Устройство для измерения скорости ультразвука Советский патент 1986 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к-технике акустического контроля и может быть использовано для измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний в жидких средах.

Цель изобретения - повышение точности измерения и чувствительности за счет уменьшения систематической

погрешности.

На чертеже приведена блок-схема устройства для измерения скорости ультразвука.

Устройство содержит последователно электроакустически соединенные генератор 1 возбуждающих-импульсов, излучающий 2 и приемный 3 пьезо- преобразователи, первьй ограничитель 4, первьй компаратор 5, блок 6 управления, первый RS- триггер 7, дискриминатор 8, коммутатор 9, управляющий вход которого подключен к выходу первого RS -триггера 7, интегратор 10, управляемый генератор 11 и регистратор 12, последовательно соединенные делитель 13 частоты, входом подключенньш к выходу управляемого генератора 1 1 , распределитель 14 импульсов, первым выходом подключенньй к R -входу первого RS-триггера 7, последовательно соединенные второй ограничитель 15, входам подключенньй к выходу генератора 1, и второй компаратор 16, последовательно соединенные первьй инвертер 17, входом подключенньй к второму выходу распределителя 14 импульсов, одно- вибратор 18, первую схему 19 И, второй вход которой подключен к выходу второго ко мпаратора 16, второй RS -триггер 20, S-входом подключенный к выходу первой схемы 19 И, а выходом к второму входу дискриминатора 8, и схему 21 Ш1И,, выходом подключенную к входу генератора 1, причем блок 6 управления выполнен в виде последовательно соединенных второго инвертора 22, входом подключенного к второму вьгходу делителя 13 частоты, второй схемы 23 И, третьего RS -триггера 24 и третьей схемы 25 И, вторым входом подключенной к выходу первого компаратора 5, а выходом - к S-входу первого RS -триггера 7, третьего инвертора 26, входом подключенного к первому выходу делителя 13 частоты, а выходом - к второму входу

второй схемы 23 И, третий вход которой подключен к третьему выходу распределителя 14 импульсов, соеди- ненного и с первым входом схемы 21 ИЛИ, четвертой схемы 27 И, первым входом подключенной к выходу второго инвертора 22, вторым входам - к первому выходу делителя 13 частоты, третьим входом - к второму

выходу распределителя 1-4 импульсов, соединенного и с вторым входом схемы 21 ИЛИ. Позиция 28 обозначает логический блок из первого инверто- тора 17, одновибратора 18 и первой схемы 19 И.

Устройство работает следующим образом. ,

Выходные импульсы управляемого генератора 11 поступают на вход делителя 13.частоты. С первого выхода делителя 13 частоты импульсы поступают на вход распределителя 14 импульсов, задающего последовательность работы отдельных функ- диональных блоков устройства.

Импульс С- третьего выхода распределителя 14 импульсов через схему 21 ИЛИ производит запуск генератора 1 возбуждающих импульсов,, формирующего коротк1ш импульс, который поступает на излучающий пьезопре- образователь 2, где формируется ультразвуковой импульс, которьй после последовательного прохождения

волновода излучателя, контролируемой среды, волновода приемного пьезо- преобразователя 3 преобразуется в электрический импульс, поступающий на вход первого ограничителя 4. За

тем импульс через первьй компаратор 5,. осуществляющий временную привязку приемного сигнала и его нормирование по амплитуде,поступает на вход блока управления играющего

роль Ьременных ворот для выходного импульса первого компаратора 5. После блока 6 сигнал поступает на 5 -вход первого RS,-триггера 7. Таким образомр процесс зондирования

контролируемой среды, завершается формированием первым RS -триггером 7 и переднего фронта импульса, подаваемого на первьй вход дискриминатора 8.

Длительность I„и временного интервала, отсчитываемого с момента формирования переднего фронта импульса на третьем выходе распределителя 14 импульсов до момента формирования первым RS -триггером 7 фронта импульса определяется формулой

NM L,+ Lj + .,o,

де L - время задержки электрического импульса в генерато- , ре 1;10

Lj,-, - времена задержки в пьезоэлементах излучающего и приемного пьезопреобразователей;

, времена задержки ультра- звукового импульса в волноводах излучающего и приемного пьезопреобразо- вателей;

Tg, - время задержки ультразву- 2о . кового импульса в контролируемой среде; t - время задержки электрического импульса в первом ограничителе 4;25

LP - время задержки электричес- °,

кого импульса 4 в первоькомпараторе 5;

tj - в ремя задержки электрического импульса в блоке JQ о управления;

- время задержки электрического импульса в первом RS -триггере 7;«

При применении идентичных пьезо- -, лементов и волноводов можно считать

ь - з- -н:

л

k -5 -волн

Тогда длительность временного ин тервала зондирования состоит из ин-С формативной составляющей t и неинформативной составляющей ti( (паразитной временной задержки), равной t.

г,гг,,-2гБ,,/4-г8 гд-ц,

гл. -v ин -6 -н Импульсом с второго выхода рас- пределителя 14 импульсов через схему 21 ИЛИ производится повторный запуск генератора 1, формирующего короткий импульс, поступающий на пьезоэлемент излучающего пьезопреоб- разователя 2.

Образуемый при этом ультразвуковой импульс после распространения

10

2о 25

JQ

«

-,

40

45

5055

через волновод излучателя частично проходит в контролируемую среду, а частично, отражаясь от границы волновод-среда, вследствие различия их акустических импедансов. возвра щается обратно по волноводу к пьезе- элементу излучающего пьезопрербра- зователя 2 и преобразовывается Последним в электрический импульс, поступающий на вход второго ограничи- теля 15.

Указанный приемный сигнал после прохождения второго ограничителя 15 нормируется по амплитуде вторым, компаратором 16, осуществляющим также временную привязку последнего, и поступает на вход логического блока 28, выполняющего роль временных ворот и управляемого импульсом со второго выхода распределителя 14 импульсов. Пройдя логический блок 28, импульс поступает на S- вход второго RS -триггера 20, изменяя его состояние. Процесс второго зондирования завершается формированием переднего фронта импульса на прямом выходе второго RS -триггера 20. .

Длительность интервала второго зондирования определяется следующей формулой

r;n,+vVt..ts-u- -,.

Исходя из условия практической идентичности параметров первого и второго ограничителей, компараторов и RS -триггеров, можно предположить, что длительность временного интервала второго зондирования практически равна длительности неин- формативной составляющей t, временного интервала зондирования контролируемой среды.

Длительность временного интервала .,„ отсчитываемого от момента

tflil

формирования переднего фронта импульса на третьем выходе распределителя 14 импульсов до момента формирования вторьым RS -триггером 20 переднего фронта импульса, определяется выражением

)

где Т - период импульсов, следующих на входе распределителя 14 импульсов. Импульс, сформированный первым

f.S -триггером 7, поступает одновре

менно на первый вход дискриминатора 8 и на второй вход ко.ммутатора 9.Импульс, сформированньм вторым Р,5 -тригером 20, поступает на второй вход дискриминатора 8.

Дискриминатор 8 осуществляет сравнение длительности временного интервала 1 ц с длительнос,тью L, при этом анализируется временное расположение переднего фронта импульса на прямом выходе первого RS -триггера 7 относительно переднего фронта импульса, формируемого на выходе второго KS -триггера 20,

Если передний фронт импульса на выходе первого RS -триггера 7 опережает во времени передн:ий фронт импульса, формируемого на выходе второго RS -триггера 20, то на выходе дискриминатора 8 формируется сигнал логической 1 (высокий уровень) .

В случаеJесли передний фронт импульса на выходе первого RS -тригера 7 отстает от переднего фронта импульса, формируемого вторым RS- триггером 20, то на выходе дискриминатора 8 формируется сигнал логического О (низкий уровень).

Сигналы высокого или низкого логического уровня формируются на выходе коммутатора 9 при наличии на управляющем втором входе высокого уровня, напряжения. Сигналы логических уровней с вы.хода коммутатора 5 поступают на вход интегратора 10, подключая его вход либо к шине питания с высоким потенциалом (при логической 1) или к шине питания с низким потенциалом (при логическом О

Указанные переключения входа :интегратора 10 вызывают соответстве но. возрастание или уменьшение напряжения на выходе интегратора. По абсолютному значению выходное напряжение интегратора 10, являющееся управляющим для управляемого генератора 11, растет в случае, когда передний фронт импульса первого RS -триггера 7 опережает во времени передний фронт второго RS -триггера 20, и уменьшается в противном случа

В установившемся режиме работы устройства соблюдается, условие

, - LL

ич ип te-tH--T+t

частота импульсов на выходе управляемого генератора 11;

- коэффициент деления делИ теля 13,

kc L

где

L скорость звука в контролируемой среде;

акустическая база устройства - расстояние между излучающим и приемным пьезоэлектрическими преобразователями.

Как следует из приведенной формулы, значение частоты электрических импульсов на выходе управляемого генератора 11 практически определяется только значением скорости распространения ультразвуковых колебаний,так как значения коэффициента К и базового расстояния L есть величины постоянные.

Таким образом, в устройстве достигается более высокая точность измерения за счет исключения из вре- .менного интервала зондирования паразитной (i ) задержки, приводящей к погрешности ния

(&о)

измере 0

сТц

100%.

Причем при более высокой точности сохраняется высокая чувствительность.

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости ультразвука,содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор возбуждающих импульсов, излучающий и приемньй пьезопреобразо- ватели, первые ограничитель и компаратор, последовательно соединенные первый RS -триггер, дискриминатор, коммутатор, управляющий вход которого подключен к выходу первого RS - триггера, интегратор, управляемый генератор и регистратор, последовательно соединенные делитель частоты, входом подключенный к выходу управляемого генератора, распреде-т литель импульсов, первым выходом подключенный к R -входу первого R S -триггера, о тличающе- е с я тем, что,с целью повьшения

точнобти измерения и чувствительности, оно снабжено последовательно соединенными вторыми огран ичи- телем, входом подключенным к выходу генератора возбуждающих импульсов,и компаратором, последовательно соединенными первым инвертором I, входом подключенным к второму выходу распределителя импульсов, одновибратором, первой схемой И, второй вход которой подключен к выходу второго компаратора, вторым RS-триггером, S- входом, подключенным к выходу первой схемы И, а выходом - к второму входу дискриминатора, схемой ИЛИ, выходом подключенной к входу генератора возбуждающих импульсов и блоком управления, выполненным в виде последовательно соединенных второго инвертора, входом подклюСоставитель И.Ардашева Редактор Л.Авраменко Техред С.Мигунова Корректор

Заказ 252/55 Тираж 778 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

208305 -8

ченного к второму выходу делителя частоты, второй схемы И, третьег о RS-триггера и третьей схемы И, вторым входом подключенной к выхо 5 ду первого компаратора, а выходом - к S-входу первого RS- триггера, третьего инвертора, входом подключенного к первому выходу делителя частоты, а выходом - к

10 второму входу второй схемы И, третий вход которой подключен к третьему выходу распределителя импульсов, соединенного и с первым входом схемы ИЛИ, четвертой схемы И, пер- :

15 вым входом подключенной к выходу второго инвертора, вторым входом - к первому выходу делителя частоты, третьим входом - к третьему выходу распределителя импульсов, соединен20 него с вторым входом схемы ИЛИ,

Изобретение относится к технике акустического контроля и может быть .использовано для измерения скорости распространения ультразвуковых колебаний в жидких средах. Целью изобретения является повышение точности измерения и чувствительности за счет уменьшения систематической погрешности. В устройстве формируется отражен- ньй от границы протектор-контроли- руемая среда импульс для задержки переднего фронта импульса на выходе распределителя 14 импульсов,на величину, равную паразитной временной задержке путем вторичного запуска генератора 1 возбуждающих импульсов в момент, соответствующий переднему фронту импульса на выходе распределителя 14 импульсов. На входах дискриминатора 8 сравниваются два временных интервала, один из которых определяется .передним фронтом первогоR5 - триггера 7, а второй передним фронтом импульса на выходе второ о RS -триггера 20. По результату сравнешш частота управляемого генератора 11 будет меняться так, чтобы в установив- шемся режиме указанные временные интервалы стали равны. При этом информация на регистраторе 12 будет скорректирована от паразитных временных задержек. Введение в устройство логического блока 28, блока 6 управления, вторых RS -триггера 20, ограничителя 15, компаратора 16 и схемы 21 И позволяют выполнить описан- ньш алгоритм и повысить точность измерения и чувствительность. 1 ил. (Л g N5 О 00 СП о ел