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

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений и может быть использЪвано в химической промышленности, в научно-исследовательских и заводских лабораториях для анализа свойств и состава растворов по их акустическим параметрам. Цель изобретения - повышение точности и р-а сширение диапазона измерений за счет исключения взаимного влияния электронных каналов, сокращения интервала счета и исключения погрешности температурного дрейфа. На чертеже приведена блок-схема устройства для дифференциального измерения скорости распространения уль тразвука. Устройство содержит управляемый генератор 1, два канала, состоящих из последовательно акустически соеди ненных излучающих преобразователя 2 и 3, акустической камеры 4 и 5 и при емного преобразователя 6 и 7, ключ 8 и реверсивный частотомер 9, первый коммутатор 10, сигнальным входом под ключенным к выходу управляемого гене ратора 15 выходами - к излучающим преобразователям 2 и 3 каждого канат ла, последовательно соединенные второй коммутатор 1 1, первьпм и вторым сигнальными входами подключенными к выходам приемных преобразователей 6 и 7 каждого канала, первый усилитель ограничитель 12 и цифровой фазовый детектор 13, выходом подключенным к управляющему входу управляемого гене ратора 1, второй усилитель-ограничитель 14, входом подключенный к выход управляемого генератора 1, а выходом - к второму входу цифрового фазо вого детектора 13, последовательно соединенные таймер 15 и счетный триг гер 16, выходом подключенный к управ ляющим входам первого и второго коммутаторов 10 и 11 и реверсивного час тотомера 9 и к нормально разомкнутому контакту ключа 8, и схему 17 совпадения, первым и вторым входами под ключенную к нормально замкнутому и общему контактам ключа 8, третьим входом - к выходу управляемого генератора 1, а выходом - к счетному вхо ду реверсивного частотомера 9. Устройство работает следующим образом. Коммутаторы 10 и 11 подключают из лучающий 2 и приемный 6 преобразователи измерительной камеры 4 соответственно к выходу генератора 1 и к входу первого усилителя-ограничителя 12. Синусоидальные колебания с выхода генератора 1 поступают на излучающий преобразователь 2, который излучает ультразвуковые волны, распространяющиеся в исследуемой среде, заполняющей измерительную камеру 4. Ультразвуковые волны воздействуют на приемный преобразователь 6, на выходе которого образуются электрические колебания, поступающие через второй коммутатор 11 на вход первого усилителя-ограничителя 12, с выхода которого после усиления и ограничения до цифровых уровней они поступают на первый вход цифрового фазового детектора 13, на второй вход которого поступает входной сигнал первого коммутатора 10, проходящий через второй усилитель-ограничитель 14, который преобразует синусоидальный сигнал в цифровой и обеспечивает фазовую за- держку сигнала, равную паразитному временному сдвигу коммутаторов 10 и 11 и первого усилителя-ограничителя 12. В результате этого разность фаз Чд 2 сигналов, поступающих на первый и второй входы цифрового фазового детектора 13, соответствует разности фаз сигналов между выходом приемного 6 и входом излучающего 2 преобразователей, которая промодулирована за счет свойств камеры 2, заполненной исследуемым раствором. Фазочастотная характеристика такой камеры представляет собой спадающую в сторону увеличения частоты кривую с резким увеличением крутизны в точках, близких к средней частоте резонанса. Напряжение сигнала на выходе цифрового фазового детектора 13 удовлетворяет соотношению t шк Uwdt,(1) где часть разности фаз Ч, , полученная путем исключения из Ч целого числа ТГ ; К - коэффициент преобразования разности фаз Ч в напряжение. Это напряжение поступает на управляющий вход генератора 1 в качестве сигнала отрицательной обратной связи, который подстройкой частоты генератора 1 стремится обеспечить условие равенства нулю подинтегрального выражения в формуле (1). Это условие выполняется в точках фазочастотной характеристики с д , з равной нулю или кратной 2, соответствующих средней частоте резонансов. Поэтому при подключении измерительной камеры спустя интервал настройки, в течение которого заканчивается переходной процесс установления стоячих волн в акустической камере, частотагенератора 1 соответствует средней частоте ближайшего по отношению к предыдущей частоте резонанса. Интервал установления дезонанса выбирается больше наибольшего времени настройки на резонанс вновь подключенной камеры с учетом времени установления стоячих волн. В течение интервала установления резонанса запрещается счет частоты генератора 1 и фиксируется код разности частот, подсчитанный за время прецыдущего периода измерения. В течение 1нтервала счета происходит счет частоты генератора. 1. После окончания первого интервала измерительная камера 4 отключается,и через коммутаторы 10 и 11 подключается опорная камера 5 с излучающим 3 и приемным 7 преобразователями. При этом повторяются все операции, перечисленные при описании первого интервала подключения. Код числа периодов генератора 1, подсчитываемый за второй интервал счета, вычитается из кода, накопленного за первый интервал счета. Если за период измерения укладывается более двух ин-,. тервалов подключения, что необходимо для устранения влияния быстрых температурных дрейфов на изменяемую разность частот, то перечисление операции повторяются число раз, определяемое коэффициентом деления цифрового делителя реверсивного частотомера 9. Реверсивный частотомер можно представить в виде блок-схемы, содержащей последовательно соединенные цифровой делитель 18, вход которого является управляющим входом реверсивного частотомера 9, линию 19 задержки, укора..чивающую схему 20, реверсивный счетчик 21, счетный вход которого является счетным входом реверсивного частотомера 9, буфернБ1й регистр 22 и схему 23 отображения. Линия 19 задержки обеспечивает за-55 держку сигнала, необходимую для записи информации с выходов реверсивного счетчика 21 в буферный регистр 22.

Укорачивающая схема 20 преобразует задержанный на линии 19 задержки спад сигнала в короткий импульс, обеспечивающий сброс кода в реверсивном счетчике 21. Она включает, например, дифференцирующую цепь и инвертор.

Схема 23 отображения обеспечивает отображение содержимого буферного регистра 22.

Реверсивный счетчик 21 обеспечиваьет суммирование числа периодов, поступающих на счетный вход, с вьпсода схемы 17 совпадения. Положительный знак суммирования соответствует единичному, отрицательный - нулевому уровню сигнала, поступающему на управляющий вход счетчика 21 с вькода счетного триггера 16.

Буферный регистр 22 обеспечивает запоминание кода реверсивного счетчика 21 по спаду сигнала на время всего периода измерения.

Кроме описанного режима устройство может находиться в режиме измерения абсолютного значения резонансной частоты fp измерительной камеры, который включается ключом 8, замыкающим общий контакт с нормально разомкнутым контактом. При этом на первый вход схемы 17 совпадения поступают сигнал с выхода таймера 15 , на второй вход сигнал с выхода счетного триггера 16. Сигнал с выхода генератора 1 проходит через схему t7 совпадения только на время длительности интервалов счета. совпадающих с единичными уровнями с сигналов с выхода счетного триггера 16. К моментам спада сигнала измерения в реверсивном счетчике 21 накапливается код, соответствующий частоте f р измерительной камеры, который по спаду сигнала переписывается в буферный регистр 22 для отображения значения кода частоты на схеме 23 отображения. Спустя время, определяемое линией 19 задержки, код, накопленный в реверсивном счетчике 21, сбрасывается сигналом, поступающим единичным коротким импульсом на вход сброса. Для измерения разности df резонансных частот ключ 8 переводят в выключенное состояние, в котором с помощью контактов ключа 8 закорачиваются первый и второй входы схемы 17 совпадения, и на ее выход проходит сигнал генератора 1 как при единичном, так и при нулевом уровнях измеряемого -сигнала. При единичном уровне сигнала подключается измерительная камера 4 и по истечении интервала установления резонанса на протяжении интервала счета происходит счет частоты в реверсивном счетчике 21. При переключении на .нулевой уровень сигнала подключается опорная камера 5 и по истечение интервала установления резонанса в течение последующего интервала счета происходит, вычитание числа периодов колебаний генератора 1, прошедших через схему 17 совпадения. В результате повторения таких операций число раз, определяемое коэффициентом деления цифрового делителя 18, за период измерения в реверсивном счетчике 21 накапливается код, соответствующий разности резонансных частот измерительной 4 и опорной 5 камер. Скорость ультразвука в исследуемом следующего Р Р где Сд - скорость распространения ультразвука в растворителе, которая известна; абсолютное значение резонансной частоты п-го резонанса измеренное для измерительной

камеры 4, заполненной растворителем; .

ifw разность резонансных частот измерительной камеры, заполненной исследуемым раствором 35 и опорной камеры, заполненной .опорной средой, характеризуемой близким температурным коэффициентом скорости ультразвука по сравнению с исследуемым раствором;

uf. -разность, резонансных частот измерительной камеры, заполненной растворителем и опорной камеры, заполненной опорной средой.

Величины Afp и ,, достаточно изерить один раз для данной температуы и акустических камер, при этом .измерения приращений скорости ультра-50 В исследуемом растворе практисводятся к измерению величины

вторым коммутатором, первым и вторым сигнальными входами, подключенными к выходам приемных преобразователей каждого канала, первым усилителемограничителем и цифровым фазовым детектором, выходом подключенным к управляющему входу управляемого генератора, вторым усилителем-ограничителем, входом подключенным к выходу управляемого генератора, а выходом к второму входу цифрового фазового детектора, последовательно соединенными таймером и счетным триггером, выходом подключенным к управляюгцим входам первого и второго коммутаторо и реверсивного частотомера и к нормально разомкнутому контакту ключаi и схемой.совладения, первым и вторым входами подключенной к нормально . Исггользование устройства для диЛ{ференциального измерения скорости распространения ультразвука обеспечит автоматическое измерение частот разности резонансных частот между измерительной и опорной камерой, расширение нижней границы диапазона измеряемых разностей частот до нуля, более чем десятикратное повьш1ение точности измерений и сокращение времени измерения. Формула изобретения Устройство для дифференциального измерения скорости распространения ультразвука, содержащее управляемый генератор, два канала, состоящих i каждый из последовательно акустически соединенных излучающего преобразователя, акустической камеры и приемного преобразователя, ключ и реверсивный частотомер, отличающее ся тем, что, с целью повьш1ения точности и расширения диапазона измерений, оно снабжено первым коммутатором, сигнальным входом подключенным к выходу управляемого генератора, а выходами к излучающим преобразователям каждого канала, последовательно соединенными замкнутому и общему контактам ключа, третьим входом - к выходу управляемого генератора,а выходом - к счетному входу реверсивного частотомера.

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений. Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений за счет исключения взаимного влияния электронных каналов, сокращения интервала счета и исключения погрешности температурного дрейфа. При подключении измерительной камеры спустя интервал настройки частота генератора соответствует средней частоте ближайшего по отношение к предыдущей частоте резонанса. В течение интервала установления резонанса запрещается счет генератора и фиксируется код разности частот за время предыдущего периода измерения. После окончания первого интервала измерительная камера отключается и подключается опорная с камера. Код числа периодов генератора сл второго интервала счета вычитается из первого и регистрируется частотомером. Для устранения температурных дрейфов на измеряемую разность частот число интервалов подключения определяется коэффициентом деления цифрового делителя реверсивного частотомера. 1 ип.