Устройство для измерения скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука в среде Советский патент 1986 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования и контроля по скорости распространения и коэффициенту затухания ультразвука физико-химических параметров твердых, жидких и газообразных вешеств, может быть применено в химической, гидрометаллургической, нефтяной промышленности для одновременного автома- тического измерения двух параметров среды, например концентрации и загазованности.

Целью изобретения являются повышение точности измерений, расширение диапазона измерений и устранение неоднозначности отсчетов за счет логического построения схемы устройства.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства; на фиг, 2 - структурная схема блока предварительной установки (обведен штриховой линией) на фиг. 3 - временные диаграммы сигналов. I

Устройство содержит последовательно соединенные излучатель 1 ультразвука в контролируемую среду 2, приемник 3 ультразвуковых колебаний, предварительный усилитель 4, линию 5 задержки, амплитудный детектор 6

и амплитудный дискриминатор 7, узкополосный фильтр 8, частотомер 9, последовательно соединенные частотный детектор 10, вход которого подключен к выходу узкополосного фильтра 8, усилитель 11 постоянного тока, схему 12 точной перестройки частоты, управляемый генератор 13, первый смеситель 14 частоты и избирательный усилитель 15, первый выход которого подключен к входу частотомера 9 , а второй выход - к излучателю 1 ультразвука, второй смеситель 16

частоты, первый вход которого подклю

чен к второму выходу управляемого генератора 13, второй вход - к второму выходу линии 5 задержки, а выход - к входу узкополосного фильтра 8, усилитель 17 с автоматической регулировкой усиления, вход которого подключен к выходу узкополосного фильтра 8, а выход - к второму входу первого смесителя, и блок 18 предварительной установки, пер- вьй вход которого подключен к второму выходу частотного детектора 10, второй вход - к трё-тьему выходу изби

;

260837.

рательного yci-тителя, а выходы - к второму и третьему входам управляемого генератора 13.

Блок 18 предварительной установки

5 состоит из последовательно соединенных формирователя 19 запускающих импульсов, вход которого подключен к второму выходу частотного детектора 10, программируемого распредели10 теля 20 импульсов, реверсивного счетчика 21, управляемого делителя 22 частоты, второй вход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика 21 и третьим выходом

15 рательного усилителя 15, третий

вход - с вторым выходом программируемого распределителя 20 импульсов, дискриминатора 23 кодов и схемы 24 грубой перестройки, выход которой

20 подключен к второму входу управляемого генератора 13, кодового задатчи- кя 25 номера частоты самовозбуждения, выход которого подключен.к второму входу дискриминатора 23 кодов, последовательно соединенных ключевого стабилизатора 26 тока, вход которого подключен к третьему, выходу программируемого распределителя 20 импульсов, накопительной емкости 27,

30 второй вход которой подключен к общей шине, и схемы 28 разряда, второй вход которой подключен к четвертому выходу программируемого распределителя 20 импульсов, и истокового

35 повторителя 29, вход которого подключен к выходу ключевого стабилизатора 26 тока, а выход - к третьему входу управляемого генератора 13. Первый и третий входы управляемого

40 генератора 13 содержат перестраиваемые емкости, управляемые напряжением, а второй вход - переменные емкость и индуктивность, подстраиваемые электромеханическим путем, при

45 этом выполняется неравенство:Т

rv -(Ч л .1.

25

50

,J .J, где C.i.i - постоянные времени перестройки частоты по цепи схемы грубой перестройки (Т ), по цепи истокового повторителя Ci) и по цепи схемы точной перестройки ( S).

Устройство работает следуюш 1м образом.

При включении источника питания 55 в электрической схеме прибора возникают флуктуации электрического напряжения , которые излучаются излучателем 1 в контролируемую среду 2

в виде ультразвуковых колебаний, распространяются в среде 2 и преобразуются затем в электрический сигнал приемником 3 ультразвуковых колебаний. Электрические колебания усиливаются предварительным усилителем 4 и через дисперсионную линию 5 Задержки поступают на вход второг смесителя 19 частоты, где преобразуются в колебания промежуточной частоты и далее поступают на вход узкополосного фильтра 8. В узкополосном фильтре 8 из флуктуации напряжения вьщеляются колебания определенной частоты, которые стабилизируются по амплитуде усилителем 17 с автоматической регулировкой усиления и подаются на вход первого смесителя 14 частоты. В смесителе 14 частоты эти колебания преобразуются в колебания исходной частоты и усиленные избирательным усилителем 15 поступают снова на излучающий излучатель 1 . Таким образом, в устройстве за счет положительной обратной связи возникают незатухающие синусоидальные колебания, частота автоциркуляции которых f определяется выражением

с m

L + с t

(1)

jokd

m L -дай

где с - скорость распространения ультразвука;

число периодов акустических колебаний в контролируемой среде и электронной схеме прибора, укладьтающихся в кольце замкнутой обратной

CBHSHJ

акустическая база;

время задержки сигнала в электронной схеме устройства.

Величина t,. является частотно- зависимой в соответствии с парамет- рами дисперсионной линии 5 задержки которая включена в замкнутую цепь положительной обратной связи.

После включения устройства блок 18 предварительной установки авто- матически устанавливает частоту управляемого генератора 13 величиной f ге„ , равной сумме частоты автоциркуляции f на заданной гармонике и прмежуточной частоты f

попадающей

В полосу пропускания узкополосного

фильтра 8, т.е.

+ f.

Такая

же установка осуществляется после

60837.

задаваемых или случайных перерывов ультразвукового сигнала, что необ- ходимо для связи всех результатов измерений между собой. Затем блок 5 18 предварительной установки автоматически отключается и в работе устройства не участвует впредь до перерывов ультразвукового сигнала.

При изменении скорости распростра- 10 нения ультразвука в исследуемой среде 2 меняется частота автоциркуляции согласно выражению (1). В результате изменяется и промежуточная

частота f . Это изменение детектиnp

руется частотным детектором 10 и через усилитель 11 постоянного тока поступает на блок 12 точной перестройки частоты, который управляет частотой управляемого генератора 13 таким образом, чтобы промежуточная частота постоянно была равна центральной частоте полосы пропускания узкополосного фильтра 8.

Для обеспечения однозначности измерений полоса пропускания узкополосного фильтра 8 должна быть меньше разности между соседними резонансными частотами автоциркуляции. Диапазон же измерения скорости распространения ультразвука л С не зависит от полосы пропускания узкополосного фильтра 8, а определяется только диапазоном перестройки управляемого генератора 13.

Высокая точность измерений величины скорости распространения ультразвука и его затухания обеспечивается при условии, что в акустическом тракте укладывается целое число волн. В этом случае прямой ультразвуковой сигнал точно сфазирован относительно многократно отраженного ультразвукового сигнала. Из вьшолнения баланса фаз по замкнутому контуру обратной связи следует, что и в электронной схеме устройства укладьшается целое число периодов сигнала автоциркуляции, т.е. набег фазы в электронной схеме равен

2ТТ- f.

Va 2Я

(2)

где t а время задержки сигнала в

электронной схеме прибора; к - целое положительное число Вьшолнение условия (2) в устройстве обеспечивается дисперсионной линией 5 задержки, причем время задержза131 сит от частоты сооткетствии с вы

k ..

I.

(3)

где 1 - время задержки сигнала в

ЭЛ

электронной схеме устройства, исключая линию задержки. В этом случае скорость распространения ультразвука с прямо пропорциональна длине волны А и частоте f автоциркуляции синусоидальных колебаний и определяется по формуле

f

(А)

где L . акустическая база;

п m-k - целое число, показывающее количество длин волн, укладьюающихся на длине акустической базы.

Число п является номером резонансной частоты, которая устанавливается блоком 18 предварительной установки и на которой осуществляется автоциркуляция синусоидальных колебаний.

Автоматическая установка заданной частоты цавтоциркуляции осуществляется следующим образом.

После включения устройства по цепи замкнутой обратной связи с акустически исследуемой средой 2 возникает автоциркуляция сигнала на п-ой резонансной частоте, т.е. .- Блок 18 предварительной установки измеряет и регистрирует величину частоты f. Затем автоматически включается перестройка управляемого генератора 13 по частоте до срыва автоциркуляции и возникновения автоциркуляции на соседней резонансной частоте f, Значение f также измеряется и регистрируется. Далее блоком 18 предварительной установки автоматически определяется число п путем решения системы уравнений, полученных из формулы (4)

Щ-1

(5)

Решение системы уравнений (5) представляется в виде

п

- 1.

(6)

Полученное значение числа п блок 18 сравнивает с номером п, хранящимся в его .памяти. Если результаты сравнения различаются, то произво- 5 дится автоматическая перестройка управляемого генератора 13 по частоте с целью установки номера частоты автоциркуляции, равного заданному. Основным звеном, управляющим ра0 ботой блока 18 предварительной установки, является частотный детектор 10. Формирователь 19 запускающих импульсов формирует из сигнала частотного детектора 10 запускающие им5 пульсы только по перепадам напряжения любой полярности на его выходе, которые имеют место в момент включения устройства, а также после проявления принятых ультразвуковых сигна0 лов или же после других случайных сбоев в работе устройства. Моменты времени t характеризуются возникновением автоциркуляции синусоидального сигнала (фиг. За) по цепи обрат5 ной связи. Любое возникновение сигнала автоциркуляции приводит к возникновению сигнала в узкополосном фильтре 8, что вызьгаает скачок напряжений в момент tj на выходе час0 тотного детектора 10 (фиг. 36). Переход сигнала автоциркуляции на соседнюю резонансную частоту также вызьгоает скачок напряжения на выходе частотного детектора 10, так как

5 в этом случае скачкообразно прерывается автоциркуляция на одной резонансной частоте и возникает автоциркуляция на другой частоте (например, момент времени на фиг. 3л).

0

Короткие запускающие импульсы

(фиг. 3&) с формирователя 19 поступают на программируемый распределитель 20 импульсов. Последний формирует распределенные по времени импульсы для сброса, запуска прямого и обратного счета реверсивного счетчика 21, для запуска ключевого стабилизатора 26 тока и для включения схемы 28 разряда. Сразу же после по ступления запускающего импульса программируемый распределитель 20 импульсов подает импульс длительностью tj-t (фиг. 3) на запуск прямого счета реверсивного счетчика 21, ко5 торый подсчитьгоает за промежуток времени количество периодов автоциркуляционного сигнала, поступающих на его счетный вход с избира5

тельного усилителя 15. В момент времени t| прямой снет реверсивного счетчика 21 прекращается и программируемый распределитель 20 импульсов запускает в этот момент ключевой стабилизатор 26 тока импульсом И по длительности равным (100-200) мс (фиг. Зо). Стабилизатор 26 начинает заряжать с момента с накопительную емкость 27 стабильным током. Благодаря этому напряжение U на накопительной емкости линейно увеличивается (фиг. Зэк) и через истоковый повторитель вызьшает уменьшение емкости варикапа (не показан), подключенного к колебательному контуру управляемого генератора 13. При этом последний линейно увеличивает час- . тоту св.оих колебаний. Постоянная Г времени схемы 12 точной перестройки частоты больше постоянной Т времени перестройки частоты управляемого генератора 13 по цепи истокового повтрителя, поэтому схема 12 точной подстройки частоты не успевает скомпенсировать по цепи обратной связи возникающий разбаланс по частоте.

Следовательно, управляемый генератор 13 изменяет свою частоту , что вызьшает изменение величины промежуточной частоты f р и выход ее из полосы пропускания узкополосного избирательного фильтра 8. Это вызывает прерывание в момент времени t автоциркуляции на данной частоте f и возникновение в момент времени с,

D

автоциркуляции на соседней резонансной частоте f -i-l (фиг. За).

При возникновении автоциркуляции на соседней резонансг}ой частоте .частотньй детектор 10 вырабатывает перепад напряжения, по которому формирователь 19 запускающих импульсов формирует в момент времени tg второй импульс. По этому импульсу начинается второй такт работы устройства (фиг. 35,6 ). В этом такте реверсивный счетчик 21 импульсом и|д (фиг. Зи) с программируемого распределителя 20 импульсов переводится в режим обратного счета. Б промежуток времени ,, по длительности равному промежутку времени t -t, из реверсивного счетчика 21 вычитают число периодов частоты f 1 авП

тоциркуляции. После окончания действия импульса tg-t, в памяти реверсивного счетчика остается информа60837.

ция, пропорциональная разности частот ,/. Цифровой код, соответ- ствундцйй абсолютной величине разности частот ff,-f,, , подается на уп- J равляющие входы делителя 22 частоты. После некоторого переходного процесса (фиг. Зи,к ), равного нескольким микросекундам, программируемый распределитель 20 импульсов формирует импульс длительностью

10

(фиг. 3 к ), равный временным

интервалам

t -t,, по котороЬ

му разрешается работа управляемого

делителя 22 частоты. Одновременно J5 на первьм вход делителя 22 частоты подаются колебания с частотой f +1, а на второй (управляющий) вход, определяющий коэффициент его деления, подается с реверсивного счетчи- 20 ка 21 комбинация кодов, соответствующая разности частот , . Управляемый делитель 22 частоты за время

t -t производит деление частоты

о э

f.+1

на разность |f,-f и тем са- 25 мьгм на его выходах образуется комбинация кодов, соответствующая чис-tii-L- -1 и равная номеру п час

лу h+t П

тоты самовозбуждения синусоидального сигнала. По достижении момента времени t управляемьш делитель 22 частоты отключается и на его выходах сохраняется полученная комбинация

кодов. I

Программируемый формирователь- распределитель 20 импульсов в про- межуток времени

пульс V (фиг. 3л), которым запускается схема 28 разряда накопительной емкости 27. Этим же импульсом U блокируется собственный вход программируемого распределителя 20 импульсов, так как разряд накопительной емкости вызывает переход частоты f, автоциркуляции на исходную

формирует имвеличину частоты г, что вызьшабт, в свою очередь, перепад напряжения на выходе частотного детектора 10 и возможность повторного запуска рас- пределителя 20 импульсов. Блокировка позволяет избавиться от повторного запуска программируемого формирователя-распределителя 20 импуль55

сов, полный цикл работы которого и. заканчивается в момент времени t (фиг. 3л).

Комбинация кодов, соответствующая фактическому номеру п частоты

авто шркуляции, подается с выхода управляемого делителя 22 частоты на дискриминатор 23 кодов, на второй- вход которого подается с кодового задатчика 25 номера частоты самовозбуждения комбинация кодов, соответствующая необходимому номеру п частоты автоциркуляции. Дискриминатор .

23кодов сравнивает коды меткду собой и формирует на своем выходе числовой код, соответствующий разности сравниваемых кодов ли п„--п,

Результирукяций код, пропорциональный разности заданного п и фактически имеющего место п номера частоты автоциркуляции, подается на схему 24 грубой перестройки, которая по окончании сравнения кодов запускается в момент времени t сигналом Начало перестройки (фиг. 3м) с дискриьданатора 23 кодов. В зависимости от результата сравнения схема

24грубой перестройки с помощью, например, шагового реверсивного двигателя (не показан) перестраивает уп- равляемьй генератор 13 в ту или иную сторону на соответствующее ко- личе ство шагов. По окончании перестройки схема 24 грубой перестройки подает в момент време1-ш t, импульсный сигнал Конец йерестройки (фиг. Зн) обратно на дискриминатор 3 кодов, который сбрасывается этим импульсом в исходное нулевое состояние.

При осуществлении грубой перестройки частоты управляемого генератора 13, которая осуш;ествляется сранительно быстро (сотые доли секунды) , по контуру цепи обратной связи лп раз осуществляется переход автоциркуляции на соседнюю резонансную частоту. Это обеспечивается тем, что время распространения ультразвука, по крайней мере, на один - два порядка меньше (обычно несколько сот микросекунд), чем постоянная времени 1| перестройки частоты по цепи схемы 24 грубой Перестройки. Следовательно, за время перестройки t -с автоциркуляция успевает йп раз надежно установиться и на выходе частотного детектора 10 возникет такое же количество ап-перепадов напряжения, по которым формирователь 19 запускающих импульсов формирует короткие запускающие импульсы. По каждому из этих импульсов про260837

граммируемый распределитель 20 импульсов }1ачинает формировать импульс , подаваемый далее на реверсивный счетчик 21. Логика работы программируемого распределителя 20 импульсов построена таким образом, что по новому импульсу, поступающему на его вход во временной промежуток tj-t, сбрасывается в исходное соЮ стояние (фиг. Зг, моменты с, ...t.

Ц)

15

и обнуляет реверсивный счетчик 21, а через время переходного процесса, равное не более одной микросекунде, снова начинает отсчет временного интервала t,-t.

По последнему перепаду напряжения частотного детектора 10 работа блока 18 предварительной установки продолжается дальше по выше описанной последовательности. В случае равенства задаваемого номера п резонансной частоты автоциркуляции и фактического п (выходной код дискриминатора 23 кодов равен 0) срабатывание схемы 24 грубой перестройки не происходит и устройство в целом измеряет скорость распространения ультразвука на заданной частоте автоциркуляции сигнала по замкнутому измерительному контуру.

Следовательно, цикл работы блока 18 предварительной установки, при котором схема 24 грубой перестройки выходит точно на заданную частоту автоциркуляции в один прием, состоит как бы из двух периодов в течение каждого из которых измеряются значения резонансной частоты само- возбуждения. В первый период работы при этом осуществляется основная перестройка на заданную величину резонансной частоты, а второй период является контрольным.

Регистрация скорости распространения ультразвука в среде производится частотомером 9, подключенным к выходу избирательного усилителя 15 и проградуированного с учетом выражения (4) .

Так как постоянное по амплитуде напряжение на входе излучателя 1 ультразвуковых колебаний обеспечивается автоматической регулировкой

усиления в усилителе 17, то уровень сигнала на выходе линии 5 задержки прямо пропорционален затуханию ульт- развуковых колебаний в среде 2. Этот

1

сигнал детектируется амплитудным детектором 6 и далее поступает на амплитудный дискриминатор 7, где осуществляется регистрация затухания ультразвуковых колебаний в среде 2.

Дисперсия скорости ультразвука измеряется путем изменения кода, записываемого в задатчике 25 номера частоты самовозбуждения. В этом случае устройство автоматически изме ряет скоррсть распространения ультразвука на новой резонансной частоте и дисперсия определяется как разность значений скорости ультразвука, измеренных на различных ре- зонансных частотах.

Предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность измерений, расширение диапазона измерений и устранение неоднозначности отсчетов. Кроме того, устройство позволяет за счет изменения задаваемого номера частоты автоциркуляции измерять дисперсию скорости ультразвука.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука в среде, содержащее последовательно соединенные излучатель ультразвука, контролируемую среду, приемник ультразвуковых колебаний, предварительный усилитель, линию задержки, амплитудный детектор и амплитудньш дискриминатор, узкополосньй фильтр и частотомер, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, расширения диапазона и устранения неоднозначности отсчетов, оно снабжено последовательно соединенными частотным детектором, вход которого подключен к выходу узкополосного фильтра, усилителем постоянного тока, схемой точной перестройки частоты, управляемым генератором, первым смесителем частоты и избирательным усилителем, первый вход которого подключен к входу частотомера, а второй вход - к излучателю ультразвука, вторым смесителем

у 5

е- )0 fS

1260837 2

частоты, первый вход которого подключен к второму выходу управл яе- мого генератора, второй вход - к второму выходу линии задержки, а выход - к входу узкополосного фильтра, усилителем с автоматической регули ровкой усиления, вход которого подключен к выходу узкополосного фильт

ра, а выход - к второму входу первого смесителя, и блоком предварительной установки, первый вход которого подключен к второму выходу частотного детектора, второй вход - к третьему выходу избирательного усилителя, а выходы - к второ и третьему входам управляемого генератора.

2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что блок предварительной установки содержит последовательно соединенные формиро- ватель запускающих импульсов, вход которого подключен к второму выходу частотного детектора, программируемый распределитель импульсов, реверсивный счетчик, управляемый делитель частоты, второй вход которого соединен с вторым входом реверсивного счетчика и третьим выходом избирательного усилителя, третий вход - с вторым выходом программируемого распределителя импульсов, дискрими-. натор кодов и схему грубой перестройки, выход которой подключен к второму входу управляемого генератора, кодовый задатчик номера частоты самовозбуждения, выход которогЬ подключен к второму входу дискриминатора кодов, последовательно соединенные ключевой стабилизатор тока, вход которого подключен к третьему

выходу программируемого распределителя импульсов, накопительную емкость, второй вход которой подключен к общей шине, и схему разряда, второй вход которой подключен к четвертому выходу программируемого распределителя импульсов, и истоковый повторитель, вход которого подключен к выходу ключевого стабилизатора тока, а выход - к третьему входу управляемого генератора.

Редактор Л.Повхан

Составитель В.БелОзеров

Техред Л, Сердюков а Корректор Е.Сирохман

Заказ 5223/44 Тираж 778Подписное

ВНИИПИ 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

in

Фиг. 5

til

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования и контроля по скорости распространения и коэффициенту затухания ультразвука физико- механических параметров твердых, жидких и газообразных веществ. Оно может быть применено в химической, гидрометаллургической, нефтяной про- мыпшенностях для одновременного автоматического измерения двух параметров среды, например концентрации и загазованности. Целью изобретения является повышение точности измерений, расширения диапазона измерений и устранение неоднозначности отсчетов за счет логического построения схемы устройства. Работа устройства основана на использовании метода автоциркуляции. Дополнительно в цепи обратной связи применены дисперсионная линия задержки, 1-й и 2-й смесители, узкополосньш фильтр, частотный детектор, усилитель постоянного тока, схема точной перестройки частоты автоциркуляции, управляемый генератор и усилитель с АРУ. Кроме того, устройство содержит блок предварительной установки, который при включении устройства автоматически устанавливает частоту управляемого генератора, равную сумме частот автоцир- куляции заданной гармоники и промежуточной. Совокупность блоков позволяет установить целое число волн равно- циркуляции как в акустическом тракте, так и в электрическом, выбрать полосу пропускания узкополосного фильтра меньше разности между соседними резонансными частотами авто- . циркуляции. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. с s Л 9д X &0 SJ