Ультразвуковое устройство для измерения акустических параметров вещества Советский патент 1983 года по МПК G01N29/00 G01N9/24 G01H5/00 

(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ .

1

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для одновременного измерения скорости распространения ультразвука в веществе, его плотности и акустического (волнового) сопротивления при исследобании свойств и контроле качества материала в раапичных областях народного хозяйства.

Известно ультразвуковое устройство для измерения плотности вещества, со- держащее генератор, подключенный к его выходу пьезопреобразователь, рабочую и компенсационную ультразвуковые камеры, расположенные с противоположных сторон пьезопреобразователя, с отраждаюшими экранами, устанавливаемыми на разных расстояниях от пьезопреобразователя, установленный в компенсационной камере между поьезопреобразователем и отражающим экраном модули;рунлций диск-обтюратор, приводимый во вращение синхронным двигателем, и блок ВЕЩЕСТВА

сравнения интенсивностей сигналов, принимаемых пьезопреобразователями.

Плотность вещества определяют сравнивая алшлитуды ультразвуковых волн, прощедших соответственно через исследуемое вещество и среду с известными характеристиками l .

Однако амплитуда ультразвука зависит не только от плотности, но и от других акустических параметров среды,

10 например коэффициента поглощения, поэтому однозначное определение плотности возможно только для определенного класса вещества, для которого известна зависимость амплитуды суг плотности, что сужает область применения ус-тройства и является источником погрешностей.

Наиболее близким по технической сущности и доагагаемому результату к изо5ретению является ультразвуковое устройство для измерения акустических параметь ров Вещества, содержащее электроакустически замкнутый тракт, состоящий из высокочастотного генератора перестраиваемой частоты, излучающего н принимаклцегр преобразователей, связанных с измерительной камерой, заполняемой иccлeдyeмъDv веществом, усилителя,формирователя и блока управления, изменяющего по определенному закону частоту генератора, преобразователь время - код содержащий генератор стабильной частоты, входом подключенный к блоку управления, и счетчик, входом Счет подклк ченный к генератору через коммутатор, а входом Сброс - к блоку управления, и блок индикации, вход которого соединен с выходом счетчика. Устройство содержит также второй формирователь, Х1одкпюче1гаый входом к выходу усилителя-детектора, подключенного к принимающему преобразователю, (ВЫХОД которого соединен с блоком управ ления и первым входом триггера, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, а второй вход через второй триггер подключен к выходу первого формирователя Г 21 . Недостатком устройства является сра нительно бсхльшая систематическая погрешность (до 3,5%) и необЬсодим-ость при этом введения поправки, связанной с изменением акустических параметров при замене исследуемого вещества. Кроме тогоJустройство позволяет измерять единственный параметр - плотность вещества. Цель изобретения - обеспечение одновременного измерения скорости распрост ранения ультразвука в веществе, его плотности и акустического сопротивления. Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковое устройство для измерения акустических параметров вещества содержащее электроакустически замкнутый тракт, состоящий из высокочастотного генера1тора перестраиваемой частоты, излучающего и принимающего преобразователей, связанных с измерительной камерой, .заполняемой исследуемым веществом, усилителя, формирователя и бл ка управления, изменяющего по определенному закону частоту генератора, преобразователь время - код, содержащий г нератор стабильной частоты, входом подключенный к блоку управления, и счетчи входом Счет подключенный к генератору через коммутатор, а входом Сброс к блоку управления, и блок индикации, вход которого соединен с выходом счетчика, снабжено вторым коммутатором. входом соединенным с выходом усилителя, поаключенными к выходам второго коммутагорЭ двумя пиковыми детекторами, подключенным к их выходам ди(}к|10ренциальными входами преобразователем напряжение - код, управляющий вход которого соединен с выходом блока Т1равления, в преобразователе время - код включoнны rи между первым выходом коммутатора и входом счетчика делителем частоты и схемой ИЛИ, второй вход которой подключен к второму выходу коммутатора непосредственно, в блоке индикации - вычислителем, тремя разделительными входами подключенным к выходам счетчика, блока управления и преобразователя напряжение - код, а выходом - к индикатору, а формирователь вьшолнен с фиксированным порогом срабатывания и подключен выходом к управляющим входам обоих коммутаторов. На фиг. 1 дана функциональная схема устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжеНИИ, поясняющие принцип его работы. Устройство содержит электроакустически замкнутый тракт, состоящий из высокочастотного генератора 1, излучающего 2 и принимающего 3 преобразователей, связанных с измерительной камерой 4, заполняемой исследуемым веществом, усилителя 5, формирователя 6 и блока 7 управления, изменяющего по определенному закону частоту генератора 1, преобразователь время - код (на фиг. 1 обведен пунктиром), содержащий генератор 8 стабильной частоты, подключенный входом к нему первый коммутатор 9, первый выход которого через делитель 10 соединен .со схемой ИЛИ 11, второй вход которой подключен.К второму выходу первого коммутатора 9 непосредственно, и счетчик 12, входом Счет подключенный к выходу схемы ИЛИ 11, входом Сброс - к блоку 7 управления, второй коммутатор 13, входом соединенный с выходом усилителя 5, подключенные к выходам второго коммутатора 13 два пиковых детектора 14 и 15, подключенный к их вькодам дифференциальными входами преобразователь 16 напряжение - код, управляющий вход которого соединен с выходом блока 7 управления, вычислитель 17,тремя разделительными входами подключенный к fes выходам счетчика 12, блока 7 управления и преофазователя 16 напряжение код,а выходом - к индикатору 18, а формирователь 6 выполнен с фиксирован1 ым порогом срабатываття и подключен выходом к управляющим входам обоих коммутаторов 9-и 13. Устройство работает следутошим образом. Частота генератора 1 изменяется под воздействием сигнала с блока 7 управления по линейному закону., В исследуемом веществе возникает акустический резонанс каждый раз, когда на длине камеры 4 укладывается целое число полуволн. В момент резонанса возрастает выходное напряжение принимающего преобразователя 3, образуя резонансный пик, амплитуда которого растет по мере увеличения частоты генератора 1 и приближения ее к резонансной частоте принимающего преобразователя 3 (фиг. 2,CL). Формировегтель 6, вьшолнен ный в виде порогового элемента с фикс Э орным порогом и , формирует из усиленного усилителем 5 сигнала принимаю щего преобразователя 3 импульсы (фиг. 2), воздействующие на блок 7 управления и коммутаторы 9 и 13. Передш й фронт импульсов совпадает с моментом времени, когда выходное напряжение усилител1 5 превышает порог срабатывания U формирователя 6, а задний фронт - с моментом уменьшения резонансного пика до указанного порога срабатывания и . Под воздействием сирнала 7 управления (фиг. 2б) частота ге нератора 1 изменяется в интервале меж ду двумя акустическими резонанс.ами плюс интервалы, равные полуширине резонансных пиков. Вся перестройка занимает время Ту, равное Т„--Т Т,Т2., где Т - время перестройки между акус тическими резонансами; время перестройки по ширине первого резонансно го пика; время перестройки по ширине второго резонансного пика. Импульсы с формирователя 6 воздействуют на коммутатор 9 так, что в течение действия импульса он переключает ся a верхнее положение, тем самым подсоединяя делитель 10 к .выходу генератора 8, и счетчик 12 через схему ИЛИ 11 регистрирует импульсы с частотой, в два раза меньшей частоты стабильного генератора 8. В противном случае, коммутатор 9 перебрасывается в нижнее положение, и импульсы с выхода генератора 8 через схему ИЛИ 11 непосредственно поступают на вход счетчика 12, Таким образом, преобразователь время - код вырабатьшает определенное количество импульсов, соответствующее времени t перестройки частоты генератора 1 между экстремумами двух резонансных пиков, т. е. пропорциональное величине U-5 . Учитывая, что скорость ультразвука C-S.ASE, где 6- расстояние между преобразователя ли 2 и 3, получаем ;--kt k(T- Y ;Одновременно, при воздействии импупьCQB формирователя б, перключакших коммутатор 13, HQ выходах пиковых детекторов 14 и 15 устанавливается напряжение, соответствукшее амплитудам первого и второго резонансных пиков ((J,f и и. HS фит. 2,d). Выходные напряжения (J и изпоступэют на дифференциальные входы преобразователя 16 напряжение код, который вырабатывает при этом чис- . ло импульсов N ,. пропорциональное разности U U-i-U. Эта разность в общем случае зависит от платности среды р и скоростиС распространения ультразвука в ней, т. е. на вычислитель17 поступает код М , несущий информацию о плотнсюти среды, и код, связанный со временем -fc , несущий информацию о- скорости ультразвука в среде. Вычислитель 17 в зависимости от режима вычисляет и выдает на индикатор 18 один или все следующие параметры: скорость с ультразвука, плотность р и удельное акусти ческое .сопротивление р С среды. Блок 7 управления управляет режимом работы устройства. Во первых, он запускает генератор 8 только 6 определенные промежутки времени (в рассматриваемом случае - когда частота генератора 1 увеличивается, фиг. 2,а). В это время происходит преобразование в код времени -t. Во время убывания частоты генератора 1 включается преофазователь напряжение - код, измерякхций разность напряжений ли , преобразуемую в код N Таким офазом, использование предлагемого устройства позволяет одновременно автоматически измерять три параметра вещества - скорость ультразвука, плотность и акустическое сопроттивление, что сокрашет объем ахшаратуры, время измерений и повышает достоверность получаемых результатов. Формула изобретения Ультразвуковое устройство для измерения акустических параметров BemecVва, содержащее эле1ггроакустически замкнуплй тракт, состоящий из высокочастотного генератора перестраиваемой частоты, излучающего и принимающего преобразователей, связанньк с измерительной камерой, заполняемой исследуемым веществом, усилителя, формирователя и блока управления, изменяющего по определенному закону частоту генератора, преобразователь время - код, содержащий генератор .-стабильной часто ты, входом подключенный к блоку ynpeiB ления, и счетчик, входом Счет подклю ченный к генератору через коммутатор, а входом Сброс - к блоку управления, и блок индикации, вход которого со динен с выходом счетчика, отличающееся тем, что, с целью обе печения одновременного измерения скорости ультразвука, плотности и акустического сопротивлений вещества, оно снабжено вторым коммутатором, входом Соединённым с выходом усилителя, подключенными к выходам второго коммута тора двумя пиковыми детекторами, подключенным к их выходам дифферетщиальными входами преобразователем напряжение - код, т1равля1аций вход которого соединен с выходом блока управления, в преобразователе время - код - включенными между первым выходом коммутатора и входом счетчика делителем частаты и схемой ИЛИ, второй вход которой подключен к второму выходу коммутатора непосредственно, в блоке индикашги - Вычислителем, тремя разделительными входами подключенным к выходам счетчика, блока управления и преобразователя напряжение - код, а выходом к ивдикатору, а формирователь выполнен с фиксированным порогом срабатывания и подключен выходом к управляющим Входам обоих коммутаторов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 236843, кл. О01 N 9/24, 1969. 2.Авторское свидетельство СССР № 74824О, кл. GO1N 29/00, 1978 (прототип).

фиа. 2