RU2225082C1

RU2225082C1 - Acoustic unit of ultrasonic measuring device

Info

Publication number: RU2225082C1
Application number: RU2002119612/28A
Authority: RU
Inventors: А.Б. Жмылев; Л.А. Лисицинский; А.В. Топунов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Взлет"
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-27
Also published as: RU2002119612A

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed acoustic unit has sound guide made in the form of tube that houses electroacoustic transducer on its upper end. Electroacoustic transducer is mounted on holder made of sound-absorbing material in the form of truncated cone whose section faces lower end of sound guide. In addition electroacoustic transducer is disposed in cone section plane. Holder is made so that reflected ultrasonic pulses propagating within range limited by length of electroacoustic transducer could be incident on the latter and remaining ultrasonic pulses incident on side surfaces of holder could be reflected from them upwards to keep them away from electroacoustic transducer. EFFECT: reduced impact of noise onto measurement accuracy of device. 7 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к технике измерения уровня жидких, сыпучих веществ или измерения расхода вещества, его скорости и других параметров, если в основе этих измерений лежит принцип измерения уровня. The invention relates to a measurement technique, and in particular, to a technique for measuring the level of liquid, bulk solids or measuring a substance’s flow rate, its speed and other parameters, if the principle of level measurement is the basis of these measurements.

Известен акустический блок ультразвукового измерительного устройства (авторское свидетельство СССР 1623386), предназначенного для измерения уровня жидких сред, в котором акустический блок выполнен в виде электроакустического преобразователя. Преобразователь соединен с блоком обработки и вывода информации. При проведении измерений зондирующие ультразвуковые импульсы имеют направление, перпендикулярное направлению границы раздела двух сред. После отражения от нее ультразвуковой импульс возвращается на преобразователь, преобразуется в электрический приемный импульс и обрабатывается в блоке обработки и отображения информации. По временному промежутку между моментами излучения зондирующего импульса и приема отраженного от границы раздела излученного импульса, а также по величине скорости ультразвука в воздухе определяют расстояние от преобразователя до границы раздела двух сред или уровень вещества, например в резервуаре. Но на результаты измерения сказывается наличие воздушных потоков. Еще одной составляющей, влияющей на достоверность измерений, является очень широкая диаграмма направленности акустического блока, которая приводит к тому, что на результаты измерений влияют импульсы, отраженные от боковых стенок резервуара или от других объектов, попадающих в зону ультразвукового луча. A known acoustic unit of an ultrasonic measuring device (USSR author's certificate 1623386), designed to measure the level of liquid media, in which the acoustic unit is made in the form of an electro-acoustic transducer. The converter is connected to the information processing and output unit. During measurements, probing ultrasonic pulses have a direction perpendicular to the direction of the interface between two media. After reflection from it, the ultrasonic pulse is returned to the transducer, converted into an electrical receiving pulse and processed in the information processing and display unit. From the time interval between the moments of radiation of the probe pulse and the reception of the radiated pulse reflected from the interface, as well as the value of the speed of ultrasound in air, the distance from the transducer to the interface between two media or the level of a substance, for example, in a tank, is determined. But the presence of air flows affects the measurement results. Another component that influences the reliability of measurements is a very wide radiation pattern of the acoustic unit, which leads to the fact that the results of measurements are affected by pulses reflected from the side walls of the tank or from other objects falling into the zone of the ultrasonic beam.

Этого недостатка лишен известный акустический блок ультразвукового измерительного устройства, который является наиболее близким к предлагаемому по конструкции (свидетельство РФ 17616). Он содержит звуковод, выполненный в виде трубы, внутри которого на его конце установлен электроакустический преобразователь. Звуковод формирует требуемую диаграмму направленности и уменьшает воздушные потоки. Но наличие звуковода в виде трубы приводит к искажению результатов измерения, из-за переотражения ультразвуковых импульсов от его внутренних стенок и в результате снижается точность измерения
Задачей, решаемой изобретением, является разработка акустического блока, обеспечивающего уменьшение влияния помех на точность измерений ультразвукового измерительного устройства.This disadvantage is deprived of the known acoustic unit of an ultrasonic measuring device, which is the closest to the proposed design (certificate of the Russian Federation 17616). It contains a sound guide made in the form of a pipe, inside of which an electro-acoustic transducer is installed at its end. The sound guide generates the desired radiation pattern and reduces air flow. But the presence of a sound guide in the form of a pipe leads to a distortion of the measurement results, due to the re-reflection of ultrasonic pulses from its internal walls and, as a result, the measurement accuracy decreases
The problem solved by the invention is the development of an acoustic unit, which reduces the influence of interference on the measurement accuracy of an ultrasonic measuring device.

Для решения поставленной задачи предлагаемый акустический блок ультразвукового измерительного устройства содержит также, как и известный, звуковод, выполненный в виде трубы, внутри которого на его конце установлен электроакустический преобразователь. Но в отличие от известного электроакустический преобразователь закреплен в держателе, выполненном в виде усеченного конуса, обращенного сечением в сторону второго конца звуковода, причем электроакустический преобразователь расположен в плоскости сечения конуса. To solve this problem, the proposed acoustic unit of an ultrasonic measuring device also contains, like the well-known one, a sound guide made in the form of a pipe, inside which an electro-acoustic transducer is installed at its end. But in contrast to the known electro-acoustic transducer is fixed in the holder, made in the form of a truncated cone, facing the cross section towards the second end of the sound guide, and the electro-acoustic transducer is located in the plane of the cone section.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 2 формулы изобретения, характеризует акустический блок ультразвукового измерительного устройства, в котором свободный конец звуковода выполнен скошенным. The set of features set forth in paragraph 2 of the claims characterizes the acoustic unit of the ultrasonic measuring device, in which the free end of the sound guide is made beveled.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 3 формулы изобретения, характеризует акустический блок ультразвукового измерительного устройства, в котором линия, образующая свободный конец звуковода, в том числе и скошенный, имеет форму кривой с чередующимися выступами и впадинами. The set of features set forth in paragraph 3 of the claims characterizes the acoustic unit of an ultrasonic measuring device in which the line forming the free end of the sound guide, including the beveled one, has a curve shape with alternating protrusions and depressions.

Выполнение свободного конца звуковода скошенным или с чередующимися выступами и впадинами уменьшает переотражение ультразвуковых волн от свободного конца звуковода. Performing the free end of the sound guide with beveled or with alternating protrusions and depressions reduces the re-reflection of ultrasonic waves from the free end of the sound guide.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 4 формулы изобретения, характеризует акустический блок ультразвукового измерительного устройства, в котором внутри звуковода на его свободном конце установлено реперное кольцо, выполненное из звукоотражающего материала. Реперное кольцо обеспечивает частичное отражение ультразвуковых импульсов и дает возможность определять скорость ультразвука в окружающей среде. The set of features set forth in paragraph 4 of the claims characterizes the acoustic unit of the ultrasonic measuring device, in which a reference ring made of sound-reflecting material is installed inside the sound guide at its free end. The reference ring provides a partial reflection of ultrasonic pulses and makes it possible to determine the speed of ultrasound in the environment.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 5 формулы изобретения, характеризует акустический блок ультразвукового измерительного устройства, в котором внутренняя поверхность звуковода покрыта звукопоглощающим покрытием. Звукопоглощающее покрытие уменьшает переотражение ультразвуковых волн от боковых стенок звуковода. The set of features set forth in paragraph 5 of the claims characterizes the acoustic unit of an ultrasonic measuring device in which the inner surface of the sound guide is coated with a sound-absorbing coating. The sound-absorbing coating reduces the re-reflection of ultrasonic waves from the side walls of the sound guide.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 6 формулы изобретения, характеризует акустический блок ультразвукового измерительного устройства, в котором внешняя поверхность держателя покрыта звукопоглощающим покрытием. При таком выполнении держателя гасятся ультразвуковые колебания, которые попадают на его стенки. The set of features set forth in paragraph 6 of the claims characterizes the acoustic unit of an ultrasonic measuring device in which the outer surface of the holder is covered with a sound-absorbing coating. With this embodiment, the holder is damped by ultrasonic vibrations that fall on its walls.

Совокупность признаков, изложенная в пункте 7 формулы изобретения, характеризует акустический блок ультразвукового измерительного устройства, в котором в качестве звукопоглощающего покрытия использован синтепон. The set of features set forth in paragraph 7 of the claims characterizes the acoustic unit of an ultrasonic measuring device in which a synthetic winterizer is used as a sound-absorbing coating.

Изобретение поясняется чертежами, где показаны:
фиг. 1 - схема ультразвукового измерительного устройства, в которой свободный конец звуковода снабжен реперной поверхностью;
фиг. 2 - схема ультразвукового измерительного устройства с реперной поверхностью и со звукопоглощающим покрытием;
фиг.3 и 4 - варианты выполнения свободного конца звуковода.The invention is illustrated by drawings, which show:
FIG. 1 is a diagram of an ultrasonic measuring device in which the free end of a sound guide is provided with a reference surface;
FIG. 2 is a diagram of an ultrasonic measuring device with a reference surface and with a sound-absorbing coating;
figure 3 and 4 are embodiments of the free end of the sound guide.

Акустический блок ультразвукового измерительного устройства (фиг.1) состоит из электроакустического преобразователя 1, установленного на конце звуковода 2, выполненного в виде трубы. Диаметр трубы выбирается из условия получения требуемой диаграммы направленности. Электроакустический преобразователь закреплен в держателе 3, выполненном в виде усеченного конуса, обращенного сечением в сторону второго конца звуковода, причем электроакустический преобразователь расположен в плоскости сечения конуса. На фиг.1 показан вариант выполнения второго конца звуковода, снабженного реперным кольцом 4, выполненным из звукоотражающего покрытия. Стенки звуковода 2 могут быть покрыты звукопоглощающим покрытием 5, и таким образом устраняется переотражение ультразвуковых колебаний от боковых стенок звуковода. Внешняя боковая сторона держателя 3 может быть покрыта звукопоглощающим покрытием 6. Для устранения явления переотражения ультразвуковых колебаний от свободного конца он выполняется либо скошенным (фиг.3), либо в виде чередующихся выступов и впадин, например зубчатым (фиг.4). The acoustic unit of the ultrasonic measuring device (figure 1) consists of an electro-acoustic transducer 1 mounted on the end of the sound guide 2, made in the form of a pipe. The pipe diameter is selected from the conditions for obtaining the desired radiation pattern. The electro-acoustic transducer is fixed in the holder 3, made in the form of a truncated cone, the section facing the second end of the sound guide, and the electro-acoustic transducer is located in the plane of the section of the cone. Figure 1 shows an embodiment of a second end of a sound guide provided with a reference ring 4 made of a sound-reflecting coating. The walls of the sound guide 2 can be coated with a sound-absorbing coating 5, and thus the re-reflection of ultrasonic vibrations from the side walls of the sound guide is eliminated. The outer side of the holder 3 may be coated with a sound-absorbing coating 6. To eliminate the phenomenon of re-reflection of ultrasonic vibrations from the free end, it is either beveled (Fig. 3) or in the form of alternating protrusions and depressions, for example, toothed (Fig. 4).

Отраженные ультразвуковые импульсы, направление распространения которых лежит в пределах, ограниченных протяженностью электоакустического преобразователя, попадают на преобразователь и дают точную информацию о расстоянии до границы раздела двух сред. Остальные импульсы попадают на боковые поверхности усеченного конуса и отражаются от них вверх. Эти импульсы уже не могут попасть на преобразователь за счет переотражения от стенок звуковода, как это могло бы произойти при отсутствии держателя в виде усеченного конуса. В случае покрытия стенок звуковода звукопоглощающим покрытием, например синтепоном, количество помех дополнительно уменьшается. Этой же цели служит звукопоглощающее покрытие наружных стенок держателя. Reflected ultrasonic pulses, the propagation direction of which lies within the limits limited by the length of the electro-acoustic transducer, fall on the transducer and give accurate information about the distance to the interface between two media. The remaining pulses fall on the lateral surfaces of the truncated cone and are reflected upward from them. These pulses can no longer reach the transducer due to re-reflection from the walls of the sound guide, as this could happen if there was no holder in the form of a truncated cone. In the case of covering the walls of the sound guide with a sound-absorbing coating, for example, synthetic winterizer, the amount of interference is further reduced. The sound-absorbing coating of the outer walls of the holder serves the same purpose.

Ультразвуковые колебания от преобразователя 1 по звуководу 2 попадают на поверхность, уровень которой нужно измерить. Отразившись от границы раздела двух сред ультразвуковые колебания опять через звуковод 2 попадают на электроакустический преобразователь 1. Ultrasonic vibrations from the transducer 1 through the sound guide 2 fall on the surface, the level of which must be measured. Reflected from the interface between two media, ultrasonic vibrations again through sound guide 2 fall on the electro-acoustic transducer 1.

Расстояние до измеряемой поверхности определяется по формуле: D=ТС/2, где Т - время между излученным и принятым, отраженным от границы раздела, импульсами; С - скорость ультразвука в воздухе. Можно использовать ее табличное значение, но в нем учитываются не все параметры, например, не учитывается влажность окружающей среды. Поэтому дополнительно, в процессе проведения измерений, измеряют скорость ультразвука. Для этого используют реперное кольцо 4, выполненное из звукоотражающего материала. Реперное кольцо устанавливают на фиксированном, известном расстоянии от преобразователя. Ультразвуковой импульс, частично отразившись от звукоотражающего реперного кольца 4, поступает на электроакустический преобразователь. По известному расстоянию между реперным кольцом и преобразователем, измеренным временем между зондирующим и принятым импульсами определяют скорость С ультразвука по формуле
C=2R/t,
где R - расстояние между реперным кольцом и преобразователем;
t - время между зондирующим и принятым импульсами.The distance to the measured surface is determined by the formula: D = TC / 2, where T is the time between the pulses emitted and received, reflected from the interface, C is the speed of ultrasound in air. You can use its tabular value, but not all parameters are taken into account, for example, environmental humidity is not taken into account. Therefore, in addition, during the measurement process, the speed of ultrasound is measured. For this purpose, a reference ring 4 made of sound-reflecting material is used. The reference ring is installed at a fixed, known distance from the transducer. The ultrasonic pulse, partially reflected from the sound-reflecting reference ring 4, is supplied to the electro-acoustic transducer. From the known distance between the reference ring and the transducer, measured by the time between the probing and received pulses, the ultrasound speed C is determined by the formula
C = 2R / t,
where R is the distance between the reference ring and the Converter;
t is the time between the probing and received pulses.

Использование держателя в виде конической поверхности в этом случае дает дополнительный эффект, уменьшая помехи не только при измерении времени. Но и при измерении скорости ультразвука. Using the holder in the form of a conical surface in this case gives an additional effect, reducing interference not only when measuring time. But also when measuring the speed of ultrasound.

Описание конструкции и работы устройства показывают, что акустический блок обеспечивает уменьшение влияния помех на точность измерений ультразвукового измерительного устройства. The description of the design and operation of the device shows that the acoustic unit reduces the influence of interference on the measurement accuracy of the ultrasonic measuring device.

Claims

1. The acoustic unit of an ultrasonic measuring device containing a sound guide made in the form of a pipe, inside which an electro-acoustic transducer is installed at its upper end, characterized in that the electro-acoustic transducer is mounted in a holder made of sound-absorbing material in the form of a truncated cone facing the lower side of the section the end of the sound guide, and the electro-acoustic transducer is located in the plane of the cross section of the cone, while the holder is made so that from Agen ultrasonic pulses propagation direction which lies within the restricted length electroacoustic transducer, fell to the electroacoustic transducer, while the other ultrasonic pulses falling on the side surface of the holder, reflected upward from them to avoid their contact with the electroacoustic transducer.

2. The acoustic unit of the ultrasonic measuring device according to claim 1, characterized in that the free end of the sound guide is made beveled.

3. The acoustic unit of the ultrasonic measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the line forming the free end of the sound guide has a curve shape with alternating protrusions and depressions.

4. The acoustic unit of the ultrasonic measuring device according to claim 1, characterized in that a reference ring made of sound-reflecting material is installed at a certain distance inside the sound guide at its lower free end.

5. The acoustic unit of the ultrasonic measuring device according to claim 1 or 2, or 3, or 4, characterized in that the inner surface of the sound guide is coated with a sound-absorbing coating.

6. The acoustic unit of the ultrasonic measuring device according to claim 1 or 2, or 3, or 4, or 5, characterized in that the outer surface of the holder is covered with a sound-absorbing coating.

7. The acoustic unit of the ultrasonic measuring device according to claim 5 or 6, characterized in that the synthetic winterizer is used as a sound-absorbing coating.