Гидрологический измеритель скорости звука Советский патент 1986 года по МПК G01H5/00 

«

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости распространения ультразвука в жидкостях и газах, в частности при проведении гидрофизических исследований морей и океанов.

Цель изобретения - повьппение точности измерения за счет исключения ошибок, вызванньп задержками в электроакустическом тракте и изменением акустической базы.

На фиг.1 представлена структурная схема гидрологического измерителя скорости звука; на фиг,2 - функциональная схема синхронного фильтра; на фиг.З --(функциональная схема деш1фратора на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Гидрологический измеритель скорости звука содержит (фиг.1) последовательно соединенные управляемый генератор 1, формирователь 2 импульсов, делитель 3 частоты, распределитель 4 импульсов, генератор 5 возбуждающих импульсов, ограничитель 6, усилитель 7, компаратор| 8 и первый RS-триггер 9, последовательно соединенные коммутатор 10 и интегратор 11, измерительную ячейку 12/ связанную с выходом генератора 5 возбуждаю щих импульсов, и подключенные к выходу управляемого генератора 1 после довательно соединенные линию 13 связи и регистратор 14, дешифратор 15, первый, второй и третий входы которо го соединены соответственно с первьм вторым и третьим выходами распределителя 4 импульсов, четвертый вход - с выходом делителя 3 частоты, первый выход - с управляющим входом компара тора 8, второй RS-триггер 16, выход которого соединен с информационным входом коммутатора 10, S-вход - с первым выходом распределителя 4 импульсов, второй выход дешифратора 15 соединен с R-входами первого 9 и второго 16 RS-триггеров, выход первого триггера 9 соединен с управляющим входом коммутатора 10, и синхронный фильтр 17, вход которого подключен к выходу интегратора 11, выход - к входу управляемого генератора 1, а управляющий вход - к пер вому выходу дешифратора 15, измерительная ячейка 12 выполнена из электроакустического преобразователя

558712

18 и первого 19 и второго 20 отражателей, установленных перпендикулярно направлению излучения ультразвуковых колебаний на расстояниях соответст- 5 венно L от электроакустического преобразователя 18, удовлетворяющих соотношениям

L, L/2, L,, L, +L (1) где L - расстояние между первым 19

О и вторым 20 отражателями.

Синхронный фильтр 17 (фиг.2) выполнен из последовательно соединенньпс ключа 21 и повторителя 22 напряжения и конденсатора 23, соединенного па15 раллельно с входом повторителя 22 напряжения, информационный вход 24 ключа 21 служит входом синхронного фильтра 17, управляющий вход 25 ключа 21 служит управляющим входом син20 кронного фильтра 17, а выход 26 повторителя 22 напряжения служит выходом синхронного фильтра 17.

Дешифратор 15 (фиг.З) может быть выполнен из последовательно соединен ных первого элемента И 27, элемента ИЛИ 28 и второго элемента И 29. Первый вход 30 первого элемента И 27, второй 31 и третий 32 входы элемента ИЛИ 28 и второй вход 33 второго эле30 мента И 29 служат соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами дешифратора 15, а выход 34 элемента ИЛИ 28 и выход 35 второго элемента И 29 служат соответственно

35 первым и вторым выходами дешифратора 15.

Устройство работает следующим образом.

40 Управляемый генератор 1 генерирует синусоидальный высокочастотный сигнал (Hr.4a) с частотой F, , преоб- разуемьй формирователем 2 импульсов в последовательность прямоугольных

45 импульсов (фиг.4б), которая поступает н а вход делителя 3 частоты, имеющего, коэффициент деления п.

Последовательность импульсов .(фкг.4в) с выхода делителя 3 частоты

50 подается на вход распределителя 4 импульсов и на--четвертый вход дешифратора 15. По фронту импульса, (фиг.4г) с первого выхода распределителя 4 импульсов генератор 5 возбуж55 дающих импульсов вырабатывает короткий импульс (фиг.4ж), возбуждающий электроакустический преобразователь 18 измерительной ячейки 12, а RS

триггер 16 устанавливается в состояние логической единиц. (фиг.4м),

Электроакустический преобразователь 18 излучает в исследуемую среду ультразвуковой импульс. В результате отражений излученного импульса от первого 19 и второго 20 отражателей в электроакустическом преобразователе 18 возбуждаются два эхо-сигнала (фиг.Аж). Временной интервал между эхо-сигналами определяется расстоянием между отражателями (акустической базой) и скоростью распространения ультразвука в исследуемой среде.

Эхо-сигналы поступают на вход усилителя 7 через ограничитель 6, предотвращающий перегрузку входа усилителя в момент формирования возбуждающего импульса. После усиления эхо-сигналы поступают на информацион ный вход компаратора 8, стробируемог импульсом (фиг.4з) с первого выхода дещифратора 15. Длительность строби- рующего импульса обеспечивает формирование сигналов на выходе компара тора 8 (фиг.4и) только в моменты приема первого и второго эхо-сигналов. Помехозащищенность компаратора 8 обеспечивается выбором величины напряжения на его опорном входе (не показан), заведомо превьшающей уровень шумов.

Последовательности прямоугольных импульсов, соответствующие первому и второму эхо-сигналам (фиг.4и), с выхода компаратора В поступают на S-вход первого RS-триггера 9. По фронту первого импульса первой из импульсных последовательностей на S-входе триггера 9 вьпсод последнего устанавливается в состояние логической единицы (фиг.4л). Переход первого RS-триггера 9 в нулевое состояние производится по фронту сигнал (фиг.4к), поступающего на R-вход триггера 9 с второго выхода дешифратора 15. Временное положение этого сигнала (фиг.4к) определяется импульсами с второго выхода распределителя 4 импульсов (фиг.4д) и последо- вательностью импульсов (фиг.4в)частотой F(, /п с выхода делителя 3 частоты, поступающих соответственно на второй и четвертый входы дешифратора 15. Аналогично на выходе первого RS-триггера 9 формируется импульс (фиг.4л), соответствующий второй импульсной последовательности (фиг.4и)

0

5

0

5 0 5

0

5

0

на S-входе триггера 9. Длительности первого Т, и второго t импульсов (фиг.4л) на выходе первого RS-триггера 9 определяют время интегрирования интегратора 11 и с учетом (1) соответствуют выражениям

г, 1,5 T,-(,.c .2r,.spl (2) t,, 2,5 Т,-(2,,.(,.(3)

где Ту - период сигнала (фиг.4 в) на выходе делителя 3 частоты,

т, - время прохождения ультразвукового колебания между первым и вторым отражателями (на базовом рас- 5 стоянии L);

время прохождения ультразвукового колебания между электроакустическим преобразователем и первым отражателем (на расстоянии L,).

cnj - задержка при подаче между моментами запуска генератора 5 возбуждающих импульсов и излучением акустического импульса электроакустическим преобразователем 18,

срр - задержка при приеме моментом прихода отраженного акустического сигнала, возбуждающего электроакустический преобразователь 18, и моментом срабатывания первого RS- триггера 93

ЬЕ, - задержка в волноводе (не показан) электроакустического преобразователя 18.

Пара импульсов с первого RS-триггера 9 (фиг.4л) поступает на управляющий вход коммутатора 10. Информационный вход коммутатора 10 соединен с выходом второго RS-триггера 16, уровень сигнала на котором (фиг.4м) определяет направление интегрирования интегратора 11. Уровень сигнала на выходе второго RS-триггера 16 соответствует логической единице в течение времени между фронтом импульса с первого выхода (фиг.4г) распредели- теля 4 импульсов и фронтом первого импульса (фиг.4к) с второго выхода де1Ш1фратора 15 и логическому нулю в остальное время цикла, что, как следует из временных диаграмм, определяет формирование на входе интегратора 11 (вьпсоде коммутатора) пары биполярных импульсов (фиг.4н) - импульса положительной полярности дли- , тельностью и импульса отрицательной полярности длительностью Гз

Величина приращения напряжения на выходе интегратора 11 (фиг.4о)

после окончания цикла заряд-разряд пропорциональна разности длительностей 6, и Cj , определяемых выражениями (2) и (3). Напряжение с выхода интегратора I1 через синхронный фильтр 17, управляемый стробирующим сигналом с первого выхода дешифратора 15 (фиг.4з), поступает на управляющий вход упра.вляемого генератора 1 (фиг,4п).

Приращение частоты выходного сигнала управляемого генератора 1 пропорционально входному напряжению на его управляющем входе, т.е. пропорционально разности длительностей с, и 2 9 которая, как следует из выражений (2) и (3) равна

/ / п- f

i-r (- 2 С(6Г U

И зависит от паразитных задержек Lj,p, Sp n og, определяющих погрешнос измерения скорости звука.

Функционирование замкнутой автоматической системы направлено па выполнение в установившемся режиме равенства

(ь-)

с учетом того, что

7 т

(в1 ; с (7) Из выражения (5) частота выходного сигнала управляемого генератора 1 равна

-jr «)

и при определенных длине L измерительной базы и коэффициенте деления делителя 3 частоты определяется только скоростью распространения звука в исследуемой среде.

Частотный сигнал с выхода управляемого генератора 1 через линию 13 связи поступает на регистрат ор 14.

Использование изобрегтения обеспечивает уменьшение погрешности изме- рений га счет исключения ошибок, выванных задержками в элементах электрического и акустического тракта, а также изменением длины акустической базы под воздействием внешних факторов. При этом сохраняется вы-- сокая чувствительность, быстродействие и помехозащищенность устройства

Формула изобретени

1. Гидрологический измеритель

скорости звука, содержащий последовательно соединенные управляемый

генератор, формирователь импульсов, делитель частоты, распределитель импульсов, генератор возбуждающих импульсов, ограничитель, усилитель, компаратор и первый RS-триггер, последовательно соединенные коммутато и инт.егратор, измерительную ячейку, связанную с выходом генератора возбуждающих импульсов, и подключенные к выходу управляемого генератора, последовательно соединенные линию связи и регистратор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, он снабжен дешифратором, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым, вторым, и третьим выходами распределителя импульсов, четвертый вход - с выходом делителя частоты, первый выход - с управляющим входом компаратора, вторым RS-триггером, выход которого соединен с информационным входом коммутатора, S-вход - с пер- BEiiM выходом распределителя импульсов, второй выход дешифратора соединен с R-входами первого и второго К-Б-триггеров, выход первого RS- триггера соединен с управляющим входом коммутатора и синхронным фильтром, вход которого подключен к выходу интегратора, выход - к входу управляемого генератора, а управляющий вход - к первому выходу дешифратора, измерительная ячейка выполнена из электроакустического преобразователя и первого и второго отражателей, установленных перпендикулярно направлению излучения ультразвуковых колебаний на расстояниях L, и Lg от электроакустического преобразователя, удовлетворяюш х

соотнош ениям , 1 L,+L где

L - расстояние между первым и вторы отражателями.

2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что синхронны фильтр выполнен из последовательно соединенных ключа и повторителя напряжения и конденсатора, соединенного параллельно с входом повторителя напряжения, информационный вход ключа служит входом синхронного фильтра управляющий вход ключа служит управляющим, входом синхронного фильтра, а выход повторителя напряжения служит выходом синхронного фильтра.

2421

фиг.1

ОТ

22

26

Л

Т

77

фиг. 2

сриг. J

Редактор В, Иванова

(№г

Составитель Г. Максимочкин

Техред И.Верес Корректор А. Зимокосов

Заказ 4813/41 Тираж 507 . Подписное ВНШПИ Государственного комитета .СССР

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения скорости распространения ультразвука в жидкостях и газах, в частности, при проведении гидрофизических исследований морей и океанов. Цель изобретения - повышение точности измерения. В электроакустическом тракте устройства, содержащем управляемый генератор, электроакустический преобразователь и два отражателя, получают последовательность эхо-сигналов. По времени между эхо- сигналами и расстоянию между отражателями судят о скорости распространения ультразвука в исследуемой ере- де. Цепи коррекции-, выполненные из RS-триггеров, коммутатора, интеграторов, распределителя импульсов, дешифратора, делителя частоты и формирователя импульсов, обеспечивают уменьшение погрешности измерений за счет исключения ошибок, вызванных задержками в элементах электрического и акустического трактов, а также изменением длины акустической базы под воздействием внешних факторов. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. с € СЛ