Гидрологический измеритель скорости звука Советский патент 1989 года по МПК G01H5/00 

1

Изобретение относится к измеритель ной технике, может быть использовано для измерения скорости ультразвука в жидкостях и газах, в частности при проведении гццрофизических исследова кий морей и океанов, и является усовершенствованием изобретения по- авт. св. Ь 1255871.

Цель изобретения - повьппение достоверности результатов измерения пу- тем обеспечения операт1шного контроля стабильности характеристик измерителя в процессе измерений.

2 .

На фш . 1 представд ена структурная схема гидрологического измерителЛ скорости звука; на фиго 2 - временные диаграммь, поясняющие его работу.

Гидрологический измеритель скорог сти звука (фиг. 1) содержит последовательно соединенные управляемьп генератор , формирователь 2 импульсов, делитель 3 частоты, распределитель 4 импульсов, генератор 5 возбуждающих импульсов, ограничитель 6, усилитель 7, компаратор В, первый RS-триггер 9, первый коммутатор 10, интегратор П и синхронный фильтр 12, -выход ко

О) О1

4j

СП

гч

314

торого соединен с входом управляемого генератора 1, а к выходу последнего подключены последовательно соединенные линия 13 связи и регистратор 14, деши|)ратор 15, первый, второй и третий входы которого сос динены соответственно с первым, вторым и третьим выходами распределителя А импульсов, четвертьш вход - с выходом делителя 3 частоты, а первый выход - с управляющим входом компаратора 8 и управляющим входом сишгронного фильтра 12, второй RS-триггер 16, выход которого соединен с информаци- онным входом первого коммутатора 10, S-вход - с первым выходом распределителя 4 импульсов, R-Бход - с вторым выходом дешифратора 15 и R-входом .первого RS-триггера 9, измерительную ячейку 17, подключенную к выходу генератора 5 возбуждающих импульсов и состоящую из электроакустического преобре1зователя 18, первого 19 и второго 20 отражателей, имитатор 21 эхог сигналов, включающий последовательно соединенные генератор 22 опорных импульсов, счетчик 23 и формирователь 24 имитирующих эхо-сш налов, одновиб- ратор 25, вход которого подключен к первому выходу распределителя 4 импульсов, а выход - к входу Установка счетчика 23, второй коммутатор 26, первый информационньй вход кото-, рого соединен с выходом формрфовате- ля 24, а выход - с входом ограничителя 6, резистор 27, подключенный к второму информационном входу вто

5 о

5

15

рого коммутатора 26, и блок 28 формирования командных сигналов, который связан через линию 13 связи с первым управляющим входом второго коммутатора 26 и входом генератора 22 опорных импульсов, а второй управляющий вход второго коммутатора 26 подключен к первому выходу распределителя 4 импульсов.

Устройство работает следующим образом о

Управляемый генератор 1 генерирует синусоидальный высокочастотный сигнал с частотой F,-, преобразуемый формирователем 2 импульсов в последовательность прямоугольньтх и.-1пуль- сов, которая поступает на вход делителя 3 частоты, имеющего коэффициент деления и.

Последовательность импульсов (фиг. 2а) с выхода делителя 3 частоты подается на вход распределителя 4 импульсов и четвертый вход дешифратора 15. По фронту импульса (фиг.. 26) с первого выхода распределителя 4 импульсов генератор 5 возбуждающих импульсов вырабатывает короткий импульс (фиг. 2к), а второй RS-триггер 16 устанавливается в состояние логической единицы (фиг. 2п).

Измеритель имеет два режима работы: Измерение и Контроль. Второй коммутатор 26, в качестве которого может быть использован аналоГовьй коммутатор типа 590 КНЗ, осуществляет, функцию переключения режимов работы, приведенную в таблице.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости ультразвука в жидкостях и газах, в частности при проведении гидрофизических исследований морей и океанов. Цельи изобретения является повышение достоверности результатов измерения путем обеспечения оперативного контроля стабильности характеристик измерителя в процессе измерений. Введение в измеритель дополнительных блоков: имитатора эхо-сигналов, второго коммутатора, одновибратора, резистора и блока формирования командных сигналов, позволяет в процессе измерений проводить оперативный контроль стабильности характеристик электронного тракта и неисправностей измерителя путем подключения к электронному тракту имитирующих эхо-сигналов, характеристики которых близки к характеристикам реальных эхо-сигналов, а погрешность задания временного интервала определяется нестабильностью генератора опорных импульсов. По полученным значениям контролируемой скорости и установленного в процессе лабораторных испытаний допуска судят о работоспособности измерителя и достоверности предшествующих результатов. 2 ил. $ (/

Управляющие входы коммутатора 26 Уровни сигнала на управляющих входах Реализуемое соединение; выход 24 - вход 6 выход 27 - вход 6 Режим работы измерителя

В режиме Измерение на первый управляющий вход второго коммутатора 26 и вход генератора 22 опорных импульсов с выхода блока 28 формирования командных сигналов через линию 13 связи поступает сигнал (фиг. 2д) соответствующий уровню логического нуля. При этом генератор 22 опорных импульсов запирается и на его выходе

1 2 1

О ,0 О 1 1 1 10

Измерение Контроль

отсутствует сигнал (фиг. 2ж) опорной частоты Fof, , а второй коммутатор 26 устанавливается в разомкнутое положение, что обеспечивает отключение . gg вькода имитатора 21 эхо-сигналов от измерительной части схемы измерителя. Короткий импульс (фиг. 2к) с выхода генератора 5 возбуждающих импульсов возбуждает электроакустичес514657

кий преобразователь 18 измерительной ячейки 17. Электроакустический пребразователь 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, 2к). Временной ин- ю тервал между эхо-сит-налами определяется расстоянием L между отражателями 19 и 20 (акустической базой) и скоростью С распределения ультразвука в исследуемой среде. Полученные 15 эхо-сигналы поступают на вход ограничителя 6.

В режиме Контроль на первый управляющий вход второго коммутатора 26 и вход генератора 22 опорных им- 20 пульсов с выхода блока 28 формирователя командных сигналов через линию 13 связи поступает сигнал (фиг. 2д), соответствуюЕЦий уровню логической единицы. При этом генератор 22 опор- 25 ых импульсов пер водитс:я в режим геерации и на его выходе формируется оследовательность(фиг. 2ж) прямогольных импульсов опорной частоты jj , а второй коммутатор 26 устанав- до ивается в одно из двух положений, пределяемое сигналом (фиг. 26) с ервого выхода распределителя 4 имульсов. При наличии импульса на этом выходе второй коммутатор 26 устанавливается в положение,- при котором параллельно выходу генератора 5 озбуждающих импульсов подключается резистор 27, шунтирующий электроакустический преобразователь 18, с целью предотвра1 1ения излучения им в режиме Контроль зондирующего акустического сигнала и как следствие, исключения влияния отраженных акустических эхо- сигналов на работу измерителя в этом режиме.

По фронту импульса (фиг. 26) с первого выхода распределителя 4 импульсов одновибратор 25 формирует короткий отрицательный импульс (фиг. 2е ),д поступающий на вход установки счетчика 23 и определяющий начало цикла формирования имитирующих эхо-сигналов. На счетный вход счетчика 23 поступает сигнал (фиг. 2ж) опорной частоты Fpn .g с выхода генератора 22 опорных импульсов. Коэффициент m пересчета счетчика устанавливается таким, чтобы выполнялось соотношение

35

15

m

. 2 (Ьг- LO

(1)

5 о

g

5

где L, и 1,2 расстояния от электроакустического преобразователя до первого 19 и второго 20 отражателей соответственно; Сц - контрольное значение

скорости звука из заданного диапазона измерений.

На выходе счетчика 23 формируются два прямоугольных импульса (фиг. 2з), временные положения которых соответствуют временным положениям эхо-сигналов, получаемых с электроакустического преобразователя 18 в режиме Измерение при скорости звука С к в исследуемой среде.

Ьшульсы с выхода счетчика 23 поступают на вход формирователя 24 им«т- тируюп;их эхо-сигналов. Последний может быть выполнен из последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности. Значения сопротивления и индуктивности этих элементов выбираются такими, чтобы колебательная система, образующаяся при подключении формирователя 24 к электроакустическому преобразователю 18, обеспечивала при ее возбуждении импульсами с выхода счетчика 23 формирование на входе ограничителя 6 имитирующих эхо-сигналов с характеристиками, близкими к характеристикам эхо-сигналов, получаемых на электроакустическом преобразователе 18 при отражении зондирующего импульса от отражателей 19 и 20.

Импульсы (фиг. 2и) с выхода формирователя 2А поступают на первый информационный вход второго коммутатора 26, который по спаду импульса (фиг. 2б) с выхода распределителя 4 импульсов отключает резистор 27 и подключает выход формирователя 24 к входу ограничителя 6. Таким образом, в режиме Контроль на вход ограничителя 6 поступает два-электрических импульса (фиг. 2к), имитирующих эхо- сигналы.

Последующее преобразование сигналов, поступающих на вход ограничителя 6, не зависит от режима работы измерителя и осуществляется следующим образом.

А6571

Сигналы с выхода ограничителя 6, предотвращающего перегрузку входа усилителя 7 в момент формирования возбуждающего импульса (фиг. 2к)

усиливаются усилителем 7 и поступают на информационный вход компаратора 8, стробируемого импульсом (фиг. 2л) с первого выхода дешифратора 15. Длительность стробирующего импульса обе-ю спечивает формирование сигналов (фиг. 2м) на выходе компаратора 8 только во время приема первого и второго эхо-сигналов в режиме Измерение или первого и второго импульсов, is имитирующих эхо-сигналы, в режиме Контроль. Помехозап ищенность компаратора 8 обеспечивается выбором величины напряжения на его опорном входе (не показан) , заведомо превьпаающей 20 уровень шумов.

Последовательности прямоугольных импульсов (фиго 2м) с выхода компаратора 8 поступают на S-вход первого RS-триггера 9. По фрЬнту первого им- 25 пульса первой импульсной последовательности первый RS-триггер 9 устанавливается в состояние логической е:щ- ницы (фиг. 2о)..Возвращение выхода первого RS-триггера 9 в состояние логи- }0 ческого нуля происходит по фронту сиг- нала {фиг. 2н), поступающего на R- вход этого триггера с второго выхода дешифратора 15. Временное положение этого сигнала (фиг. 2н) определяется импульсами (фиг. 2в) с второго выхода распределителя 4 импульсов и последовательностью импульсов (фиг. 2а) с

р частотой - с выхода делителя 3 чап40

стоты, поступающих соответственно на второй и четвертый входы дешифратора 15. Аналогично на выходе первого RS- триггера 9 формируется импульс (фиг. 2о), соответствующий второй45

импульсной последовательности (фиг, 2м) на S-входе данного триггера. Длительности первого 1, и второго С импульсов (фиг. Зо) на выходе первого RS-триггера 9 определяют вре- 50 мя интегрирования интегратора 11 н соответствуют выражениям: в режиме Измерение

-я . 1 t; Т - (2 1И М

tJau

V,

2,5 Т,- (21;,д,„+2€(Б) ) (3)

юis20

25}0- н

период сигнала (фиг. 2а) на выходе делителя 3 часто ты;

(б) время прохождения ультразвукового колебания между первым 19 и вторым 20 отражателями (на базовом расстоянии L) ;

-ri время прохождения ультразвукового колебания между электроакустическим преобразователем 18 и первым отражателем 19 (на расстоянии L,) ;

L - задержка при передаче между моментами запуска генератора 5 возбуждающих импульсов и излучением акустического импульса электроакустическим преобразователем 18;

llnp задеряжа при приеме между

моментом прихода отраженного акустического сигнала, , возбуждающего электроакустический преобразователь 18 и моментом срабатьюания первого RS-триггера 9;

Т, - задержка в волноводе (не показан }электроакустического преобразователя 18,

в режиме Контроль

, 1,5 Ту - (

од Vtт

+

+ пр ); . (А)

2,,5 Т ч, - (C,+ i cr+ c.+ 2mTon +

. + I/

од

+ -г +1

Пр

), (5)

где

Oft

1, - задержки в одСек ,

новибраторе 25, счетчике Г 23, формирователе 24 и втором коммутаторе 26 соответственно; длительность импульса

(фиг. 2е) установки счетчика 23, формируемого однови- братором 25;

Топ - период следования импульсов на выходе генератора 22 опорных импульсов. Пары импульсов с первого RS-триггера 9 (фиг. 2о) поступает на управляющий вход первого коммутатора 10. Информационный вход первого коммутатора 10 соединен с выходом второго RS тpиггepa 16, уровень сигнала на

914

котором (фиг. 2п) определяет направление интегрирования интегратора 11. Уровень сигнала на выходе второго RS-триггера 16 соответствует логической единице в течение времени меж- ду фронтом импульса с первого выхода (фиг. 26) распределителя 4 импульсов и фронтом первого импульса (фиг. 2н) с второго выхода дешифратора 15 и ло- гическому нулю в остальное время цикла, что, как следует из временных диаграмм, определяет формирование на входе интегратора 11 (выходе первого коммутатора 10) пары импульсов

(фиг. 2р) - импульса положительной полярности длительностью в режиме Измерение ипи С в режиме Контроль и импульса отрицательной полярности длительностью С для соответствующего режима.

Величина приращения напряжения на выходе интегратора 11 (фиг. 2с) после окончания цикла заряд - разряд пропорциональна в режиме Измерение раз разности длительностей и , определяемых выражениями (2) и (3), а в режиме Контроль - разности длительностей 1, определяемых выражениями (4) и (5). Напряжение с выхода интегратора 11 через синхрон- ньй фильтр 12, управляемый стробирую- Щим сигналом (фиг. 2л) с первого выхода деши |ратора 15, поступает на управляющий вход управляемого генерато- ра 1 (фиг. Зга),

Приращение частоты выходного сигнала управляемого генератора 1 пропорционально входному напряжению на его управляющем входе, т.е. пропорци- онал ьно в режиме Измерение разно сти длительностей ,„ и , которая, как следует из выражений (2) и (3), равна

lu Чи

С(61

(6)

а в режиме Контроль - разности длительностей LIK которая, как следует из выражения (4) и (5), равна

-1и тТ on - Тц(7)

и не зависит от паразитных задержек в электронно-акустическом канале измерителя, определяющих погрешность измерения или контроля скорости звука.

Функционирование замкнутой автоматической системы направлено на выпол1510

некие в установившемся режиме следукядих равенств:

в режиме Измерение

7 Г- Т

-с(б) и

режиме Контроль тТсп

(8)

(9)

в режиме Измерение с учетом того , что

о- 2 L

с(Б С

(10)

Т -

W р

(И)

из выражения (8) следует, что частота выходного сигнала управляемого генератора 1

пС

2 L

(12)

и при определенных длине измерительной базы L и значении коэффициента деления делителя 3 частоты определяется только скоростью распространения звука в исследуемой среде и не зависит от паразитных задержек в электронно-акустическом канале измерителя .

В режиме Контроль из выражений (9) и (П) следует, что частота вьг- ходного сигнала управляемого генератора 1

FCK Г (13)

и при определенных значениях коэ44 1- циентов п и га определяется только пе- периодом Т о„ следования импульсов выходного сигнала генератора 22.

Частотный сигнал с выхода управляемого генератора 1 через линию связи поступает на регистратор 14.

Для осуществления контроля характеристики преобразования электронного тракта измерителя скорости звука с допустимой погрешностью С А on значение относительной нестабильности. . ходного сигнала генератора 22 опорных импульсов, как следует из выражений (8) (10) должно удовлетворять требованию

Лг

ЛС АОП

(14)

I при допустимом значении

3 -10 МО и значении С к

1500 мс , соответствующем середине задаваемого для гидрологических измерителей диапазона измерения скорости

звука от С ммч 1ДОО мс- до Смаке

1600 мс , отражающего реальные значения существующих скоростей звука в Мировом океане, значение сЯог должно быть сГог fe 2 . Указанное значение может быть обеспечено применением в генераторе 22 кварцвво

Формула изобретени Гидрологический измеритель скоро сти звука по авт. св. V 1255871, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерения, он снабжен имитатором эхо-сигналов, выполненным и

го резонатора типа РК 170БВ-14БП5 для

которого 1 ,510 без применения последовательно соединенных генера- каких-либо мер термостабильности.тора опорных импульсов, счетчика и

При необходимости уменыиенрш может быть применена термостабилизация генератора 22.

Длительность СООА импульса на вько- „ де одновибратора 25 должна удовлетвоформирователя имитирующих эхо-сигна лов, одновибраторюм, выход которого соединен с входом Установка счетч ка, вторым коммутатором, первый информационный вход которого соединен с выходом формирователя имитирующих эхо-сигналов, резистором, подключенным к второму информационному входу 25 второго коммутатора, и блоком формирования командных сигналов, выход ко торого посредством линии связи подключен к управляющему входу генератора опорных импульсов и первому упрять соотношению

осч 1,5 Т, - тТ

ОП

(15)

где 00,,- время, необходимое для ус- тановки счетчика 23 в исходное состояние. По данным о погрешности генератора 22 опорных импульсов и допустимой зо Р ляющему входу второго коммутатора.

температурной (или иной) погрешности электронного тракта, выявленной в процессе лабораторных испытаний, получают достоверные данные о пределах (допусках) ухода значения скорости С в режиме Контроль, соответствующих нормальной работоспособности электронного тракта гидрологического измерителя скорости звука,.В процессе эксплуатации оператор периодически переводит измеритель в режим Контроль для определения скорости С |. Выход допуска свидетельствует об уходе характеристик электронного тракта или появ.пении неисправности.

Таким образом, использование в измерителе дополнительных блоков: имитатора эхо-сигналов, второго коммутатора, одновибратора резистора и блока формирования командных сигналов.

35

второй управляющий вход второго коммутатора соединен с входом одновибратора и первым выходом распределителя импульсов, а выход - с входом ограничителя при этом отношение коэффициента m пересчета счетчика к частоте pQn генератора опорных импульсов выбрано из соотношения

40

ОП

2 (L г - Li ) С.

45

50

где L и L - расстояния от электроакустического преобразователя до первого и второго отражателей соответственно; контрольное значение скорости звука из заданного диапазона измерений.

5715 2

позволяет в процессе измерений проводить оперативный контроль стабильности характеристик электронного тракта и выявлять неисправности, что повышает достоверность результатов измерений.

Формула изобретения Гидрологический измеритель скорости звука по авт. св. V 1255871, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерения, он снабжен имитатором эхо-сигналов, выполненным из

10

формирователя имитирующих эхо-сигналов, одновибраторюм, выход которого соединен с входом Установка счетчика, вторым коммутатором, первый информационный вход которого соединен с выходом формирователя имитирующих эхо-сигналов, резистором, подключенным к второму информационному входу 5 второго коммутатора, и блоком формирования командных сигналов, выход которого посредством линии связи подключен к управляющему входу генератора опорных импульсов и первому упзо Р ляющему входу второго коммутатора.

35

второй управляющий вход второго коммутатора соединен с входом одновибратора и первым выходом распределителя импульсов, а выход - с входом ограничителя при этом отношение коэффициента m пересчета счетчика к частоте pQn генератора опорных импульсов выбрано из соотношения

40

ОП

2 (L г - Li ) С.

где L и L - расстояния от электроакустического преобразователя до первого и второго отражателей соответственно; контрольное значение скорости звука из заданного диапазона измерений.