ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА ПОВЫШЕННОЙ ТОЧНОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к технике акустического контроля и может быть использовано для контроля скорости распространения акустических колебаний (звука) в жидких средах.

Известен измеритель скорости звука в жидкости, содержащий последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, излучающий преобразователь, селектор, второй вход которого соединен с выходом генератора зондирующих импульсов, усилитель и интегратор, управляемый генератор, входом соединенный с выходом интегратора, делитель частоты, входом подключенный к выходу управляемого генератора, регистратор, входом соединенный с выходом управляемого генератора, последовательно соединенные первый триггер, первый вход которого соединен с выходом усилителя, второй триггер и коммутатор, второй вход которого соединен с выходом первого триггера, а выход - с входом интегратора, распределитель импульсов, первый вход которого подключен к выходу делителя частоты, первый выход - к второму входу первого триггера, второй выход - к второму входу второго триггера, а третий - к входу генератора зондирующих импульсов (а.с. СССР, N 954873, G 01 N 29/02).

Недостатками такого измерителя являются невысокая точность измерения, вызванная неинформативной задержкой приемного сигнала в функциональных блоках (селектор, усилитель, первый триггер), сложность конструкции первичного акустического преобразователя и низкое быстродействие.

Известен измеритель скорости звука в жидкостях, содержащий последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов, приемо-передающий акустический преобразователь, ограничитель импульсов, компаратор, RS-триггер, D-триггер, коммутатор, интегратор, управляемый генератор, формирователь, делитель частоты и распределитель импульсов, первым выходом подключенный к входу генератора возбуждающих импульсов и стробирующему входу компаратора, выход RS-триггера, соединенный с D-входом D-триггера и со вторым входом коммутатора, C-вход D-триггера подключен к R-входу RS-триггера, а также регистратор, входом подключенный к выходу управляемого генератора (Исмайлов Т.К., Измайлов А. М. , Гуревич В.М. Частотно-временной гидрологический измеритель скорости. Океанолигия, т.X II, N 5, 1982, с. 839-843).

В таком измерителе упрощена конструкция первичного акустического преобразователя, однако не достигнуто повышение точности за счет уменьшения неинформативной задержки и снижения быстродействия.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения скорости звука (а. с. СССР, N 1536214, G 01 H 5/00), содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с отражателем, ограничитель импульсов и компаратор, дискриминатор длительности, последовательно соединенные ключевой элемент, формирователь импульсов, счетчиковый делитель и распределитель импульсов, первый выход которого соединен с входом генератора возбуждающих импульсов, второй выход распределителя импульсов соединен с первым входом дискриминатора длительности, первый и второй выходы которого подключены соответственно к первому и второму входам ключевого элемента, выход компаратара соединен с вторым входом дискриминатора длительности, а третий выход распределителя импульса подключен к третьему входу ключевого элемента.

Принцип работы такого измерителя, как и измерителей, описанных выше, заключается в уравновешивании временного интервала зондирования (интервал, отсчитываемый от момента формирования генератором возбуждающих импульсов короткого импульса ударного возбуждения, воздействующего на активный элемент - пьезоэлемент акустического преобразователя, до момента формирования приемного сигнала - сигнала, отраженного от отражателя акустического преобразователя с длительностью импульса на выходе распределителя - периодом импульсов, действующих на выходе счетчикового делителя. Сравнение временных интервалов осуществляется D-триггером - дискриминатором длительности, осуществляющим сравнение временных расположений переднего фронта приемного сигнала с обратным фронтом периода импульсов (по переднему фронту периода производится запуск генератора возбуждающих импульсов). Дискриминатор в зависимости от временного расположения фронтов формирует на прямом выходе сигнал "1" (если передний фронт приемного сигнала опережает обратный фронт периода) или сигнал "0" (в обратном случае). Выходной сигнал дискриминатора возникает на выходе ключевого элемента только при воздействии на его вход V управления (вход чтения) импульса корректирующего воздействия с длительностью, равной периоду импульсов на выходе счетчикового делителя. Сигнал "1" с выхода ключевого элемента вызывает повышение, а сигнал "0" - понижение напряжения на выходе интегратора, являющегося управляющим для управляемого генератора. При этом повышение напряжения приводит к повышению частоты колебаний генератора, а понижение - к уменьшению частоты. В установившемся режиме работы измерителя среднее значение периода импульсов на выходе делителя стремится к значению интервала зондирования, а частота f колебаний управляемого генератора будет пропорциональна скорости C звука, т.е.

f = K•C/L,
где К - коэффициент деления делителя;
L - базовое расстояние - расстояние от излучающей поверхности излучателя до отражающей поверхности отражателя и обратно.

В таком измерителе дальнейшее повышение точности достигнуто путем уменьшения неинформативной временной задержки исключением ряда функциональных блоков. Однако дальнейшее повышение точности сдерживается наличием пульсационной составляющей погрешности. Эта погрешность вызывается тем, что в установившемся режиме работы измерителя имеет место чередование положительных и отрицательных приращений напряжения на выходе интегратора, которое приводит к увеличению и уменьшению частоты колебаний управляемого генератора.

Снижение пульсации частоты управляемого генератора может быть достигнуто уменьшением длительности импульса корректирующего воздействия, поступающего на вход V ключевого элемента, или повышением постоянной времени интегратора. Однако эти мероприятия приводят к снижению быстродействия измерения. Поэтому на практике стремятся к компромиссу между постоянной времени измерителя и пульсационной составляющей погрешности измерителя. Это, однако, не позволяет одновременно улучшить метрологические и динамические показатели измерителя. Такой измеритель также имеет низкое быстродействие.

Задача предлагаемого изобретения - повышение точности измерения путем снижения пульсационной состовлящей погрешности и достижение высокого быстродействия посредством ступенчатого изменения длительности импульса корректирующего воздействия до максимального значения в режиме отслеживания значения скорости звука и до минимального значения - в установившемся режиме работы.

Поставленная задача достигается тем, что в измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные интегратор, управляемый генератор, формирователь импульсов, счетчиковый делитель и регистратор, входом подключенные к выходу формирователя импульсов, распределитель импульсов, последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов, входом соединенный с первым выходом распределителя, электроакустический преобразователь с отражателем и ограничитель импульсов, входом соединенный с выходом генератора возбуждающих импульсов, компаратор, первым входом соединенный с выходом ограничителя, а вторым - с первым выходом распределителя, дискриминатор длительности, первый вход которого соединен с вторым выходом распределителя импульсов, а второй - с выходом компаратора, ключевой элемент, первый и второй входы которого соответственно соединены с первым и вторым выходами дискриминатора длительности, а выход - с входом интегратора, согласно изобретению дополнительно введены частотный детектор, вход которого соединен с вторым выходом дискриминатора длительности, и одновибратор регулируемой длительности, первый вход которого соединен с выходом частотного детектора, второй - с выходом компаратора, а выход соединен с третьим входом ключевого элемента.

Совокупность существенных признаков отличительной части формулы предлагаемого изобретения, позволяющая одновременно повысить точность измерения за счет снижения пульсационной составляющей и быстродействие путем ступенчатого изменения длительности импульса корректирующего воздействия до максимального значения в режиме отслеживания значения скорости звука и до минимального значения в установившемся режиме, в уровне техники не обнаружена, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого измерителя скорости звука критерию "существенные отличия".

Дальнейшее подробное описание ведется в соответствии с чертежами, на которых: на фиг. 1 изображена блок-схема заявляемого измерителя; на фиг. 2 - блок-схема частотного детектора; на фиг. 3 - блок-схема одновибратора регулируемой длительности; на фиг. 4 - временные диаграммы, поясняющие работу измерителя.

Измеритель скорости звука содержит интегратор 1, управляемый по частоте генератор 2, формирователь 3 импульсов, счетчиковый делитель 4, регистратор 5, распределитель 6 импульсов, генератор 7 возбуждающих импульсов, первичный электроакустический преобразователь 8 с отражателем 9, ограничитель 10 импульсов, компаратор 11, дискриминатор 12 длительности, ключевой элемент 13, частотный детектор 14 и одновибратор 15 регулируемой длительности.

Частотный детектор 14 (фиг. 2) включает управляемый ключ 16, ограничительный резистор 17, дозирующий конденсатор 18, диод 19 цепи заряда конденсатора 18, сопротивление 20, сглаживающий конденсатор 21, компаратор 22.

Одновибратор 15 (фиг. 3) включает триггер 23, первое времязадающее сопротивление 24, управляемый ключ 25, второе времязадающее сопротивление 26, времязадающий конденсатор 27.

Электрические схемы генератора 7, ограничителя 10, компараторов 11 и 22, интегратора 1, управляемого генератора 2 и формирователя 3 приведены в книге Киясбейли А. Ш. , Измайлова А.М., Гуревича В.М. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. -М.: Машиностроение, 1984, с. 75-88. Счетчиковый делитель 4 - микросхема (м/с)- 564ИЕ14, распределитель 6 - м/с-564ИЕ9, дискриминатор 12 и триггер 23- м/с-564ТМ2, ключевой элемент 13- м/с-564ТР2, управляемые ключи 16 и 25 - м/с-564КТЗ. Регистратор 5 - частотомер 43- 34. Конструкция электроакустического преобразователя 8 с отражателем 9 подробна описана, например, в "Частотно-временной гидрологический измеритель скорости звука" Исмаилов Т. К. , Измайлов А. М., Гуревич В.М. "Океанология", N 5, 1982, с. 839-843.

Измеритель работает следующим образом.

Выходные импульсы управляемого по частоте генератора 2 нормализуются формирователем 3 и через делитель 4 с коэффициентом деления K в виде прямоугольных импульсов 28 (фиг. 4) поступают на счетный вход C распределителя 6. Формы импульсов на выходах 1, 2 распределителя 6 приведены на диаграммах 29, 30 (фиг.4).

По переднему фронту импульса 29 (фиг. 4) с первого выхода распределителя 6 производится запуск генератора 7, формирующего короткий импульс 31A (фиг. 4) ударного возбуждения, воздействующий на активный элемент первичного электроакустического преобразователя 8, преобразующего электрический импульс в акустический. Акустический импульс, пройдя контролируемую среду, отражается от отражателя 9 и, возвратившись к активному элементу преобразователя 8, преобразуется им в приемный электрический сигнал 31a (фиг. 4). Приемный сигнал через ограничитель 10 импульсов поступает на вход компаратора 11. Компаратор 11 осуществляет выделение, временную "привязку" и нормализацию приемного сигнала. На выходе компаратора 11 формируется нормализованный приемный сигнал 32 (фиг. 4). Импульс 31A (фиг. 4) ударного возбуждения не воспринимается компаратором 11, так как на его входе 2 (строб-входе) в этом время действует запретительный сигнал, поступающий с первого выхода распределителя 6.

Импульс с выхода компаратора 11 поступает одновременно на вход 2 дискриминатора 9 и на вход 2 одновибратора 15.

Дискриминатор 12 анализирует временное расположение переднего фронта приемного сигнала 32 (фиг.4) относительно обратного фронта импульса 30 (фиг. 4) с выхода 2 распределителя 6, т.е. дискриминатор 12 осуществляет сравнение длительности интервала зондирования (временной интервал τ, отсчитываемый от момента запуска генератора 7 до момента формирования компаратором 11 приемного сигнала) с двойным значением периода 2T импульсов, действующих на выходе делителя 4.

Если передний фронт приемного сигнала 32 (фиг. 4) опережает обратный фронт импульса 30 (фиг. 4) с выхода 2 распределителя 6, что имеет место при τ < 2T, то дискриминатор 12 остается в положении, при котором на его выходе 1 действует сигнал высокого логического уровня "1", а на выходе 2 - сигнал низкого логического уровня "0". В обратном случае, т.е. при τ > 2T, на выходе 1 будет действовать сигнал - "0", а на выходе 2 - сигнал "1". Сигналы "1" и "0" или "0" и "1" с выходов 1 и 2 дискриминатора 12 воздействуют на входы 1 и 2 ключевого элемента 13.

Одновибратор 15 (фиг. 3) при поступлении на его вход 2 импульса 33 (фиг. 4) с выхода компаратора 11 формирует на своем выходе прямоугольный импульс длительностью τ₀ ≅ 0,69•C27•R24, где C27 и R24 - значения времязадающих конденсатора 27 и резистора 24. Этот импульс, воздействуя на вход 3 ключевого элемента 10, вызывает на выходе последнего сигнал "1", если на его входе 1 действует сигнал "1", а на входе 2 - сигнал "0"; или сигнал "0", если на входе 1 действует сигнал "0", а на входе 2 - сигнал "1". В промежутке между импульсами одновибратора 15 выход ключевого элемента 13 переходит в высокоимпедансное состояние.

Сигнал "1"("0") с выхода элемента 13 приводит к увеличению (уменьшению) напряжения на выходе интегратора 1, являющегося управляющим для генератора 2, что приводит к увеличению (уменьшению) частоты колебаний генератора 12.

В установившемся режиме работы измерителя на выходах 1 и 2 дискриминатора 12 происходит чередование сигналов "1" и "0", на выходе ключевого элемента 13 - сигналов "1" и "0", на выходе интегратора 1 - приращений напряжения (положительных и отрицательных) и условий τ < 2T и τ > 2T. При этом следует отметить, что величина приращения напряжения на выходе интегратора 1 определяется постоянной времени последного и длительностью τ₀ импульса с выхода одновибратора 15 - импульса корректирующего воздействия.

Сигналы "1" и "0", образующиеся на выходе 2 (выходе 1) дискриминатора 12 в установившемся режиме, воздействуя на вход V управляемого ключа 16 (фиг. 2), вызывают соответственно замыкание и размыкание его коммутирующих выводов X. При разомкнутых выводах X ключа 16 дозирующий конденсатор 18 заряжается по цепи: плюс источника напряжения - резистор 17 - диод 19 - общая шина питания (┴) При замкнутых выводах X ключа 16 конденсатор 18 разряжается по цепи: замкнутые выводы X общая шина питания (┴) - резистор 20 (конденсатор 21). При этом на параллельно соединенных R20 и С21 выделяется постоянное напряжение, среднее значение которого пропорционально частоте входных сигналов, емкости конденсатора 18 и напряжению заряда последнего. Конденсатор 21 предназначен для сглаживания напряжения, выделяемого на резисторе R20 при разрядах конденсатора C18. Компаратор 22 нормализует это напряжение в логический сигнал "1". Этот сигнал, поступая на вход 1 одновибратора 15 (фиг. 3), вызывает замыкание выводов X управляемого ключа 25, подключающих параллельно к времязадающему резистору R24 резистор R26. Таким образом, в этом режиме работы одновибратора 15 имеет место уменьшение значения времязадающего резистора и, следовательно, уменьшение длительности формируемого импульса до значения

Таким образом, в установившемся режиме работы измерителя длительность τ импульса корректирующего воздействия, действующего на входе 3 ключевого элемента 13, уменьшается до значения , и следовательно, уменьшается величина приращения (положительного и отрицательного) напряжения на входе интегратора 1.

Уменьшение приращений напряжения на выходе интегратора 1 приводит к снижению приращений (положительных и отрицательных) частоты колебаний генератора 2. Это, в свою очередь, приводит к снижению пульсации частоты f импульсов, действующих на выходе формирователя 3 и, следовательно, к повышению точности измерения скорости C звука.

Одновременно более высокое значение длительности τ₀ импульса корректирующего воздействия в режиме отслеживания скорости звука по сравнению с длительностью в установившемся режиме работы позволяет повысить быстродействие измерителя без ухудшения точности и, таким образом, практически исключить имеющееся противоречивое требование между быстродействием и точностью.

Как показали исследования экспериментального образца измерителя скорости звука, построенного по предлагаемой схеме, точность измерения повышена до ±(1,6-2,0) см/с, пульсация-частоты f снижена до минимально возможного значения ±3 Гц (при времени измерения 0,1 с). Время измерения (при скачкообразном изменении скорости звука от 140500 до 155000 см/с) не превышает 0,6 с. (В прототипе это время составляет 1,0-1,2 с, при τ₀ ≅ 55 мкс и 4 мкс).

Измеритель может быть использован для контроля скорости распространения акустических колебаний (звука) в жидких средах. Измеритель содержит счетчиковый делитель, распределитель импульсов, генератор возбуждающих импульсов, ограничитель импульсов, компаратор, первичный электроакустический преобразователь с отражателем, дискриминатор длительности, ключевой элемент, управляемый по частоте генератор, формирователь импульсов и регистратор. Введение частотного детектора и одновибратора регулируемой длительности обеспечивает повышение точности измерения путем снижения пульсации частоты выходного сигнала и достижения высокого быстродействия посредством ступенчатого изменения длительности импульса корректирующего воздействия до максимального значения в режиме отслеживания значения скорости звука и до минимального значения в установившемся режиме работы. 4 ил.

Измеритель скорости звука повышенной точности, содержащий последовательно соединенные интегратор, управляемый генератор, формирователь импульсов, счетчиковый делитель и регистратор, входом подключенный к выходу формирователя импульсов, распределитель импульсов, последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов, входом соединенный с первым выходом распределителя, электроакустический преобразователь с отражателем и ограничитель импульсов, входом соединенный с выходом генератора возбуждающих импульсов, компаратор, первым входом соединенный с выходом ограничителя импульсов, а вторым - с первым выходом распределителя, дискриминатор длительности, первый вход которого соединен с вторым выходом распределителя импульсов, а второй - с выходом компаратора, ключевой элемент, первый и второй входы которого соответственно соединены с первым и вторым выходами дискриминатора длительности, а выход - с входом интегратора, отличающийся тем, что в измеритель дополнительно введены частотный детектор, вход которого соединен с вторым выходом дискриминатора длительности, и одновибратор регулируемой длительности, первый вход которого соединен с выходом частотного детектора, второй вход - с выходом компаратора, а выход соединен с третьим входом ключевого элемента.