Устройство для измерения скорости звука Советский патент 1989 года по МПК G01N29/02 

1

Изобретение относится к технике кустического контроля и может быть спользовано для измерения скорости аспространения звука в жидких ере- ах.

Цель изобретения - повышение точ- ности за счет использования сигналов ногократного отражения импульсов в акустическом Канале, исключения пара-JQ зитного времени задержки и увеличения частоты коррекции управляемого генератора.е

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг. 2 - временные 15 диаграммы (30-49)-, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения скорости звука состоит из последовательно соединенных генератора 1 возбуждающих 20 импульсов, акустического преобразователя 2 и отражателя 3, ограничителя 4, компаратора 5, ключа 6,К8-триг- гера 7, RS-триггера 8 и генератора 9 линейно изменяющегося напряжения, п 25 каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные компаратор 10, D-триггер 11, RS-триггер 12 и интегратор 13, подключенный выходом к первому входу компаратора 10, схе- 30 мы И 14, выходом соединенной с управляющим входом RS-триггера 12 и двумя ключами 15 и 16, информационные входы которых подключены к прямому и инверсному выходам D-триггера 11 соответ- ,,. ственно, управляющие входы соединены с входом схемы И 14, а выходы подключены к соответствующим S-и R-BXO- дам RS-триггера 17, дифференцирующей цепи 18, включенной между объединенными четными выходами распределителя 19 импульсов и R-входом RS-триггера 7, схемами И 20 и 21, первые входы которых соединены с выходом RS-триггера 7, а вторые входы с прямым и инверсным выходами JK-триггера 22 соответственно, ключом 23, управляющий вход которого соединен с инверсным выходом JK-триггера 22, информационный вход - с вторым выходом делителя 24 частоты, а выход с S-входом RS- триггера 7, последовательно соединенных интегратора 25, подключенного входом к выходу RS-триггера 17,управляемого генератора 26 и регистратора

27,выход генератора 26 соединен с входом делителя 24 частоты, первый выход которого соединен с входом распределителя 19 импульсов, последовательно соединенных D-триггеров 28 и линии 29 задержки, соединенной выходом с управляющим входом ключа 6, выход схемы И 20 соединен с вторыми входами всех схем И 14 и п каналов, выход генератора 9 линейно изменяющегося напряжения соединен с вторыми входами всех компараторов 10 из п каналов, выход RS-триггера 7 соединен с вторыми входами всех D-триггеров 11 из п каналов, нечетные выходы распределителя 19 импульсов, кроме первого, соединенного с С-входом D-триггера

28,подключены к соответствующим первым входам всех схем И 14 из п каналов, а выход схемы И 21 подключен к управляющему входу RS-триггера 17,а выход переноса распределителя 19 импульсов соединен со счетным входом JK-триггера 22 и R-входами D-триг- гера 28 и RS-триггера 8, вход генератора 1 возбуждающих импульсов соединен с выходом D-триггера 28.

Устройство работает в двух режимах А и Б, которые поочередно задаются уровнями логических сигналов па выходах JK-триггера 22 при-поступлении на его счетный вход импульса переноса с распределителя 19 импульсов

Устройство в режиме А работает следующим образом.

Уровень логической 1 с первого выхода JK-триггера 22 (фиг. 1) поступает на вход D-триггера 28 , который срабатывает при поступлении на его С-вход импульса с первого выхода распределителя 19 (30, фиг. 2), При этом перепад напряжения на выходе D-триггера 28 запускает генератор 1 возбуждающих импульсов.

Генератор 1 формирует импульс 37 (фиг. 2) ударного возбуждения, поступающий на акустический преобра- зова.тель 2, который возбуждаясь, излучает акустический импульс в контролируемую среду. Акустический импульс после распространения в протекторе (звукопроводе) акустического преобразователя 2 частично проходит в среду, а частично отражается от границы протектор акустического преобразователя - среда вследствие раэ- i личия их акустических импедансов,

возвращается обратно по толще протек тора к акустическому преобразователю 2, где преобразовывается в электрический импульс 38-1 (фиг.2) первого приемного сигнала о Через ограничител

4 (фиг. 1) приемный импульс поступа

Временной интервал ме.ччгчУ передними фронтами первого и второго приемных импульсов на выходе RS-триггера 12 (40-1, 40-2, фиг. 2) равен 2/счс., где кс распространения. гнчес- кого импульса в кок rpo.:npyc ;oi i среде до отражателя 3. Послетун гиа приемные импульсы многократнсго отражения и далее через интервалы времени возникают на выходе RS-триггера 7, последовательность которых представлена на временной диаграмме 40 (фиг. 2).

ет на компаратор 5, осуществляющий его временную привязку и нормирование по амплитуде 39 (фиг. 2).

Приемный импульс с выхода компаратора 5 поступает на информационный 50 вход управляемого ключа 6. Управление ключа 6 осуществляется от прямого выхода D-триггера 28 через линию 29 задержки, время задержки которой больше длительности возбуждающего импуль-55 ратора 9 линейно пзмеы.этцсгос напря- са генератора 1, но меньше длитель- , жения (ГЛИН). Линейно HTML ности временного интервала до поступ- напряжение (41, фиг. 2J , формируемое ления первого приемного импульса- на выходе Г ЛЯН 9, одко .ччлч нно посд уПервый приемыг нмп.:ье 40-1 (фиг. 2) с ьыхог.а RS-трнггера 7 поступает на 3-вхоп RS-ту-;: гег,: . Триггер 8 устаналлнваетс.м ь еое гп :,не 1, а сигнал логического с его инверсного выходе. noCTViiaeT па чол ге;ш

Таким образом, линия 29 зг. :IC:VKK:I препятствует рохо.кденню в тлектричеокие блоки устройства возбуждающих импульсов генератора 1, Приемный импульс через ключ G поступает на S-вход RS- тркггера 7 (Фиг. 1).

RS-григгрр 7 ycT,i; .r- шз.ются в состояние логическом 1 пли лешш на его лхоц приеугого импульса п сбрасывается в О оле ly .-d i-M ч приемным .ьсом с чег:- о о j.i xo 1-1 распредели г::я 19 (через гн-Мч; счш; Г . 18) .

Вр еменний интервал мех фргчтаыч импульсов цервогч распре,:телн-еля 19 (3 нг первым |3пхо.,;;ь1м пмп ..чыч м

0

ра

- и} з

.: ялрктрпче Лхустнчс в контролнр ражателя 3, частично вн торя повт

-ОСКОН

2) .,.; времомГ . .;

Н Ч.ДуН С Я 113 ... ;

и: сое ., , 1

Ш-Ш ЛЬС , р.

емую ере ч у, до возвращается опрятноs вь отражается от протек- акустического преобразовг. геля и рпо уходит в конт)олпруемуи сре-

ь

30

35

45

ду, а частично принимается акустическим преобразователем 2 i: преобразуется им в электрический импульс 38-2 (фиг. 2) - в горой приехнпи сигнал,, который через ограничите.1 - 4, компаратор 5 и 6 поступает и нход RS-триггсра 7, формнру|о-д..-о РТОРОЙ приемный имгульс 40-2 (фн:, J,

Временной интервал ме.ччгчУ передними фронтами первого и второго приемных импульсов на выходе RS-триггера 12 (40-1, 40-2, фиг. 2) равен 2/счс., где кс распространения. гнчес- кого импульса в кок rpo.:npyc ;oi i среде до отражателя 3. Послетун гиа приемные импульсы многократнсго отражения и далее через интервалы времени возникают на выходе RS-триггера 7, последовательность которых представлена на временной диаграмме 40 (фиг. 2).

ратора 9 линейно пзмеы.этцсгос напря- жения (ГЛИН). Линейно HTML напряжение (41, фиг. 2J , формируемое на выходе Г ЛЯН 9, одко .ччлч нно посд уПервый приемыг нмп.:ье 40-1 (фиг. 2) с ьыхог.а RS-трнггера 7 поступает на 3-вхоп RS-ту-;: гег,: . Триггер 8 устаналлнваетс.м ь еое гп :,не 1, а сигнал логического с его инверсного выходе. noCTViiaeT па чол ге;ш

514

пает на первые входы всех компараторов 1 0 из п каналов.

Работу формирователей рассмотрим на примере первого канала. Линейно изменяющееся напряжение с выхода ГЛИН 9 поступает на первый вход компаратора 10, на второй вход которого поступает уровень U4 напряжения с выхода интегратора 13. Выход компаратора 10 (42, фиг. 2) фиксирует момент совпадения уровня U4 напряжения с линейным напряжением (41, фиг. 2). Выходной импульс компаратора 10 поступает на D-вход D-триггера 11, на С-вход которого приходят приемные импульсы с выхода RS-триггера 7 (40, фиг. 2). D-триггер 11 служит дискриминатором, анализирующим временное взаиморасположение передних фронтов выходного импульса компаратора 10 (42, фиг. 2) и второго (40-2, фиг.2) приемного импульса с выхода RS-триггера 7.

При опережении переднего фронта выходного импульса компаратора 10 (42, фиг. 2) на прямом выходе D-триг тера 11 возникает уровень логической 1, который подается на S-вход управляемого RS-триггера 12, подготавливаемого к работе поступлением на первый вход схемы И 14 импульса с третьего выхода распределителя 19. Сигнал логической 1 с выхода RS- триггера 12 поступает на вход интегратора 13, подключая его к пине питания с высоким потенциалом. При это уровень U( выходного напряжения интегратора 13 возрастает, вызывая тем самым сближение переднего фронта выходного импульса компаратора 10 (42, фиг. 2) с передним фронтом второго импульса (40-2, фиг. 2) с выхода RS- триггера 7.

При отставании переднего фронта выходного импульса компаратора 10 (42, фиг. 2) от переднего фронта второго приемного импульса на выходе RS-триггера 7 (40-2, фиг. 2), на прямом выходе D-триггера 11 устанавливается уровень логического О. Управляемый RS-триггер 12 также имеет на выходе уровень логического О, и вход интегратора 13 подключается к шине питания с низким потенциалом. Уровень U, выходного напряжения интегратора 13 снижается, вызывая сближение передних фронтов дискриминируемых импульсов.

0

0

25

Аналогично описанному, каждый 1-й формирователь осуществляет сближение передних фронтов выходного импульса компаратора 10 1-го формирователя (43, фиг. 2) и (i-H)-ro приемного импульса (40-i, фиг. 2) многократного отражения с выхода RS-триггера 7.

Установившийся режим характеризуется совпадением передних фронтов сближаемых импульсов. В установившем- ся режиме на интеграторах 13 запоминаются уровни U,, : Un, напряжений, моменты совпадения которых с линейно 5 изменяющимся напряжением ГЛИН 9 соответствуют появлению на выходе RS- триггера 7 приемных импульсов многократного отражения, начиная с второго по п-йо

По окончании цикла режима А импульсом переноса Р распределителя 19 на выходе 2 JK-триггера 22 устанавливается уровень логической 1, соответствующий режиму Б.

При работе устройства в режиме Б не осуществляют возбуждение генератора 1 и, следовательно, зондирование акустическим сигналом контролируемой среды.

В режиме Б на RS-триггер 7 через управляемый ключ 23 поступает последовательность импульсов 45 (фиг. 2) . с второго выхода делителя 24 частоты, период которой в два раза больше длительности выходного импульса распределителя 19 импульсов. Выходной сигнал на выходе RS-триггера 7 (45, фиг. 2) повторяет сигнал на втором выходе делителя 24. ГЛИН 9 начинает формирование выходного линейно изменяющегося напряжения 46 (фиг. 2) с момента переключения RS-триггера 8 от первого (45-1, фиг. 2) выходного импульса RS-триггера 7.

Компаратор 10 выдает выходной импульс 47 (фиг.2) в момент совпадения уровня U, напряжения на его втором входе, хранящегося в памяти интегратора 13 после режима А, с линейно изменяющимся напряжением ГЛИН 9.

D-триггер 11 анализирует временное взаиморасположение передних фронтов выходного импульса компаратора 10 (47, фиг. 2) и второго выходного импульса (45-2, фиг. 2) RS-триггера 7.

Если передний фронт импульса с выхода компаратора 10 опережает передний фронт второго выходного импульса RS-триггера 7, на выходе D-триггера

30

35

40

45

50

55

11 формируется сигнал логической 1, который через ключ 15, управляемый импульсом с третьего выхода распределителя 19, подается на S-вход RS- триггера 17.

Поступление уровня логической 1 на S-вход КЗ-триггера 17 при наличии управляемого уровня на Е-входе осуществляет переключение RS-триггера 17 в состояние логической 1.

Сигнал логической 1 с выхода RS-триггера 17 поступает на вход интегратора 25, подключая его зарядную емкость к шине питания с высоким потенциалом.

При этом уровень напряжения на выходе интегратора 25 повышается, вызывая увеличение частоты управляемого генератора 26, а следовательно,уменьшая период Т следования импульсов на выходе RS-триггера 7 в режиме Б, осуществляя сближение передних фронтов выходного импульса компаратора 10 (45, фиг. 2), второго импульса на выходе RS-триггера 7 (45-2, фиг. 2). Если передний фронт выходного импульса компаратора отстает от переднего фронта, второго импульса RS-триггера 7, то D-триггер 11 не переключается, на его прямом выходе устанавливается

уровень логического

О

ного выхода уровень логической 1

а с инверс1

через ключ 16 поступает на R-вход RS-триггера 17. При этом переключени триггера не осуществляется, а уровен логического О на его выходе подключает интегратор 25 к шине питания с низким потенциалом, уменьшая уровень его выходного напряжения. Выходная частота управляемого генератора уменьшается , а период Т следования импульсов в режиме Б на выходе RS-триггера 7 увеличивается, тем самым сближая передний фронт второго импульса RS-триггера 7 с передним фронтом выходного импульса компаратора 10.

Таким образом, через несколько циклов чередующихся режимов А и Б наступает установившийся режим, при котором в режиме А осуществляется возбуждение акустического преобразователя 2 и прием-преобразование многократно отраженных акустических импульсов, а также формирование и запоминание уровней U4 -J- и„, напряжений, моменты совпадения которых с линейно изменяющимся напряжением ГЛИН 9 (41, фиг,- 2) соответствуют

появлению на выходе RS-триггера 7 приемных электрических импульсов (фиг. 2), период следования которых равен 2Јкс, а в режиме Б осуществляется регулирование выходной частоты управляемого генератора 26 таким образом, чтобы период следования импульсов с второго выхода делителя 24 частоты, т.е. выход RS-триггера 7 (45, фиг. 2), совпал с временными интервалами между моментами ния запомненных в режиме А уровней U , -г- Un, напряжений с линейно изменяющимся напряжением. Как следует из временных диаграмм (фиг. 2) в установившемся режиме соблюдается равенство Т 2 Јкс.

0

5

0

5

0

5

0

5

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости звука, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с отражателем, ограничитель импульсов, первый компаратор, последовательно соединенные первый управляемый RS-триггер, первый интегратор, управляемый генератор, делитель частоты и распределитель импульсов, регистратор, подключенный к выходу управляемого генератора, и первый RS-триггер, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено последовательно соединенными JK- триггером, первым D-триггером, линией задержки и первым ключом, информационный вход которого подключен к выходу первого компаратора, а выход - к S-входу первого RS-триггера, последовательно соединенными вторым RS-триггером и генератором линейно изменяющегося напряжения, п каналами, каждый из которых состоит из последовательно соединенных компаратора, D-триггера, RS-триггера и интегратора, выходом подключенного к первому входу компаратора, схемы И, выходом соединенной с управляющим входом RS- триггера, и двух ключей, информационные входы которых подключены к прямому и инверсному выходам D-триггера соответственно, управляющие входы подключены к первому входу схемы И, а выходы - соответственно к S- и R- входам первого управляемого RS-триг

гера, дифференцирующей цепью,включенной между объединенными четными выходами распределителя импульсов и R-входом первого RS-триггера, первой и второй схемами И, первые входы которых соединены с выходом первого RS-триггера, а вторые входы - с прямым и инверсным -выходами JK-триггера соответственно, вторым ключом управ- ляющий вход которого соединен с инверсным выходом JK-триггера, информационный вход - с вторым выходом делителя частоты, а выход - с S-входом первого RS-триггера, выход второй схемы И подключен к управляющему входу первого RS-триггера, выход первой схемы И соединен с вторыми входами

147453810

всех схем И из п каналов

ратора линейно изменяюще ния соединен с вторыми вх компараторов из п канало вого RS-триггера соедине ми входами всех D-тригге налов, нечетные выходы р импульсов, кроме первого

Q го с С-входом первого Dключены к соответствующим дам всех схем И Из п кана переноса распределителя и соединен со счетным вход

j гера и R-входами первого и второго RS-триггера, а ратора возбуждающих импул ключен к выходу первого D

всех схем И из п каналов

, выход генератора линейно изменяющегося напряжения соединен с вторыми входами всех компараторов из п каналов, выход первого RS-триггера соединен со счетными входами всех D-триггеров из п каналов, нечетные выходы распределителя импульсов, кроме первого, соединенного с С-входом первого Dтриггера,подключены к соответствующим первым входам всех схем И Из п каналов, выход переноса распределителя импульсов соединен со счетным входом JK-триггера и R-входами первого D-триггера и второго RS-триггера, а вход генератора возбуждающих импульсов подключен к выходу первого D-триггера.

Изобретение относится к акустическому контролю и может быть использовано для измерения скорости распространения звука в жидких средах. Цель изобретения - повышение точности измерения достигается за счет исключения из общего времени зондирования паразитного времени задержки сигнала в акустических и электрических цепях , а также за счет увеличения частоты коррекций управляемого генератора до (N-1) раз за один цикл работы распределителя путем применения N эхо-импульсов многократного отражения, принимаемых после единичного возбуждения акустического преобразователя. При работе устройства генератор 1 возбуждающих импульсов возбуждает преобразователь 2, и акустический сигнал, пройдя через среду и отразившись от отражателя 3, усиливается и нормализуется компаратором 5. В первом режиме работы цепочка, состоящая из компаратора 10, D-триггера 11, RS -триггера 12 и интегратора 13, формирует и запоминает постоянное напряжение, пропорциональное интервалу времени между пришедшим отраженным импульсом и импульсом, поступившим с распределителя 19. Во втором режиме работы этой цепью через RS-триггер 17 формируются управляющие сигналы, изменяющие частоту генератора 26 таким образом, чтобы эти интервалы времени стали равны нулю. В этом случае период зондирующих импульсов равен 2 τ KC,(τ KC - время распространения акустического сигнала в контролируемой среде до отражателя 3,) а частота пропорциональна скорости распространения звука. 2 ил.

Редактор Н. Тупица

Составитель Л. Кондрыкинская

Техред Л.Сердкжова Корректор Л. Патай

Заказ 1886/41

Тираж 788

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Фие 2

Подписное