Способ измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01N29/04 

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений и может найти применение в химической промьшшенности, в научно-исследовательских и заводских лабораториях для прецизионных измерений акустических параметров жидких сред. Цель изобретения - повьшение точности, сокращение времени и упрощение измерений за счет трехуровневой модуляции фазы. На фиг.1 показана форма фазочастотной характеристики (ФЧХ) измерительной камеры с исследуемой средой; на фиг 2 - блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.З - временная диаграмма работы устройства; на фиг.4соотношение измеряемых величин. Устройство для реализации предлагаемого способа содержит измерительную камеру 1 постоянной длины с излучакдцим 2 и приемным 3 ультразвуковыми преобразователями, фазовращател 4,управляемый по частоте генератор 5,выход которого соединен с излучающим ультразвуковым преобразоватеjffeM 2 и входом фазовращателя 4, фазовьй детектор 6, первый вход которого соединен с выходом приемного ультразвукового преобразователя 3, а второй вход - с выходом фазовращателя 4, последовательно соединенными таймером 7, первым 8 и вторым 9 счетными триггерами, элементом )0 задержки и дифференцирующей цепью 11 последовательно соединенными первым реверсивньм счетчиком 12, первым бу-ферным регистром 13, цифроаналоговым преобразователем 14 и сумматором 15 выход которого соединен с управляющим входом фазовращателя 4, четырь„мя схемами 16 - 19 совпадения, после довательно соединенными вторым буфер ным регистром 20 и схемой 21 отображения, вторым реверсивным счетчиком 22, выходы которого соединены с входами второго буферного регистра 20, счетный вход второго реверсивного счетчика 22 - с выходом первой схемы 16 совпадения, а управляющий вход с выходом первого счетного триггера 8 и первым входом второй схемы 17 совпадения, выход которой соединен вторым входом сумматора 15, а второй вход второй схемы совпадения 17 с прямым выходом второго счетного триггера 9, управляющим входом перв го реверсивного счетчика 12, входам 1 5 записи первого 13 и второго 20 буферных регистров, и вторым входом первой схемы 16 совпадения, первый вход которой соединен с первым входом третьей схемы 18 совпадения, счетным входом первого реверсивного счетчика 12 и выходом четвертой схемы 19 совпадения, первьй вход которой соединен с выходом генератора 5, а второй вход - с выходом таймера 7, третьим счетчиком 23, выходы котороГО соединены с входами второго буферного регистра 20, счетньм вход - с выходом третьей схемы 18 совпадения, . второй вход которой соединен с инверсным выходом второго счетного триггера 9 и третьим входом сумматора 15, выход фазового детектора 6 соединен с управляющим входом генератора 5, входы установки в нуль счетчика 12, 22 и 23 соединены с выходом дифференцирующей цепи 11. Сумматор 15 обеспечивает суммирование сигналов, поступающих на его входы. Коэффициент суммирования по третьему входу в два раза меньше коэффициента суммирования по второму входу. Реверсивные счетчики 12 и 22 выполняют суммирование и вычитание числа периодов сигналов, поступающих на счетные входы. Суммирование происходит при единичном, а вычитание при нулевом уровнях на управляющих входах счетчиков. Третий счетчик 23 имеет на входе счетньй триггер. Этот триггер выполняет функцию деления на два.Схема 21 отображения обеспечивает вывод на индикацию значений, поданных на ее вход. Буферные регистры 13 и 20 запоминают на выходах входные коды, соответствующие моменту появления на входе записи каждого регистра переднего фронта сигнала. Дифференцирующая цепь 11 формирует короткий им1 пульс, соответствующий переднему фронту поступающего на ее вход сигнала. Таймер 7 формирует цифровой сигнал, высокий и низкий уровни которого по длительности строго фиксированы. Высокий уровень определяет интервах т счета Т(.ц частоты, а низкий превышает время установления переходного процесса в акустической камере (фиг.З) Способ реализуется с помощью устройства следующим образом. Измерительную камеру 1 заполняют растворителем с известными значениями скорости распространения С. и коэффициента поглощения Ы ультразвука. Для биологических сред в качестве растворителя как правило, используют дистиллированную воду, в которой скорость распространения ультразвука С при 25°С равна 1496, 687 м/с и коэффициент поглощения ot равен 3-10 Т1п/м Записьгаают установившиеся значения частоты опорной фазы f (Ч|,) и девиации частоты & fp . Затем измерительную камеру 1 заполняют исследуемьм раствором и по установившимся значениям частоты опорной фазы f ( Vv) и девиации частоты S f определяют скорость распространения и коэффициент поглощения ультразвука для исследуемого раствора. Скорость ультразвука Cj в исследуемом растворе определяется из слёдующего вьфажения: С. сД1 - (1) Коэффициент поглощения в исследуемой среде о( определяют в соответствии с выражением . Г . (2) где В - постоянная, характеризующая потери энергии в измерительной камере 1, не связанные с поглощением ультразвука в ис следуемом растворе. в г(Т) fp--;- - з Величину В определяют один раз дл конкретной измерительной камеры 1 по величинам девиации частоты, частоты опорной фазы и известным табличным величинам Ы и С для растворителя (в данном случае - воды), залитого в измерительную камеру 1, Устройство работает следующим образом. Напряжение генератора 5 возбуждает излучакшщй ультразвуковой преобра зователь 2, который излучает ультразвуковые волны, распространяющиеся.в исследуемой среде, заполнякщей измери тельную камеру 1. Ультразвуковые вол ны преобразуются в электрические .кол бания приемным ультра звук овьлм преобразователем 3 и поступают на первый вход фазового детектора 6, на второй вход которого подается сигнал генератора 5, сдвинутый по фазе фазовращателем 4. С выхода фазового детектора 6 сигнал уровня, пропорционального разности фаз входных сигналов, поступает на вход генератора 5 в качестве сигнала отрицательной обратной связи, обеспечивающей фазовую автоматическую постройку частоты (ФАПЧ), которая сводит к нулю разность фаз ч сигналов, поступающих на входы фазового детектора 6. Фазовращатель 4 периодически по сигналам +8f первого счетного триггера 8 (фиг.З), поступаклцим через вторую схему 17 совпадения и сумматор 15 на управляющий вход фазовращателя 4, генерирует скачки фазы величиной ± т , которые компенсируются за счет перестройки частоты генератора 5 по цепи ФАПЧ. Устройство работает по циклам, задаваемым с помощью сигнала Т на прямом выходе второго счетного триггера 9. Сигнал Т формируется путем деления частоты сигнала модуляции фаз ± Ч , поступающего с выхода первого счетного триггера 8. При низком логическом уровне сигнала Т запрещается прохождение сигнала t (5у с выхода первого триггера 8 на второй вход сумматора 15, на третий вход которого в это время с инверсного выхода второго триггера 9 подается единичный логический уровень,который суммируется с коэффициентом 0,5 по отношению к сигналам, поступающим на второй вход сумматора 15. Система ФАЛЧ, отслеживая сигналы с выхода сумматора 15, настраивает генератор 5 последовательно на три точки ФЧХ измерительной камеры 1: на опорную с фазой 4 , соответствукщую нулевому состоянию второго триггера 9; на - , соответствующую интервалу совпадения единичных уровней обоих триггеров; на Ч + - , соответствукицую совпадению единичного состояния второго триггера 9 с нулевым состоянием первого триггера 8. Частоты генератора f (%:. f (ч-f) и f (f,). соответствукицие фазам f , - j и Ч + -J являются исходными для вычисления величины В f, пропорциональной коэффициенту поглощения ультразвука и величины д, пропорциональной шагу подстройки устройства. Величина / формируется в первом реверсивном счетчике 12, на счет ньй вход которого поступает сигнал с генератора 5, совпадающий с единичным уровнем сигнала Т , поступающего на второй вход схемы 19 совпадения с выхода таймера 7. При поступлении на управляющий вход первого реверсивного счетчика 12 единичного уровня он производит суммирование частот f ( -1 ) и f ( Jt), соответствующих первому и второму интервалам счета (фиг.З). Частота f (Ч) соответствующая третьему и четвертому интервалам счета, будет дважды вычтена из кода, накопленного за первые два интервала. Вычитание обеспечивается поступлением нулевого уровня на управляющий вход первого реверсивного счетчика 12 с выхода второго триггера 9. Код девиации частоты Sf формируется на выходе второго реверсивного счетчика 22 за счет того, что на ,счетный вход этого счетчика поступает сигнал с выхода первой схемы 16 совпадения, на первый вход которой пос.тупает сигнал с выхода четвертой схемы совпадения, а на второй вход сигнал с выхода второго триггера 9, которьм единичным уровнем разрешает прохождение сигналов частоты f С „ - ) и f ( 4.+ г-) , соответ ствующих единичному и нулевому уров ням сигнала +8Ч . Сигнал, nocTynajo щикг на управляющий вход второго реверсивного счетчика 22 с выхода пер вого триггера 8, обеспечивает сумми V - 7 рование кода и вычитани кода f ( fJ, + f ( Lf ) формируется на Величина счетчике 23 за счет поступления на его счетный вход сигнала частоты ге нератора 5, прошедшего через схему 19 совпадения на первый вход схемы 18 совпадения, на второй вход которой поступает сигнал единичного уро ня , совпадающий с третьим и четверт интервалами счета. По окончании каждого цикла с пом щью фронта сигнала Т , поступившег с прямого выхода второго триггера 9 на входы записи буферных регистров 13 и 20, коды, сосчитанные на счетч ках 12, 22 и 23, переписываются в с ответствующие буферные регистры. Сп 056 стя задержку, необходимую для переписи кодов, сигналом R , поступившим на входы установки в нуль счетчиков 12,22 и 23 с прямого выхода второго триггера 9 элемент 10 задержки и дифференцирующую цепь 11, производится сброс накопленных в счетчиках кодов. Коды 6f и fC), записанные в буферный регистр 20, поступают на вход схемы 21 отображения. Величина f, записанная в буферный регистр 13,в цифроаналоговом преобразователе 14 преобразуется в аналоговую величину и через первый вход сумматора 15 поступает на управляющий вход фазовращателя 4 в качестве сигнала отрицательной обратной связи, обеспечивающей подстройку фазы сигнала, поступающего на второй вход фазового детектора 6. В процессе подстройки за счет перемещения точки ч ФЧХ в точку симметрии разность частот uf сводится до нуля. Процесс подстройки поясняет фиг.4, При смещении опорной фазы ч относительно центра симметрии вправо (в центре симметрии Ч nit) средняя частота модуляции роольше ) и разность частот ,что показано на фиг.4а. При смещении Ч влево относительно фазы -С,, пТ1 (фиг.4б) частота меньше ,), aafiO. При if. пТГ (фиг.4в) величина д равна нулю. За счет данной цепи подстройки компенсируют малые смещения Ч , а грубые смещения устраняют при настройке устройства с помощью выбора режима работы фазовращателя, при котором лежит в ,,. окрестности фазы Ч пТГ , что контролируют по величине д f. отклонения Ч приводят к пропорциональному изменению af, которые и компенсируются с помощью рассматриваемой цепи подстройки фазовращателя 4. Преимущества предлагаемых способа и устройства объясняются следующими обстоятельствами. Повышение точности измерений обусловлено высокой чувствительностью величины разности частот u.f, вьщеляемой в качестве сигнала отрицательной обратной связи в цепи подстройки фазовращателя к отклонению опорной фазы Чд от центра симметрии ФЧХ, соответствующего середине резонанса. Как из фиг.1, на которой показана примерная форма ФЧХ, если p соответствует центру симметрии ФЧХ измеряемая разность частот д равна нулю. Отклонение частоты опорной фазы на df приводит к появлению не нулевой разности частот f, равной 2(k - 1)df, Jlf . Й Hf / %- rff характеризует отношение приращений частоты в точках по отношению к приращению частоты в центре ФЧХ при смещении опорной фазы на величину d Ч . I В известном способе отклонение частоты, соответствующей средней фазе модуляции, от центральной частоты ФЧХ на малую величину df не приводит к изменению девиации частоты Л f в результате того, что обе частоты f() и (Чо + 5ч) получают одинаковые по знаку и величине приращения . Теоретически предлагаемое техническое решение имеет бесконечно большую чувствительность по сравнению с известным. Практически величина k равна 2,6, поэтому отклоне,ние частоты опорной фазы на + 0,3 Гц приводит к появлению разности частот uf. + 1 Гц. Для известного способа отклонение частоты опорной фазы,приводящее к выявлению разности девиации частоты S f в 1 Гц, соответству ет величине df 20 - 40 Гц, котора сильно зависит от коэффициента поглощения. Для предлагаемого способа подстройка осуществляется за один цикл измерения и только тогда, когда иf не равна нулю. Формула изобретения 1. Способ измерения скорости распространения и коэффициента поглоще нпя ультразвука,заключающийся в соз Дании стоячих волн в акустической ка мере с исследуемой средой и дискретной модуляции разности фаз между сиг налом на входе и сигналом на выходе акустической камеры, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, сокращения времени и упрощения измерений, осуществляют трехуровневую модуляцию разности фаз измеряют разность между суммой двух частот, соответствующих фазам крайних уровней модуляций, и удвоенной 058 частотой, соответствующей фазе среднего уровня модуляции, изменяют полученную разность частот до нуля и получают фазу, по частоте которой судят о скорости распространения ультразвука, а по девиации этой частоты судят о коэффициенте поглощения ультразвука. 2. Устройство для осуществления способа измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука, содержащее измерительную камеру постоянной длины с излучающим-и приемным ультразвуковыми преобразователями, фазовращатель, генератор, выход которого соединен с излучающим ультразвуковым преобразователем и входом фазовращателя, фазовый детектор, первьм вход которого соединен с выходом приемного ультразвуково го преобразователя, а второй вход - с выходом фазовращателя, о т л .и ч а ющ е е с я тем, что оно снабжено последовательно соединенными таймером, первым и вторым счетными триггерами, элементом задержки и дифференцирующей цепью, последовательно соединенн -ми первым реверсивным счетчиком, первым буферным регистром,цифроаналоговым преобразователем и сумматором, выход которого соединен с управляющим входом фазовращателя,четырьмя схемами совпадения, последовательно соединенными .рторым буферным регистром и бло отображения, вторым реверсивным счетчиком, выходы которого соединены с входами второго буферного регистра, счетный вход соединен с выходом первой схемы совпадения, а управляющий вход с выходом первого счетного триггера и первым входом второй схемы совпадения, выход которой соединен с вторым входом сумматора, а второй вход - с прямым выходом второго счетного триггера, управляющим входом первого реверсивного счетчика, входами записи первого и второго буферных регистров и первым входом первой схемы совпадения, второй вход которой соединен с первым входом третьей схемы совпадения, счетным входом первого реверсивного счетчика и выходом четвертой схемы совпадения, первый вход которой соединен с выходом генератора, а второй вход - с выходом таймера, ретьим счетчиком, выходы которого оединены с входами второго буферного регистра, счетный вход - с выходом

9126560510

третьей схемы совпадения, второй вход тектора соединен с входом генератора, которой соединен с инверсным выходом входы установки в нуль всех счетчиков второго счетного триггера и третьим соединены с выходом дифференцирующей ;входом бумматора, выход фазового де- цепи.

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений и может найти применение в химической промыпшенности, в научно-исследовательских и заводских лабораториях для прецизионных измерений акустических параметров жидких сред. Целью изобретения является повышение точности, сокращение времени и упрощение измерений за счет трехуровневой модуляции фазы. Создают стоячие волны в акустической камере с исследуемой средой,, дискретно модулируют разность фаз между сигналом на входе и сигналом на выходе акустической камеры, осуществляют трехуровневую модуляцию разности фаз, измеряют разность между суммой двух крайних модуляционных частот и удвоенной частотой опорной фазы, соответствующей средней фазе модуляции, изменяют опорную фазу на величину, пропорциональную измеренной разности частот, до сведения к нулю этой разности, по частоте опорной фазы определяют скорость распространения, а с учетом девиации частоты - коэффициент поглощения ультразвука. Устройство через последовательно соединенные таймер первьй и второй счетные триггеры, первьй реверсивный счетчик, буферньй регистр, цифрос S аналоговый преобразователь,сумматор, фазовращатель, фазовый детектор,второй вход которого соединен с выходом фазовращателя, генератор, подключенный к входу измерительной камеры, а также задержки, дефференцирующую цепь и две схемы совпадею О) ния вьзделяет опорную фазу, по которой определяют искомые параметры. Посредством третьей и четвертой схем ел Од о сд совпадения, подключенных, соответственно, через второй реверсивный счетчик и счетчик к буферному регистру, инициируют показания девиации частоты. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

Период цимла U3ffepe ua

I -f I f -(f ITZl

UHmeflSo/ib/ уста/ о е//ш резона /са

7trTtr7trn:rT

P интеруоло/ Ci/еша

.7