Измеритель скорости звука в жидкой среде Российский патент 2023 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для определения скорости звука в жидкостях и воде при исследованиях Мирового океана на движущихся объектах.

Известен измеритель скорости звука (ИСЗ), основанный на кольцевом методе измерения частоты F следования импульсов, Тарасюк Ю.Ф., Серавин Г.Н. Гидроакустическая телеметрия. Л // Судостроение. - 1973. - Т. 176. - с. 107]. В этом ИСЗ частота F определяемой по формуле:

где L - расстояние между излучателем-приемником и отражателем, м;

С - скорость звука в жидкой среде, м/с;

τ_З - временная задержка импульсов в электрических цепях измерителя скорости звука, с.

Недостатком этого устройства-аналога является наличие дополнительной временной задержки τ_З, которая вносит погрешность в значение скорости звука и приводит к нелинейной зависимости частоты следования импульсов от скорости звука.

Известно, что распространение звуковых волн в жидкостях проводит к потерям их интенсивности пропорционально пройденному ими расстоянию [Сташкевич А.П. Акустика моря. - 1966. - С. 78-89]. При применении в ИСЗ в качестве акустического излучателя-приемника пьезокерамических дисков амплитуда сигнала нарастает примерно за n периодов высокочастотного заполнения импульса, где n примерно равно добротности пьезокерамического диска и в практике это составляет 2-3 периода высокочастотного заполнения, при этом в акустическом канале между акустическим излучателем и отражателями действуют акустические и интерференционные помехи и многократно отраженные акустические сигналы. Эти помехи существенно влияют на время запуска импульсного генератора, который запускается компаратором, при этом пороговое напряжения сравнения на опорном входе компаратора должно быть выше уровня этих помех. Величина и стабильность дополнительной временной задержки прямо зависит от амплитуды принятого сигнала и крутизны его фронта. Увеличение затухания звуковых волн в жидкости, заполняющей акустический канал, влияние температуры и гидростатического давления и другие причины приводят к уменьшению амплитуды принятого сигнала и крутизны его фронта. Влияние амплитуды сигнала и крутизны его фронта на величину задержки τ_З представлено на фиг. 1 [Комляков В.А. Корабельные средства измерения скорости звука и моделирования акустических полей в океане. - 2003. С. 122-130].

На фиг. 1 точка а на пересечении кривой А, описывающей нарастающий фронт сигнала, и порогового напряжения Uпв, на опорном входе компаратора, определяет время задержки τ_З от истинного временного положения начала сигнала. Точка б на пересечении кривой Б, описывающей нарастающий фронт ослабленного сигнала с меньшей амплитудой и крутизной, и порогового напряжения Uпв, на опорном входе компаратора, определяет время задержки τ_З от истинного временного положения начала сигнала плюс дополнительная задержка Δτ_З, возникшая в следствии меньшей амплитуды и крутизны принятого сигнала. Применение фиксированного порога Uпв приводит к появлению дополнительной задержки Δτ_З в случае уменьшения амплитуды и крутизны фронта сигнала, что в конечном итоге приводит к дополнительной погрешности измерения скорости звука.

Известен измеритель скорости звука в жидких средах [Коваль С.Я., Черевка Е.А., Ламека А.П. Патент РФ №2326352 от 10.06.2008. Измеритель скорости звука в жидких средах. МПК G01H 5/00], содержащий акустический приемопередающий преобразователь и отражатель, жестко закрепленные на одном основании, усилитель мощности, предварительный усилитель, генератор, компараторы, микроконтроллер, датчик температуры, дисплей, мультиплексор, триггер, формирователь строба и шунтирующий ключ. В компараторах используется фиксированное значение порогового напряжения, что приводит появлению дополнительной временной задержки в случае меньшей амплитуды и крутизны принятого сигнала при увеличении затухания сигнала в исследуемой жидкости. Недостатком данного ИСЗ, как и предыдущего аналога, является дополнительная погрешность измерения скорости звука, зависящая от амплитуды принятого сигнала.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому ИСЗ является [Радкевич Л.П., Гусева Т.П.. Федорин Н.И., Штуркин М.Д., Шелепова В.В. Патент РФ №2224270 от 20.02.2004. устройство наведения лазерного луча. МПК G02B 23/14]. В этом ИСЗ также используется фиксированное значение порогового напряжения на опорном входе компаратора, что приводит появлению дополнительной временной задержки в случае уменьшения амплитуды и крутизны принятого сигнала при увеличении затухания сигнала в исследуемой жидкости, что в свою очередь приводит к снижению точности измерения скорости звука в исследуемой жидкости. Генератор строба блокирует работу компаратора на время действия строба для подавления многократно отраженных акустические сигналов в акустическом канале.

Существенным недостатком этого ИСЗ является дополнительная погрешность измерения скорости звука при увеличении затухания сигнала и уменьшения крутизны его фронта от второго отражателя относительно значений этих параметров для сигнала от первого отражателя.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения скорости звука в жидкостях за счет использования изменяемого опорного напряжения компаратора, приводящего к уменьшению влияния затухания сигнала в исследуемой жидкости.

Технический результат заключается в уменьшении погрешности времени начала запуска автоциркуляции путем формирования порогового напряжения на опорном входе компаратора с учетом затухания сигнала в акустическом канале между акустическим приемо-передающим преобразователем и первым и вторым отражателями, помещенных в исследуемую жидкость.

Для решения поставленной задачи в измеритель скорости звука в жидкой среде, содержащий акустический приемо-передающий преобразователь и первый и второй отражатели, также содержащий усилитель мощности и предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом усилителя мощности и входом акустического приемопередающего преобразователя, генератор, генератор строба, компаратор, микроконтроллер, датчик температуры и дисплей, причем первый, второй и третий входы генератора соединены соответственно с выходом компаратора, первым выходом микроконтроллера и первым выходом генератора строба, второй выход генератора строба подключен к первому входу компаратора, первый вход генератора строба соединен одновременно со вторым выходом генератора и одним из входов микроконтроллера, другой вход микроконтроллера подключен к датчику температуры, второй вход генератора строба соединен со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого подключен ко входу дисплея, причем первый и второй отражатели выполнены в виде пластин, жестко закрепленных на одном основании с приемо-передающим преобразователем и параллельно ему, перпендикулярно плоскости основания и симметрично относительно линии на плоскости основания, параллельной оси диаграммы направленности акустического приемо-передающего преобразователя, при этом площадь отражения второго отражателя превышает по высоте первый отражатель не менее, чем в два раза, введены новые признаки, а именно: в него введены детектор, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, а выход соединен с вторым входом компаратора, регулируемый источник напряжения, ключ, вход которого соединен с выходом регулируемого источника напряжения, управляющий вход ключа соединен с вторым выходом генератора, а выход ключа соединен с третьим входом компаратора, также введены параллельно соединенные резистор и конденсатор, подключенные к выходу ключа.

Поясним возможность достижения технического результата, то есть использование изменяемого уровня опорного напряжения компаратора, приводит к уменьшению влияния затухания сигнала в исследуемой жидкости, что обеспечивает повышение точности измерения скорости звука в жидкостях.

Сущность предлагаемого изобретения представлена на фиг. 1 и фиг. 2, где на фиг. 1 приведено пояснение к образованию задержки от истинного временного положения начала сигнала, а на фиг. 2 - блок-схема заявленного ИСЗ.

Измеритель скорости звука, фиг. 2, содержит акустический приемо-передающий преобразователь 2, усилитель мощности 1, предварительный усилитель 4, вход которого соединен с выходом усилителя мощности 1 и входом акустического приемо-передающего преобразователя 2, генератор 7, генератор строба 8, компаратор 9, микроконтроллер 10 для организации работы ИСЗ, датчик температуры 11 для учета линейного расширения основания 6 и дисплей 12 для отображения результатом измерения. Первый, второй и третий входы генератора 7 соединены соответственно с выходом компаратора 9, первым выходом микроконтроллера 10 и первым выходом генератора строба 8, второй выход генератора строба 8 подключен к первому входу компаратора 9 для исключения его срабатывания от акустических помех, первый вход генератора строба 8 соединен одновременно со вторым выходом генератора 7 и одним из входов микроконтроллера 10, другой вход микроконтроллера 10 подключен к датчику температуры 11, второй вход генератора строба 8 соединен со вторым выходом микроконтроллера 10, третий выход которого подключен ко входу дисплея 12. Первый 3 и второй 5 отражатели выполнены в виде пластин, жестко закрепленных на одном основании 6 с приемо-передающим преобразователем 1 и параллельно ему, перпендикулярно плоскости основания 6 и симметрично относительно линии на плоскости основания, параллельной оси диаграммы направленности акустического приемо-передающего преобразователя. Площадь отражения второго отражателя 5 превышает по высоте первый отражатель 3 не менее, чем в два раза. Вход детектора 13 соединен с выходом предварительного усилителя 4, а выход соединен с вторым входом компаратора 9. Выход регулируемого источника напряжения 14 соединен с входом ключа 15, выход ключа 15 соединен с третьим входом компаратора 9, управляющий вход ключа 15 соединен с вторым выходом генератора 7, а первый вывод параллельно соединенных резистора R и конденсатора С подключены к выходу ключа 15, причем второй их вывод соединен с землей.

Усилитель мощности 1 выполнен традиционно [Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. - М: Радио и связь, 1985. - С. 28, рис. 1.22, 1.23].

Акустический преобразователь 2 представляет собой колебательную конструкцию с плоской пьезокерамической пластиной, [Справочник Богородский В.В. и др. Подводные электроакустические преобразователи. Расчет и конструировние. - 1983. - С. 104-109].

Первый и второй отражатели 3, 5 выполнены в виде пластин, жестко установленных плоско-параллельно на одном основании 6 с приемо-передающим преобразователем 1.

Предварительный усилитель 4 содержит усилитель с полосовым фильтром и выполнен традиционно [Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. - М: Радио и связь, 1985. - С. 219, рис. 7.12].

Генератор 7 содержит генератор импульсов, высокочастотный генератор для заполнения импульсов, выполненные традиционно, [Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. - М: Радио и связь, 1985. - С. 134, рис. 4.5. - С. 147, рис. 4.15].

Генератор строба 8 выполнен традиционно, [Ерофеев Ю.Н. Импульсная техника: Учеб. пособие для радиотехн. спец. вузов. - Высшая школа, 1984. - С. 274, рис. 6.83.]

Компаратор 9 выполнен традиционно, [Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломбет, Г.И Стародуб. - М.: Радио и связь, 1985. - С. 159, рис. 5.5.]

Микроконтроллер 10 представляет собой микросхему типа 80С51 фирмы Intel или аналогичную, являющуюся однокристалльной микроЭВМ с набором необходимых интерфейсов.

Датчик температуры 11 имеет частотный выход и выполнен на микросхеме ТМР04 фирмы Analog Devices.

Дисплей 12 представляет собой традиционный ЖКИ.

В качестве детектора 13 используется быстродействующий операционный усилитель ОР467 по схеме, приведенной в [Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем / А.Г. Алексеенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. - М.: Радио и связь, 1981. - С. 107, схема 3] с фильтром низкой частоты для выделения огибающей эхо-сигнала.

В регулируемом источнике напряжения 14 используется ИМС типа REF 192 и операционный усилитель ОР285 фирмы ANALOG DEVICES, а в качестве интегрального ключа 15 можно применить ИМС типа ADG 704.

Работа измерителя скорости звука включает три этапа.

На первом этапе при подаче питания на ИСЗ с микроконтроллера 10 на генератор 7 поступает команда программного запуска, а на генератор строба 8 команда, определяющая длину строба, т.е. по какому отражателю, первому 3 или второму 5, будет происходить автоциркуляция. Генератор 7 вырабатывает зондирующий импульс с высокочастотным заполнением по первому выходу и также по второму выходу запускает генератор строба 8, замыкает ключ 15 на время действия импульса запуска и синхронизирует работу микроконтроллера 10. Зондирующий импульс поступает на усилитель мощности 1 и далее на преобразователь 2 для излучения в исследуемую жидкость. Акустический сигнал от преобразователя 2 проходит путь до первого отражателя 3 и, отразившись от него, поступает на преобразователь 2 и далее на предварительный усилитель 4 для усиления и фильтрации. Усиленный сигнал поступает на детектор 13, а с его выхода на второй вход компаратора 9, стробированный импульсом с генератора строба 8.

С выхода регулируемого источника напряжения 14 напряжение U во время действия импульса запуска с второго выхода генератора 7 поступает на вход ключа 15 и далее на конденсатор С, что позволяет конденсатору С зарядиться до напряжения U. После окончания действия импульса запуска со второго выхода генератора 7 конденсатор С начинает разряжаться через резистор R с постоянной разряда т, до поступления следующего импульса запуска со второго выхода генератора 7.

Таким образом, на конденсаторе С формируется спадающее во времени по амплитуде напряжение от уровня U, которое поступает на третий вход компаратора 9, и оно является опорным напряжением на опорном входе компаратора 9 для сравнения с напряжением сигнала с выхода детектора 13.

Компаратор 9 сравнивает амплитуду сигнала с выхода детектора 13 с опорным напряжением на конденсаторе Сив момент времени, когда сигнал с выхода детектора 13 превысит опорное напряжение на конденсаторе С, он вырабатывает сигнал запуска генератора 7 и тем самым запускает формирование следующего зондирующего сигнала в генераторе 7. Далее снова происходит излучение и так устанавливается процесс автоциркуляции в акустическом канале, включающим в себя акустический приемопередающий преобразователь 1, первый 3 и второй 5 отражатели, которые помещены в исследуемую жидкость. Выходной сигнал с генератора строба 8 разрешает прохождение сигнала запуска с компаратора 9 на генератор 7 только после окончания ожидаемого времени прихода сигнала и тем самым не дает помехам и многократно отраженным сигналам нарушить процесс автоциркуляции на время действия строба.

Ожидаемое время прихода сигнала Тож, определяется по формуле

где L₁₍₂₎ - расстояние от преобразователя 2 до отражателя 3(5) (первого или второго), м; С_ЗВ.МАХ - максимальное заданное для измерения ИСЗ значение скорости звука в среде, м/с.

После установления процесса автоциркуляции микроконтроллер 10 вычисляет период зондирующих импульсов по частоте автоциркуляции по первому 3 и второму 5 отражателям.

При отражении от первого отражателя (первый этап)

где T_L1 - время распространения акустического сигнала в среде от излучателя до первого отражателя и далее до приемного преобразователя; τ_З - время задержек во всех электрических цепях и устройствах ИСЗ.

Далее на втором этапе микроконтроллер 10 программирует генератор строба 8 на автоциркуляцию по второму 5 отражателю и подобно описанному выше процессу происходит измерение периода зондирующего импульса при автоциркуляции по второму 5 отражателю Т₂

где T_L2 - время распространения акустического сигнала в среде от излучателя до второго отражателя и далее до приемного преобразователя.

На третьем этапе микроконтроллер начинает вычисление скорости звука. Расстояние между первым и вторым отражателем (акустическая база L) должно быть измерено и его величина занесена в память микроконтроллера. Разница между периодами зондирующего импульса Т при автоциркуляции по первому и второму отражателям зависит только от параметров среды, т.е. от скорости звука в ней.

Задержки в электрических цепях кольца автоциркуляции вычитаются и исключаются из расчетной формулы скорости звука С_ЗВ

где L - расстояние от первого отражателя до второго отражателя.

Так как материал базы подвержен линейному расширению вследствие колебания температуры, то на третьем этапе микроконтроллер 10 получает информацию от датчика температуры 11 о температуре исследуемой среды и вычисляет ее. Поэтому с учетом температуры среды формула расчета скорости звука С_ЗВ, м/с, принимает вид

где α - коэффициент линейного расширения материала базы, 1/°С; t - температура среды, °С; К - температура, при которой измерялась длина акустической базы, т.е. расстояние между первым и вторым отражателем, °С.

После вычисления скорости звука микроконтроллер 10 выводит ее значение на дисплей 12.

Первоначально для устойчивой автоциркуляции в ИСЗ необходимо на выходе регулируемого источника напряжения 14 установить значение напряжения U, которое должно превышать максимальную амплитуду рециркуляционной акустической помехи в акустическом канале на интервале L₁, где L₁ - расстояние от приемо-передающего преобразователя до первого отражателя на основании 6. Также необходимо выбрать значение сопротивления резистора R и емкости конденсатора С, при этом значение сопротивления резистора R должно быть много меньше входного сопротивления компаратора 9, а ток, протекающий через него во время действия импульса запуска со второго выхода генератора 7, то есть когда к нему приложено напряжение U, должен быть меньше допустимого тока нагрузки для регулируемого источника напряжения 14. Значение емкость конденсатора С должно обеспечивать скорость спада опорного напряжения на третьем входе компаратора 9 от уровня U до уровня порога U_ПВ при автоциркуляции по первому отражателю 3, сигналу для которого соответствует кривая А и уровня порога U_ПН при автоциркуляции по второму отражателю 5, сигналу для которого соответствует кривая Б, представленных на фиг. 1.

В реальных условиях работы ИСЗ это обеспечит устранение задержки (фиг. 1) при уменьшения амплитуды и крутизны принятого сигнала по первому 3 и второму 5 отражателям при затухания амплитуды сигнала в исследуемой жидкости так, как точка 6 на кривой Б переместится в точку в на этой кривой Б (фиг. 1).

Использование предлагаемого измерителя скорости звука позволяет исключить влияние погрешности в измерении скорости звука, обусловленной дополнительной временной задержкой в случае меньшей амплитуды и крутизны принятого сигнала при увеличении затухания сигнала в исследуемой жидкости.

Отсутствие влияния времени задержек в электрических цепях на погрешность измерения скорости звука позволяет выбрать более низкую рабочую частоту ИСЗ и тем самым увеличить допустимую длину кабеля между преобразователем и аппаратной частью ИСЗ. Предлагаемый ИСЗ можно эксплуатировать на подвижных объектах или измерять скорость звука в текущих жидкостях, так как исключается влияние эффекта Доплера на точность измерения.

Изобретение относится к метрологии, в частности к приборам для измерения скорости звука. Измеритель скорости звука в жидкой среде, содержащий акустический приемо-передающий преобразователь и первый и второй отражатели, также содержащий усилитель мощности и предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом усилителя мощности и входом акустического приемо-передающего преобразователя, генератор, генератор строба, компаратор, микроконтроллер, датчик температуры и дисплей, причем первый, второй и третий входы генератора соединены соответственно с выходом компаратора, первым выходом микроконтроллера и первым выходом генератора строба, второй выход генератора строба подключен к первому входу компаратора, первый вход генератора строба соединен одновременно со вторым выходом генератора и одним из входов микроконтроллера, другой вход микроконтроллера подключен к датчику температуры, второй вход генератора строба соединен со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого подключен к входу дисплея, причем первый и второй отражатели выполнены в виде пластин, жестко закрепленных на одном основании с приемо-передающим преобразователем и параллельно ему, перпендикулярно плоскости основания и симметрично относительно линии на плоскости основания, параллельной оси диаграммы направленности акустического приемо-передающего преобразователя, при этом площадь отражения второго отражателя превышает по высоте первый отражатель не менее чем в два раза. Схема содержит детектор, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, а выход соединен со вторым входом компаратора, регулируемый источник напряжения, ключ, вход которого соединен с выходом регулируемого источника напряжения, управляющий вход ключа соединен со вторым выходом генератора, а выход ключа соединен с третьим входом компаратора, также введены параллельно соединенные резистор и конденсатор, подключенные к выходу ключа. Технический результат - повышение точности измерения скорости звука в жидкостях. 2 ил.

Измеритель скорости звука в жидкой среде, содержащий акустический приемо-передающий преобразователь и первый и второй отражатели, также содержащий усилитель мощности и предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом усилителя мощности и входом акустического приемо-передающего преобразователя, генератор, генератор строба, компаратор, микроконтроллер, датчик температуры и дисплей, причем первый, второй и третий входы генератора соединены соответственно с выходом компаратора, первым выходом микроконтроллера и первым выходом генератора строба, второй выход генератора строба подключен к первому входу компаратора, первый вход генератора строба соединен одновременно со вторым выходом генератора и одним из входов микроконтроллера, другой вход микроконтроллера подключен к датчику температуры, второй вход генератора строба соединен со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого подключен к входу дисплея, причем первый и второй отражатели выполнены в виде пластин, жестко закрепленных на одном основании с приемо-передающим преобразователем и параллельно ему, перпендикулярно плоскости основания и симметрично относительно линии на плоскости основания, параллельной оси диаграммы направленности акустического приемо-передающего преобразователя, при этом площадь отражения второго отражателя превышает по высоте первый отражатель не менее чем в два раза, отличающийся тем, что в него введены детектор, вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, а выход соединен со вторым входом компаратора, регулируемый источник напряжения, ключ, вход которого соединен с выходом регулируемого источника напряжения, управляющий вход ключа соединен со вторым выходом генератора, а выход ключа соединен с третьим входом компаратора, также введены параллельно соединенные резистор и конденсатор, подключенные к выходу ключа.