических характеристик газовой среды.

Поставленная цель достигается тем, что в ультразвуковое устройство для измерения расстояний в газовой среде, содержащее в рабочем канале излучающий преобразователь и последовательно соединенные приемный пьезокерамический преобразователь, усилитель и детектор-формирователь и аналогичные узлы в эталонном канале, содержащее также устройство управления, формирователь импульсов, соединенный выходом с входами обоих излучающих преобразователей, устройство индикации, дополнительно введен коррелометр, содержащий два электронных ключа в рабочем и эталонном каналах, дополнительный электронный ключ, фильтр нижних частот, суммирующий и инвертирующий усилители, два резистора, активный фильтр нижних частот, управляющие входы электронных ключей соединены с выходами соответствующих детекторов-формирователей, сигнальные входы электронных ключей соединены с выходом суммирующего усилителя, причем электронный ключ рабочего канала соединен через инвертирующий усилитель, а электронный ключ эталонного канала и дополнительный электронный ключ соединены непосредственно, выход электронного ключа эталонного канала соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом суммирующего усилителя, опорный вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, выходы электронных ключей рабочего канала и дополнительного соединены через два резистора равной величины с входом активного фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом устройства индикации, выходы устройства управления соединены с входами формирователя импульсов, усилителей и детекторов-формирователей.

На фиг.1 представлена структурная схема заявленного устройства, на фиг.2 функциональная схема коррелометра, на фиг.3 временная диаграмма прохождения сигналов в основных цепях коррелометра для случая, когда L_x > L_к.

Заявленное устройство (фиг. 1) состоит из следующих основных узлов: устройства управления 1, формирователя импульсов 2, излучающего 3 и приемного 4 пьезокерамических преобразователей рабочего канала, излучающего 5 и приемного 6 пьезокерамических преобразователей эталонного канала, усилителей 7, 8 и детекторов-формирователей 9, 10 соответственно рабочего и эталонного каналов, коррелометра 11, аналого-цифрового преобразователя 12, устройства индикации 13. В качестве аналого-цифрового преобразователя и устройства индикации использованы общеизвестные серийные элементы, описанные в технической литературе.

Основной частью заявляемого устройства является коррелометр, использование которого в ультразвуковом устройстве, имеющего в своем составе два измерительных канала: один для получения информации о времени распространения упругих волн в рабочем канале L_x, другой в эталонном канале L_к, повышает точность измерения.

Коррелометр (фиг.2) состоит из следующих основных элементов: электронных ключей (в последующем просто "ключи") 14, 15, 16, фильтра нижних частот 17, суммирующего усилителя 18, инвертирующего усилителя 19, двух резисторов R, активного фильтра нижних частот 20.

Коррелометр работает следующим образом. Его работа поясняется временной диаграммой прохождения сигналов в основных цепях (фиг.3). На управляющий вход ключа 14 поступает от детектора-формирователя 9 (фиг.1) широтно-импульсно-модулированная последовательность случайных сигналов u_упр.(_x) (фиг. 3,А), в которой длительность каждого импульса отражает время распространения импульсных посылок от акустического приемоизлучающего узла до поверхности контролируемого изделия и обратно. Такой же вид имеет случайный сигнал u_упр.(_к) (фиг. 3, Б), поступающий от детектора-формирователя 10 (фиг.1) на управляющие входы ключей 15, 16. Сигналы u_упр.(_x) и u_упр.(_к) являются случайными, т. к. значения _х и _к зависят от случайных факторов, определяемых физико-химическими свойствами газовой среды и временем запаздывания сигналов в каналах излучения, приема и обработки. После прохождения через фильтр нижних частот 17 выходной сигнал (фиг. 3,С) ключа 15 поступает на один из входов суммирующего усилителя 18, на другой опорный вход которого подается сигнал +u_к от источника опорного напряжения. С выхода суммирующего усилителя сигнал (фиг.3,Д) поступает на сигнальные входы ключей 15 и 16 и одновременно на вход инвертирующего усилителя 19 с единичным коэффициентом передачи по напряжению. Для сокращения в последующем сигнальные входы ключей будем называть просто входами. Сигнал (фиг.3,Е) с выхода инвертирующего усилителя поступает на вход ключа 14. Сигналы (фиг.3,Ж и З) с выходов ключей 14 и 16 проходят через два резистора R равной величины и далее полусумма сигналов (фиг. 3, И) поступает на вход активного фильтра нижних частот 20, на выходе которого получаем сигнал u_вых (фиг.3,К), пропорциональный функции взаимной корреляции случайных сигналов u_упр.(_x) и u_упр.(_к). Поступление импульса u_упр.(_к) длительностью _к из канала измерения эталонной дистанции L_к в управляющую цепь ключа 15 приводит к его открыванию, в результате чего на его выходе возникает прямоугольный импульс длительностью _к с амплитудой u, где u выходной сигнал суммирующего усилителя. Среднее значение выходного сигнала ключа 15 за период Т выделяется фильтром нижних частот и после компенсации сигналом +u_к в суммирующем усилителе усиливается до величины u, являющейся входным сигналом для ключей 15 и 16. Суммирующий усилитель изменяет фазу входного сигнала на обратную, т.е. имеет отрицательный коэффициент передачи. Анализ показывает, что для части структурной схемы, включающей ключ 15, фильтр нижних частот (ФНЧ) 17 и суммирующий усилитель 18, модуль комплекса выходного сигнала суммирующего усилителя в полосе пропускания ФНЧ не зависит от частоты и определяется как

, (1)

где К_u модуль коэффициента передачи суммирующего усилителя в полосе пропускания ФНЧ,

Н₁ модуль коэффициента передачи ФНЧ в полосе пропускания,

_к длительность импульса эталонного канала,

Т длительность периода.

Так как K_u > 1, выражение (1) можно представить в виде

. (2)

Отсюда видно, что любые изменения _к будут приводить к пропорциональным изменениям u с обратным знаком.

Воздействие сигнала u на ключи 14 и 16 приведет к появлению на их выходах сигналов, среднее значение которых составит

для ключа 14

, (3)

для ключа 16

, (4)

где _x длительность импульса рабочего канала, знак "+" в выражении (3) взят по причине инвертирования фазы выходного сигнала суммирующего усилителя инвертирующим усилителем с единичным коэффициентом передачи.

Очевидно, что на входе активного фильтра нижних частот (АФНЧ) сигнал составит полусумму сигналов из выражений (3) и (4), поскольку резисторы на выходах ключей 14 и 16 равны по величине:

, (5)

а после прохождения через АФНЧ выходной сигнал устройства составит

, (6)

где H₂ модуль коэффициента передачи АФНЧ в полосе пропускания.

Длительность выходных сигналов эталонного _к и рабочего _x каналов определяется временем распространения упругих волн до соответствующей отражающей поверхности и дополнительным временем аппаратурного запаздывания _апп.. Аппаратурное время запаздывания это суммарная задержка импульсного сигнала при прохождении им через электронные устройства из-за их ограниченной амплитудно-фазо-частотной и переходной характеристик, являющаяся временем отклика на импульсное входное воздействие. Так как обработка сигналов эталонного и рабочего осуществляется в разных, но идентичных по построению каналах, то можно считать _апп. для обоих каналов одинаковой величиной.

, (7)

где L_x и L_к дистанции от приемоизлучающего узла соответственно до контролируемой поверхности изделия и до отражающей поверхности эталонной дистанции,

C_x и C_к скорость распространения звука в соответствующих каналах.

С учетом уравнений (7) выражение (6) приобретает вид

. (8)

Выражение (8) и есть функция преобразования выходного сигнала коррелометра по схеме фиг.2.

Таким образом, когда L_x L_к и C_x C_к, выражение в квадратных скобках обращается в ноль, т.е. сигнал на выходе отсутствует и, следовательно, не зависит ни от абсолютного значения скорости звука, ни от абсолютной величины времени аппаратурного запаздывания.

Зависимость изменения выходного сигнала от изменения измеряемой дистанции L_x, имеющей вид

, (9)

является линейной, так как в дифференциальное уравнение (9) с постоянными коэффициентами входят непрерывная функция и ее производные в первой степени.

Выходной сигнал коррелометра, величина которого соответствует значению измеряемой дистанции, вводится в аналого-цифровой преобразователь, затем на устройство индикации выводится информация о значении измеряемой дистанции.