СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА В ЖИДКИХ СРЕДАХ Российский патент 2002 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может быть использовано в тех областях науки и техники, где необходимо знание скорости ультразвука в жидких средах.

Известен также способ определения скорости ультразвука (см. Носов В.А. "Проектирование ультразвуковой измерительной аппаратуры", М.: Машиностроение, 1972 г. , с. 83-84), заключающийся в том, что между пьезопреобразователем и отражателем, находящимися на расстоянии l₁, устанавливают стоячую ультразвуковую волну в жидкости на частоте f, после чего перемещают отражатель по отношению к пьезопреобразователю па расстояние l₁ и отсчитывают при этом n максимумов или минимумов стоячей волны, а скорость ультразвука С определяют по формуле:

Недостатком этого способа является необходимость поиска и установки отражателя в положение, при котором наблюдается максимум или минимум стоячей ультразвуковой волны при каждом измерении, что снижает производительность процесса измерения.

Известно также устройство для осуществления способа определения скорости ультразвука в жидких средах (см. А.с. SU 1797038 А1, 23.02.1993 г.), заключающегося в том, что в жидкость пьезопреобразователем излучают и принимают ультразвуковую волну, отраженную от торца поршня-отражателя. Этим создают стоячую ультразвуковую волну на частоте f и равномерно перемещают поршень-отражатель на известном фиксированном расстоянии l₀, отсчитывают при этом n максимумов стоячей ультразвуковой волны и скорость ультразвука С определяют по формуле:

Недостатком известного способа является низкая точность определения скорости ультразвука, так как на фиксированном расстоянии движение поршня-отражателя является равномерным и число максимумов стоячей ультразвуковой волны отсчитывают с точностью до Δn=±1, поскольку фаза стоячей ультразвуковой волны у поверхности пьезопреобразователя при крайнем верхнем и крайнем нижнем положении поршня-отражателя в жидкости произвольна из-за постоянства частоты ультразвуковой волны и фиксированности расстояния, проходимого поршнем-отражателем.

Задача предлагаемого изобретения заключается в повышении точности определения скорости звука в жидких средах.

Это достигается тем, что в способе, заключающемся в том, что в жидкую среду с помощью пьезопреобразователя излучают и принимают ультразвуковую волну, отраженную от торца поршня-отражателя, движущегося в жидкости на фиксированном расстоянии L, поршнь-отражатель неравномерно перемещают на фиксированном расстоянии L и в течение всего времени его движения непрерывно определяют величину доплеровского смещения частоты F(t) отраженной ультразвуковой волны, излучаемой пьезопреобразователем в жидкую среду, а скорость ультразвука С находят из выражения:

где - площадь фигуры, ограниченной кривой F(t) и осью времени t на временном интервале от нуля до t движения поршня-отражателя на фиксированном расстоянии L.

В предлагаемом способе с помощью пьезопреобразователя излучают падающую ультразвуковую волну в жидкую среду, которая, дойдя до торца поршня-отражателя, отражается и возвращается на пьезопреобразователь. При неподвижном поршне-отражателе частоты падающей и отраженной ультразвуковых волн равны. В результате между пьезопреобразователем и торцем поршня-отражателя образуется стоячая ультразвуковая волна с произвольной фазой у поверхности пьезопреобразователя. При движении поршня-отражателя из одного крайнего положения в другое на фиксированном расстоянии L частота отраженной ультразвуковой волны изменяется на величину доплеровского смещения, которое связано со скоростью v движения поршня-отражателя выражением:

где f - частота падающей ультразвуковой волны;
F - доплеровское смещение частоты отраженной ультразвуковой волны.

Так как скорость движения поршня-отражателя на фиксированном расстоянии L неравномерна, то величина доплеровского смещения частоты F оказывается функцией времени. В связи с этим осуществляют непрерывное измерение доплеровского смещения частоты F(t) с использованием какого-либо метода спектрального анализа, в результате чего получают непрерывную функцию F(t) и производят ее численное интегрирование на интервале от 0 до t движения поршня-отражателя на фиксированном расстоянии L. При этом начальная и конечная фаза стоячей волны между пьезопреобразователем и поршнем-отражателем в его начальном и конечном положениях не оказывает влияния на величину интеграла , за счет чего и повышается точность определения скорости ультразвука. В то время как в известном способе число максимумов стоячей ультразвуковой волны отсчитывают с точностью до Δn=±1, поскольку поршень-отражатель движется равномерно и фаза стоячей ультразвуковой волны у поверхности пьезопреобразователя при крайнем верхнем и крайнем нижнем положении поршня-отражателя в жидкости произвольна из-зa постоянства частоты ультразвуковой волны и фиксированности расстояния, равномерно проходимого поршнем-отражателей, что ограничивает точность определения скорости ультразвука.

На чертеже представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит пьезопреобразователь 1, цилиндр 2, заполненный жидкостью, и поршень-отражатель 3, помещенный в жидкость, расположенный коаксиально цилиндру 2 соленоид 4, связанный с выходом источника питания 5, управляющий вход которого соединен с управляющим выходом ЭВМ 6, вход которой соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя 7, вход которого соединен с выходом усилителя 8, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора 9, вход которого соединен с пьезопреобразователем 1 и выходом генератора высокой частоты 10.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Поршень-отражатель 3 находится в крайнем нижнем положении в цилиндре 2, заполненном жидкостью. Генератор высокой частоты 10 вырабатывает непрерывные высокочастотные колебания, которые подаются на пьезопреобразователь 1, который преобразует эти колебания в падающую ультразвуковую волну в жидкости, которая, дойдя до торца поршня-отражателя 3, отражается и возвращается на пьезопреобразователь 1. Таким образом, между пьезопреобразователем 1 и поршнем-отражателем 3 устанавливается стоячая ультразвуковая волна с произвольной фазой у поверхности пьезопреобразователя 1. При запуске измерений ЭВМ 6 выдает на управляющий выход сигнал включения источника питания 5, который создает ток в соленоиде 4, который создает магнитное поле, под действием которого поршень-отражатель 3 приходит в движение вверх. При этом в соответствии с эффектом Доплера отраженная ультразвуковая волна приобретает доплеровское смещение частоты по отношению к частоте падающей ультразвуковой волны. В результате сложения падающей и отраженной ультразвуковых волн создаются биения, огибающая которых имеет частоту, равную доплеровскому смещению частоты отраженной ультразвуковой волны относительно падающей ультразвуковой волны. С выхода пьезопреобразователя 1 биения поступают на вход амплитудного детектора 9, на выходе которого формируется сигнал, соответствующий огибающей биений, который усиливается усилителем 8 и поступает на вход аналого-цифровото преобразователя 7, с выхода которого цифровая последовательность, соответствующая этому сигналу, поступает в ЭВМ 6, где обрабатывается в соответствии с программой, осуществляющей определение функции F(t) каким-либо методом спектрального анализа, численное интегрирование полученной зависимости и определение скорости ультразвука по приведенной выше формуле (3), в которой f - частота, задаваемая генератором высокой частоты 10, L - расстояние, пройденное поршнем-отражателем 3 из крайнего нижнего в крайнее верхнее положение в цилиндре 2.

Пример. Предлагаемый способ реализован с использованием цилиндра диаметром 10 мм и высотой 60 мм, поршня диаметром 9,5 мм и высотой 40 мм, помещенного в дистиллированную воду при температуре 20^oC, пьезопреобразователя из пьезокерамики ЦТС- 19, который был соединен с выходом генератора высокой частоты Г4-158 и с входом амплитудного детектора, выполненного па диоде Д9А, выход которого соединен с входом усилителя, выполненного на микросхеме КР140УД6А, включенной по инвертирующей схеме с коэффициентом усиления К=10, выход которого соединен с входом АЦП 1113ПВ1, выход которого соединен с шиной ЭВМ типа IBM PC AT 386, управляющий выход которой соединен с управляющим входом управляемого блока питания Б5-47, выход которого соединен с соленоидом, имеющим 2000 витков провода ПЭВ-II-0,6. Измерения проводились на частоте 10,3 МГц. В результате было получено значение скорости ультразвука, равное 1481,9 м/с с относительной погрешностью 0,06%. В то время как в известном способе при этих же условиях скорость ультразвука определяется с погрешностью не менее 0,36%, т.к. число импульсов, регистрируемых на ходе поршня отражателя в 20 мм, составляет 278.

Изобретение предназначено для использования в ультразвуковой технике. Технический результат - повышение точности определения скорости ультразвука в жидких средах в интерферометрах переменной базы с непрерывно движущимся отражателем. В жидкую среду пьезопреобразователем излучают ультразвуковую волну. Принимают ультразвуковую волну, отраженную от поршня-отражателя, неравномерно движущегося в жидкости на фиксированном расстоянии. В течение всего времени движения поршня-отражателя выделяют огибающую биений электрических колебаний, соответствующих отраженной ультразвуковой волне. Непрерывно определяют величину частоты огибающей биений, соответствующую доплеровскому смещению частоты отраженной ультразвуковой волны, а скорость ультразвука определяют по формуле, приведенной в описании. 1 ил.

Способ определения скорости ультразвука в жидких средах, заключающийся в том, что в жидкую среду с помощью пьезопреобразователя излучают и принимают ультразвуковую волну, отраженную от торца поршня-отражателя, движущегося в жидкости на фиксированном расстоянии L, отличающийся тем, что поршню-отражателю сообщают неравномерное движение на фиксированном расстоянии L и в течение всего времени движения поршня-отражателя непрерывно определяют величину доплеровского смещения частоты F(t) отраженной ультразвуковой волны, излучаемой пьезопреобразователем в жидкую среду, а скорость ультразвука С определяют из выражения

где - площадь фигуры, ограниченной кривой F(t) и осью времени t на временном интервале от нуля до t движения поршня-отражетеля на фиксированном расстоянии L;
f - частота излучаемой ультразвуковой волны.