СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА Российский патент 1998 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, веществ и изделий по скорости распространения ультразвуковых колебаний и может быть использовано для сигнализации о быстрых измерениях состава газообразных, например, воздушных сред.

Известен способ определения скорости ультразвука, при котором измеряют разность частот повторения импульсов двух каналов (эталонного и измерительного), каждый из которых образует систему с обратной связью, затем фильтруют напряжение разностной частоты, а затем усиливают, ограничивают и подсчитывают число импульсов разностной частоты [1].

Недостатком указанного способа является то, что полная компенсация влияния влажности атмосферного воздуха на результат измерений невозможна.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ определения скорости ультразвука, заключающийся в том, что в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале - импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов, образуют последовательность опорных электрических импульсов с частотой автоциркуляции и последовательности электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного сигнала, используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, а о скорости ультразвука судят по общему числу высокочастотных импульсов, заполняющих эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени, высокочастотные импульсы получают от стабильного генератора, формируют контрольные интервалы времени, равные времени распространения акустического импульса в контролируемом канале, а за измерительный интервал времени принимают промежуток времени, в течение которого общее количество высокочастотных импульсов, заполняющих контрольные интервалы, достигнет фиксированного числа [2].

Недостаток известного способа в следующем. При контроле загрязнения воздушной среды вредными газами в измерительный канал поступает контролируемый газ, а эталонный канал выполняют замкнутым. Измерительный канал сообщается с внешней средой и заполняется газом с определенным значением относительной влажности ϕ воздуха, а изменение частоты автоциркуляции при разных значениях ϕ происходит по кривым, близким по характеру и мультипликативному воздействию.

В эталонном канале относительно весовое содержание паров Х влаги при этом остается постоянным, а изменение частоты автоциркуляции в нем имеет аддитивный характер (кривые Х = 1,8%, Х = 1,3%, Х = 1%, Х = 0; по рис. 6.22, с. 192 [3]).

В результате полная компенсация влияния влажности воздуха на результат измерений невозможна. Погрешность измерений по способу коррекции влияния влажности атмосферного воздуха [3, с.194] даже в узком диапазоне изменения относительной влажности от ϕ = 100 до ϕ = 60% составляет ±0,12% от номинального значения измеряемой величины, что на два-три порядка превышает допустимую погрешность газоанализатора при контроле большинства вредных газов [4] .

Сущность изобретения достигается тем, что в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале - импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов, образуют последовательность опорных электрических импульсов с частотой автоциркуляции и последовательности электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного канала, используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, а о скорости ультразвука судят по общему числу высокочастотных импульсов, заполняющих эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени. Высокочастотные импульсы получают от стабильного генератора, формируют контрольные интервалы времени, равные времени распространения акустического импульса в контролируемом канале, а за измерительный интервал времени принимают промежуток времени, в течение которого общее количество высокочастотных импульсов, заполняющих контрольные интервалы, достигнет фиксированного числа. Согласно изобретению,через эталонный канал пропускают контролируемый газ.

В результате этого при резком (залповом) выбросе, например, аммиака в атмосферу концентрация его в контролируемом канале быстро достигает концентрации аммиака в воздухе, а в эталонном канале выравнивание концентрации произойдет за определенный промежуток времени, соизмеримый с временем проникновения в эталонный канал влаги атмосферного воздуха.

Таким образом, газосигнализатор при подобном исполнении будет своевременно реагировать на залповые выбросы веществ, в то же время он будет нечувствителен к влажностному воздействию, так как измерительный и эталонный каналы сообщаются с внешней средой и заполняются газом с определенным значением относительной влажности ϕ воздуха, а изменение частоты автоциркуляции в каналах при разных значениях ϕ происходит по кривым, близким по характеру к мультипликативным воздействиям, которые компенсируются и не оказывают влияния на результат измерений.

На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего описываемый способ.

Устройство содержит контролируемый канал автоциркуляции электроакустических импульсов, который представлен на чертеже последовательно соединенными синхронизируемым генератором 1 импульсов, формирователем 2 контрольного интервала, излучателем 3 колебаний, контролируемой средой 4, приемником 5 колебаний, усилительно-формирующим блоком 6, а также эталонный канал, представленный последовательно соединенными излучателем 7 колебаний, эталонной средой 8, приемником 9 колебаний, усилительно-формирующим блоком 10 и формирователем 11 эталонного интервала, причем вход излучателя 7 соединен с выходом генератора 1 и вторым входом формирователя 11. Устройство также содержит последовательно соединенные генератор 12 стабильных колебаний, каскад 13 совпадений, делитель 14 частоты, второй каскад 15 совпадений и счетчик 16 импульсов, причем выход формирователя 2 соединен со вторым входом каскада 13, выход формирователя 11 соединен со вторым входом каскада 15, третий вход которого соединен с выходом генератора 12.

Способ осуществляется следующим образом. Генератор 1 вырабатывает электрические импульсы, которые после преобразования их в акустические, проходят контролируемый канал, поступают на вход генератора 1, вызывая повторный цикл автоциркуляции электроакустических импульсов, а также поступают на вход формирователя 2, формируются и поступают на второй вход каскада 13, управляя прохождением высокочастотных импульсов с периодом Т_o с выхода генератора 12 на вход делителя 14, имеющего коэффициент деления K_э. Число N_к импульсов с длительностью (контрольный интервал) и периодом T_к автоциркуляции, поступивших с выхода формирователя 2 на вход каскада 13 в течение измерительного интервала, определяется из условия:

где - время распространения импульса в акустической среде контролируемого канала.

Импульсы с выхода генератора 1 поступают также на второй вход формирователя 11 и, пройдя через излучатель 7, контролируемую среду 8, приемник 9 и блок 10, поступают на первый вход формирователя 11, на выходе которого формируются импульсы с периодом T_к автоциркуляции и длительностью , равной времени распространения импульса в акустической среде эталонного канала.

С выхода формирователя 11 импульсы поступают на второй вход каскада 15, управляя прохождением высокочастотных импульсов с выхода генератора 12 на вход счетчика 16.

Общее число N_x высокочастотных импульсов, заполняющих N_k эталонных интервалов времени, длительностью каждый в течение измерительного интервала N_кT_к, с учетом выражения (2) равно:

Следовательно, результат измерений по описываемому способу, принимая во внимание обратную пропорциональность времени распространения акустических колебания в среде и скорость ультразвука, может быть записан в виде:

где C_к - скорость ультразвука в контролируемом канале;
C_э - скорость ультразвука в эталонном канале.

При выборе условий физической реализации способа достаточно ограничиться соотношением:

справедливым и для известного способа.

В результате проведенного анализа, например при определении скорости ультразвука в атмосферном воздухе, графиков суточного изменения относительной влажности атмосферного воздуха минимальная постоянная времени τ_э изменения влажности атмосферного воздуха равна [5] τ_э= 4000 c.
Постоянная времени τ_э воздухообмена эталонного канала выбрана равной 800 с из условия качественной пятикратной продувки датчика.

В контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале - импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов. Затем из импульсов автоциркуляции образуют последовательность опорных электрических импульсов, а из импульсов, прошедших эталонный канал, также формируют импульсы и используют их совместно с опорными импульсами для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале.

Далее, используя импульсы автоциркуляции, формируют контрольные интервалы времени, равные времени распространения акустического импульса в контролируемом канале.Затем получают высокочастотные импульсы от стабильного генератора, заполняют высокочастотными импульсами контрольные интервалы и одновременно начинают заполнять высокочастотными импульсами эталонные интервалы, подсчитывая число этих импульсов. В момент времени, когда общее число высокочастотных импульсов, заполняющих контрольные интервалы, достигает фиксированного числа, прекращают заполнение высокочастотными импульсами эталонных интервалов и судят о скорости ультразвука по числу высокочастотных импульсов, появившихся при заполнении ими эталонных интервалов с момента начала до момента окончания заполнения.

Описываемый способ позволяет на два-три порядка повысить точность сигнализации о быстрых изменениях состава газообразных сред и может быть осуществлен также в других способах и устройствах, результат измерения в которых пропорционален отношению скоростей звука в измерительном и эталонном каналах.

Источники информации:
1. Носов В.А.Проектирование ультразвуковой измерительной аппаратуры.-М.: Машиностроение, 1972,с.109-110.

2. SU, а.с. N 894551, кл. G 01 N 29/00, 1981.

3.Новицкий П.В., Кнорринг В.Г., Гутников В.С. Цифровые приборы с частотными датчиками.- Л.: Энергия, 1970,с.191-194.

4. Воробьев Н.П. Исследование и разработка псевдоселективного измерителя уровня загрязненности воздуха для автоматизированной системы контроля. Диссерт. на соиск.учен. степ. к.т.н., Томск, 1980,с. 43,табл. 1-7.

5. Метеорологический ежемесячник. Главное управление гидрометеорологической службы при Совете Министров СССР. Западно-Сибирское управление гидрометслужбы. Новосибирск, 1973, вып. 20, ч. 3, N 1-9.

Использование: для определения функционально зависящих от скорости ультразвуковых параметров и показателей жидких и газообразных сред. Сущность: в предлагаемом способе через эталонный и контролируемый каналы пропускают контролируемый газ. В контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале - импульсный режим прохождения электроакустических импульсов, а в эталонном канале - импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов, затем из импульсов автоциркуляции образуют последовательность опорных электрических импульсов, а из импульсов, прошедших эталонный канал, формируют импульсы и используют их совместно с опорными импульсами для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, после чего формируют контрольные интервалы времени, равные времени распространения акустического импульса в контролируемом канале, получают импульсы, заполняют высокочастотными импульсами контрольные интервалы и одновременно заполняют эталонные интервалы с подсчетом числа этих импульсов, затем в момент времени, когда общее число высокочастотных импульсов, заполняющие контрольные интервалы, достигает фиксированного числа, прекращают заполнение эталонных интервалов и судят о скорости ультразвука по числу высокочастотных импульсов, появившихся при заполнении сами эталонных интервалов с момента начала до момента окончания заполнения. 1 ил.

Способ определения скорости ультразвука, при котором в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов, образуют последовательность опорных электрических импульсов с частотой автоциркуляции и последовательность электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного канала, используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, а о скорости ультразвука судят по общему числу высокочастотных импульсов, заполняющих эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени, высокочастотные импульсы получают от стабильного генератора, формируют контрольные интервалы времени, равные времени распространения акустического импульса в контролируемом канале, а за измерительный интервал времени принимают промежуток времени, в течение которого общее количество высокочастотных импульсов, заполняющих контрольные интервалы, достигает фиксированного числа, отличающийся тем, что через эталонный канал пропускают контролируемый газ.