Времяпролетный способ определения скорости звука в жидких средах и устройство для его осуществления Российский патент 2022 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к области метрологии и измерительной техники и может быть использовано в гидроакустике для определения скорости звука в жидких средах.

Известен времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде, заключающийся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых импульсов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t,_P один от другого и задающие базу измерения, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерений L_t;P судят о скорости звука в жидкой среде [Патент на изобретение РФ №2529734, кл. GOIΗ 5/00, 2014] [1].

Известно устройство для реализации способа, содержащее звукоотражающее основание, прямоугольный параллелепипед длиной L_UP с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним из торцов на основании, измерительный объем, плоскопараллельную пластину, четыре приемопередающих пьезопреобразователя, установленных на верхней плоскости плоскопараллельной пластины, генератор электрических импульсов, измеритель временных интервалов, и котировочные элементы, связанные с основанием [1].

Данный способ и устройство принят за прототип.

В основе любого времяпролетного способа определения скорости звука, в том числе в прототипе и заявленном способе, лежит необходимость точного измерения величины базы измерения L_t,P и времени τ ее прохождения звуковыми импульсами для вычисления скорости звука по формуле С=L_t,P/τ.

Длина базы измерения в зависимости от температуры t и давления Ρ рассчитываются по известной зависимости [А.А. Александров, Д.К. Ларкин. Экспериментальное определение скорости ультразвука в воде в широком диапазоне температур и давления. Теплоэнергетика, 1976, №2, 75-78]

где: L₀ - значение длины базы, определенное при ее поверке при определенной температуре t₀ и атмосферном давлении, которое должно быть определено с погрешностью долей мкм, для которого затем вводятся зависимости от температуры t и давления Р;

α - тепловой коэффициент линейного расширения материала базы

Ρ - избыточное давление;

μ - коэффициент поперечной деформации материала базы;

Ε - модуль упругости материала базы.

Недостатком прототипа является наличие источника неконтролируемой погрешности при определении величины базы измерения L_t,Р.

В прототипе в качестве базы измерения используется параллелепипед, при поверке которого определяется задаваемая им длина базы измерения L₀. Номинально L_t,Р=5 см. Погрешность ΔL_t,Р=1 мкм при этом приведет к погрешности в определении скорости звука ΔС=3 см/с.

Параллелепипед закреплен одним торцом на основании механическим способом с помощью винта и пружины. Такое крепление не обеспечивает плотного контакта торца параллелепипеда. Точно определить образующийся при этом зазор не представляется возможным, но из вышесказанного следует, что вызванная им погрешность определения скорости звука существенна. Отсюда следует, что заявленная в прототипе погрешность (0,01…0,05) м/с не подтверждена конструктивным решением.

К недостатку прототипа следует отнести применение плоскопараллельной пластины в качестве дополнительного отражателя и четырех приемо-передающих пьезопреобразователей. Это приводит к появлению на пути распространения звуковых импульсов четырех звукоотражателей и как следствие этого, двух отраженных от плоскостей пластины звуковых импульсов на входе каждого пьезопреобразователя. В связи с этим определение времени τ прохождения звуковыми импульсами базы измерения L_t,Р носит более сложный характер, чем в случае, когда время τ равно разности времен прихода звуковых импульсов, отраженных от границ базы измерения.

Не эффективным является применение котировочного устройства.

На практике измерения проводятся в нескольких выбранных точках заданного диапазона температур и давлений. Юстировка, проведенная при одних значениях температуры t, не сохраняется при других значениях t Проведение юстировки перед каждым измерением делает работу крайне сложной и трудоемкой.

Кроме того, невозможно проводить юстировку при избыточных давлениях, так как устройство при этом находится в герметично закрытой камере давления и недоступно. Погрешность недоюстировки при избыточных давлениях становится неконтролируемой.

Заявленный способ и устройство устраняет источники неконтролируемой погрешности при определении величины базы измерения L_t,Р и при юстировке, оптимизирует конструктивное решение и эксплуатационные качества устройства.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является устранение указанных недостатков и повышение точности определения скорости звука.

Данный технический результат достигается тем, что в известном времяпролетном способе определения скорости звука в жидких средах, заключающемся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью премопередающего пьезопреобразователя звуковые импульсы направляют на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t;P один от другого и задающие базу измерения, принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерений L_t;P судят о скорости звука в жидкой среде. Для создания звуковых импульсов используют один приемопередающий пьезопреоразователь, установленный в одном из звукоотражателей таким образом, что его излучающая поверхность выступает от отражающей поверхности звукоотражателя более, чем на длину волны звукового импульса, затем фиксируют интервал времени τ₁ от начала формирования звуковых импульсов до момента приема звуковых импульсов, отраженных от другого звукоотражателя, интервал времени τ₂ от начала формирования звуковых импульсов до момента приема звуковых импульсов, отраженных последовательно от звукоотражателя без пьезопреобразователя, звукоотражателя с пьезопреобразователем, звукоотражателя без пьезопреобразователя, а скорость звука С определяют из математического выражения

В части устройства технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем два звукоотражателя, первый из которых служит основанием, жестко установленных параллельно на расстоянии L_t,_P с помощью стойки, измерительный объем, приемопередающий пьезопреобразователь, установленный на одном звукоотражателе, блок сопряжения и цифровой запоминающий осциллограф, приемопередающий пьезопреобразователь установлен таким образом, что его излучающая поверхность выступает от отражающей поверхности звукоотражателя более, чем на длину волны звукового импульса.

Изобретение поясняется фигурами 1, 2. На фиг. 1 приведены основные элементы устройства. На фиг. 2 - осциллограмма, поясняющая принцип реализации способа.

Изобретение относится к области метрологии и измерительной техники. Времяпролетный способ определения скорости звука в жидких средах, заключающийся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью приемопередающего пьезопреобразователя звуковые импульсы направляют на звукоотражатели, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t;P один от другого и задающие базу измерения, принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерений L_t,P судят о скорости звука в жидкой среде. При этом используют два звукоотражателя, установленных параллельно, для создания звуковых импульсов используют один приемопередающий пьезопреобразователь, установленный в одном из звукоотражателей таким образом, что его излучающая поверхность выступает от отражающей поверхности звукоотражателя более чем на длину волны звукового импульса, затем фиксируют интервал времени τ₁ от начала формирования звуковых импульсов до момента приема звуковых импульсов, отраженных от другого звукоотражателя, интервал времени τ₂ - от начала формирования звуковых импульсов до момента приема звуковых импульсов, отраженных последовательно от звукоотражателя без пьезопреобразователя, звукоотражателя с пьезопреобразователем, звукоотражателя без пьезопреобразователя, а скорость звука С определяют из математического выражения . Технический результат – повышение точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Времяпролетный способ определения скорости звука в жидких средах, заключающийся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью приемопередающего пьезопреобразователя звуковые импульсы направляют на звукоотражатели, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t;P один от другого и задающие базу измерения, принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерений L_t,P судят о скорости звука в жидкой среде, отличающийся тем, что используют два звукоотражателя, установленных параллельно, для создания звуковых импульсов используют один приемопередающий пьезопреобразователь, установленный в одном из звукоотражателей таким образом, что его излучающая поверхность выступает от отражающей поверхности звукоотражателя более чем на длину волны звукового импульса, затем фиксируют интервал времени τ₁ от начала формирования звуковых импульсов до момента приема звуковых импульсов, отраженных от другого звукоотражателя, интервал времени τ₂ - от начала формирования звуковых импульсов до момента приема звуковых импульсов, отраженных последовательно от звукоотражателя без пьезопреобразователя, звукоотражателя с пьезопреобразователем, звукоотражателя без пьезопреобразователя, а скорость звука С определяют из математического выражения

2. Устройство для определения скорости звука в жидких средах, содержащее два звукоотражателя, приемопередающий пьезопреобразователь, установленный в одном из звукоотражателей, блок сопряжения и цифровой запоминающий осциллограф, отличающееся тем, что два звукоотражателя жестко установлены параллельно на расстоянии L_t,Р с помощью стойки, приемопередающий пьезопреобразователь установлен в одном из звукоотражателей таким образом, что его излучающая поверхность выступает от отражающей поверхности звукоотражателя более чем на длину волны звукового импульса.