УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОДНОРОДНЫХ СРЕД Российский патент 2015 года по МПК G01H15/00 G01N29/00 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и может быть использовано при ультразвуковом контроле физико-химических характеристик различных однородных сред, например в криминалистике.

Известно устройство, предназначенное для осуществления способа измерения акустического сопротивления сред с помощью ультразвуковых импульсов (SU 1504602 A1, МПК G01N 29/00, опубл. 30.08.89. Бюл. №32). Устройство позволяет исследовать и идентифицировать акустическим методом различные газы. Указанное устройство имеет ограниченную область применения, поскольку обеспечивает повышенную чувствительность к акустическому сопротивлению исследуемой среды только при условии, что акустическое сопротивление исследуемой среды существенно меньше акустического сопротивления эталонной среды. Например, при исследовании газов с помощью твердого эталона.

Кроме того, известно устройство для измерения акустического сопротивления газообразных сред (SU 1597716 A1, МПК G01N 29/02, опубл. 07.10.90. Бюл. №37). Это устройство позволяет исследовать и идентифицировать разреженные газы, причем не только в статике, но и в динамике, за счет повышенной чувствительности в таких случаях. Однако оно имеет те же недостатки, что и выше упомянутое.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому устройству является «Устройство для измерения акустического сопротивления материалов» (SU 1589197 A1, МПК G01N 29/00, опубл. 30.08.90. Бюл. №32). Это устройство содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, параллельно включенные ультразвуковой генератор и приемную часть устройства, состоящую из последовательно соединенных суммирующего каскада, делителя и блока функционального преобразования, причем первый и второй выходы генератора подключены соответственно к первому и второму ультразвуковым преобразователям, к ним же подключены и соответствующие входы приемной части устройства, первый вход делителя подключен к выходу суммирующего каскада, а второй его вход подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, вход блока функционального преобразования подключен к выходу делителя, причем функциональный преобразователь реализует зависимость

где U_вх и U_вых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,

U₀ - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат.

Полученные после описанной последовательности измерительных процедур величины оказываются весьма чувствительными к величине акустического сопротивления исследуемого твердого материала, что позволяет отличать (и, следовательно, распознавать) различные твердые материалы, например, чистые металлы и их сплавы, различные виды пластмасс или стекол и т.д.

Однако указанное устройство - прототип заявляемого - позволяет реализовать свое преимущество в чувствительности только в условиях, когда акустическое сопротивление исследуемого материала заметно превосходит по своей величине акустическое сопротивление эталонной среды. Например, при исследовании и идентификации металлов иммерсионным способом с дистиллированной водой в качестве эталона.

Целью изобретения является расширение области применения устройства за счет повышения его чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемой среды во всем диапазоне исследуемых сред. Техническим эффектом выступает обеспечение независимости приемлемого значения чувствительности от величины акустического сопротивления исследуемой среды.

Поставленная цель достигается за счет того, что заявляемое устройство для измерения акустического сопротивления материалов содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемым материалом и контрольной средой соответственно, параллельно включенные ультразвуковой генератор и приемную часть устройства, состоящую из последовательно соединенных дифференциального усилителя, сумматора, делителя, блока возведения в степень и блока функционального преобразования, причем первый и второй выходы генератора подключены соответственно к первому и второму ультразвуковым преобразователям, к ним же подключены и входы дифференциального усилителя и сумматора, первый вход делителя (канал делимого) подключен к выходу дифференциального усилителя, второй его вход (канал делителя) подключен к выходу сумматора, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень, а выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует функциональную зависимость

где U_вх и U_вых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,

U₀ - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат,

D≥1 - постоянное число, равное показателю степени блока возведения в степень.

Таким образом, отличия заявляемого устройства для измерения акустического сопротивления однородных сред от устройства-прототипа состоят в следующем:

1) добавлен блок дифференциального усилителя, подключенный параллельно генератору, причем первый вход дифусилителя (канал уменьшаемого) подключен к второму ультразвуковому преобразователю, а второй вход (канал вычитаемого) - к первому ультразвуковому преобразователю;

2) выход дифусилителя подключен к первому каналу делителя (каналу делимого);

3) выход сумматора подключен ко второму каналу делителя;

4) добавлен блок возведения в степень, подключенный своим входом к выходу делителя, а своим выходом - к входу блока функционального преобразования;

5) блок функционального преобразования модифицирован и реализует функциональную зависимость (2) вместо зависимости (1) у прототипа.

Эти отличительные признаки заявляемого устройства от устройства-прототипа в сочетании с общими признаками двух рассматриваемых устройств позволяют достичь цели изобретения - существенного повышения чувствительности устройства к вариациям величины акустического сопротивления исследуемого материала во всем диапазоне исследуемых сред.

На чертеже представлена блок-схема заявляемого устройства для варианта исследования жидкости с помощью твердой эталонной среды.

Устройство включает первый 1 и второй 2 ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду 3 с исследуемой средой 4 и контрольной средой 5 соответственно. В качестве исследуемой среды 4 используется, например, техническое масло, в качестве эталонной среды - твердый материал с известным акустическим сопротивлением, например оргстекло, из которого изготовлены два идентичных буферных стержня 3. Контрольной средой 5 служит воздух. В состав устройства входят ультразвуковой генератор 6, дифференциальный (разностный) усилитель 7, суммирующий усилитель (сумматор) 8, делитель 9, блок возведения в степень 10 и функциональный преобразователь 11, соединенные последовательно. Ультразвуковые преобразователи 1 и 2 акустически контактируют (например, путем склейки) с идентичными буферными стержнями 3, один из которых контактирует с исследуемой жидкостью 4, а другой - с воздухом. Первый вход дифусилителя 7 (канал уменьшаемого) подключен к второму 2 ультразвуковому преобразователю, а второй его вход (канал вычитаемого) подключен к первому 1 ультразвуковому преобразователю, первый вход сумматора 8 подключен к первому ультразвуковому преобразователю, второй его вход подключен к второму ультразвуковому преобразователю, первый вход делителя 9 (канал делимого) подключен к выходу дифусилителя 7, а второй его вход подключен к выходу сумматора 8, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень 10, выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования 11. Устройство имеет два выхода. Первый выход 12 используется для регистрации измерительной функции H, обладающей высокой чувствительностью к величине акустического сопротивления исследуемой среды 4, а второй выход 13 используется для воспроизведения высокоточного значения указанного акустического сопротивления.

Устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред работает следующим образом. Ультразвуковой генератор 6 генерирует на своих первом и втором выходах электрически развязанные, одинаковые по амплитуде электрические сигналы, которые преобразуются первым 1 и вторым 2 ультразвуковыми преобразователями в эквивалентные акустические сигналы. Последние после исходного уравнивания и последующего распространения в идентичных буферных стержнях 3 достигают границ акустического контакта эталонной среды 3 с исследуемой средой 4 и контрольной средой 5, отражаются в обратном направлении и, пройдя одинаковые акустические пути, поступают на те же ультразвуковые преобразователи, которые их излучили. После обратного преобразования в эквивалентные электрические сигналы последние поступают на вышеуказанные входы дифусилителя, электрически развязанные от выходов генератора, а также - на входы сумматора, электрически развязанные и от выходов генератора, и от входов дифусилителя. Сигнал с выхода дифусилителя 7 поступает на первый вход делителя 9 (канал делимого), сигнал с выхода сумматора 8 поступает на второй вход делителя 9, сигнал с выхода делителя 9 поступает на вход блока возведения в степень 10, а сигнал с выхода блока возведения в степень поступает на вход блока функционального преобразования 11.

На выходе блока 10 возведения в степень, который является одновременно и первым выходом 12 устройства, устанавливается напряжение, пропорциональное величине Н:

где A₁ и А₀ - соответственно амплитуды сигналов от исследуемого материала 4 и контрольной среды 5 соответственно,

D≥1 - постоянная величина, равная показателю степени блока возведения в степень выражения (3) и одновременно величина чувствительности устройства к значению акустического сопротивления исследуемой среды.

Величина H связана с величинами Z_x и Z₀ акустических сопротивлений соответственно исследуемой 4 и эталонной 3 сред зависимостью:

При этом величина дифференциальной чувствительности G устройства при измерении сигнала Н определяется из соотношения:

где G=D=Const(Z_x/Z₀). Следовательно, величина дифференциальной чувствительности устройства и одновременно измерительной функции H оказывается не зависящей от величины Z_x (при заданном Z₀) во всем диапазоне исследуемых сред. То есть цель изобретения достигнута, и чем больше аппаратурно обеспечивается D (или G), тем лучше. Ибо, согласно выражению (5), при изменении акустического сопротивления исследуемой среды Z_x на N % величина измерительной функции Н изменится на ND≥N %.

Блок функционального преобразования 11 и одновременно второй выход 13 заявленного устройства формирует выходное напряжение по зависимости (2), где величина U_вх, очевидно, эквивалентна величине H. Подставляя ее вместо U_вх и учитывая соотношение (4), мы придем к выводу, что на выходе блока 11 и одновременно на втором выходе 13 устройства формируется сигнал, пропорциональный измеряемому значению Z_x акустического сопротивления исследуемого материала 4. При этом коэффициент U₀, вводимый извне, играет роль Z₀, т.е. акустического сопротивления эталонной среды.

Поскольку по условиям функционирования заявляемого устройства оно одинаково эффективно во всем диапазоне исследуемых сред, исследуемая среда может быть не жидкой, как в описываемом варианте, а твердой. Тогда эталонную среду следует выбрать жидкой. При этом необходимо изменить акустическую часть устройства, сделав ее подобно прототипу (SU 1589197), сохранив в неизменном виде электрическую часть устройства.

Заявляемое устройство является промышленно применимым, т.к. промышленно применим его прототип, который не имеет от первого принципиальных отличий в промышленно-технологическом плане.

Использование: для измерения акустического сопротивления однородных сред. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред содержит первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемой и контрольной средами соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад, входы которого подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, связанный с выходом делителя, при этом в состав устройства введены дифференциальный усилитель и блок возведения в степень, причем первый вход дифференциального усилителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а второй вход этого усилителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, первый вход делителя подключен к выходу дифференциального усилителя, а второй его вход подключен к выходу суммирующего каскада, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень, а выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует заданную функциональную зависимость. Технический результат: повышение чувствительности к акустическому сопротивлению исследуемой среды. 1 ил.

Устройство для измерения акустического сопротивления однородных сред, содержащее первый и второй ультразвуковые преобразователи, предназначенные для контактирования через эталонную среду с исследуемой и контрольной средами соответственно, ультразвуковой генератор, первый и второй выходы которого соответственно подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, суммирующий каскад, входы которого подключены к первому и второму ультразвуковым преобразователям, делитель и блок функционального преобразования, связанный с выходом делителя, отличающееся тем, что в состав устройства введены дифференциальный усилитель и блок возведения в степень, причем первый вход дифференциального усилителя подключен ко второму ультразвуковому преобразователю, а второй вход этого усилителя подключен к первому ультразвуковому преобразователю, первый вход делителя подключен к выходу дифференциального усилителя, а второй его вход подключен к выходу суммирующего каскада, выход делителя подключен к входу блока возведения в степень, а выход последнего подключен к входу блока функционального преобразования, причем блок функционального преобразования реализует функциональную зависимость
$$U_{вых}=U_0\sqrt[D]{U_{вх}}$$ ,
где U_вх и U_вых - уровни его входного и выходного сигналов соответственно,
U₀ - постоянный коэффициент, равный акустическому сопротивлению известной эталонной среды в выбранной физической системе координат,
D≥1 - постоянное число, равное показателю степени блока возведения в степень.