Измеритель скорости звука Советский патент 1992 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к технике акустического контроля и может быть использовано для измерения скорости распространения звука в жидких средах.

Известно устройство для измерения скорости .ультразвука, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с отражателем и ограничитель импульсов, компаратор, последовательно соединенные первый триггер, дискриминатор и коммутатор, последовательно соединенные первый интегратор, управляемый генератор и регистратор.

делитель частоты, вход которого связан с регистратором, распределитель импульсов, выход которого соединен с входом генератора возбуждающих импульсов, первый ключ, выход которого подключен к входу первого интегратора, последовательно соединенные второй ключ, второй интегратор и регулируемая линия задержки, выходом соединенная с вторым входом дискрмминато- ра, два элемента 3 И-НЕ, первыми входами подключенные к второму выходу делителя частоты, третий выход которого подключен к второму входу первого элемента 3 И-НЕ, подключенного третьим входом к второму

сл

00

входу второго элемента 3 И-НЕ и первому выходу распределителя импульсов, вторым выходом подключенного к третьему входу второго элемента 3 И-НЕ, первый элемент ИЛИ-НЕ, подключенный входами к вы-ходам первого и второго элементов 3 И-НЕ, а выходом - к второму входу регистрируемой линии задержки/ элемент И, первый вход которого подключен к выходу компаратора, а выход - к первому входу первого триггера, одновибратор, входом подключенный к выходу элемента И, а выходом - через коммутатор - к первым входам первого и второго ключей, последовательно соединенные первый элемент НЕ, входом подключенный к входу распределителя импульсов, элемент И-НЕ, подключенный вторым входом к первому выходу распределителя импульсов, второй элемент НЕ, второй триггер, подключенный выходом к второму входу элемента И, третий триггер, соединенный выходом с вторым входом второго ключа, четвертый триггер, выход которого подключен к второму входу первого ключа, элемент ИЛИ, соединенный выходом с вторым входом первого триггера, и элемент задержки, включенный между первым выходом распределителя импульсов и первыми входами второго и третьего триггеров, третий выход распределителя импульсов подключен к второму входу второго триггера и к первым входам четвертого триггера и элемента ИЛИ, а выход второго элемента НЕ соединен с вторыми входами третьего и четвертого триггеров и элемента ИЛИ.

Принцип работы устройства основан на автоматической коррекции частоты импульсов управляемого генератора до значения, при котором обеспечивается равенстро длительности периода импульсов на выходе делителя частоты времени зондирования звуковым импульсом контролируемой среды на заданной акустической базе. Это осуществляется коррекцией систематической погрешности путем вычитания из длительности временного интервала зондирования (интервал, отсчитываемый от момента запуска генератора возбуждающих импульсов до момента регистрации приемного сигнала) длительности паразитной временной задержки в электрических цепях и акустических элементах акустического преобразователя. Длительность паразитной временной задержки Гпз при этом равна временному интервалу, отсчитываемому от момента запуска генератора возбуждающих импульсов до момента регистрации приемного сигнала, вызванного отражением на границе протектор - контролируемая среда.

Регулируемая линия задержки, запускаемая первый раз импульсом с первого выхода распределителя, одновременно с запуском генератора возбуждающих им- пульсов вырабатывает и запоминает импульс, длительность которого равна ТпэВо втором запуске от второго выходного импульса распределителя линия задержки производит импульс длительностью, 0 которая вычитается из временного интервала зондирования.

Положительной стороной устройства является постоянная, ежецикличная корректировка длительности временной задер- 5 жки и учет ее изменения от температуры, старения радиоэлементов и других факторов.

Недостатком известного устройства является наличие случайной погрешности из- 0 мерения, обусловленной изменением амплитуды приемного сигнала вследствие нарушения акустической прозрачности исследуемой среды газовыми пузырьками и различного рода взвесями. 5Наиболее близким к заявляемому по

технической сущности и достигаемому результату является измеритель скорости звука, содержащий последовательно электроакустически соединенные генера- 0 тор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с протектором и со ступенчатым отражателем, ограничитель импульсов и компаратор, последовательно соединенные дискриминатор, коммутатор, 5 интегратор, управляемый генератор, делитель частоты и распределитель импульсов, первым выходом подключенный к входу генератора возбуждающих импульсов, а вторым выходом - к С-входу дискриминатора, 0 RS-триггер, регистратор, подключенный к выходу управляемого генератора, последовательно соединенные второй RS-триггер и линия задержки, пиковый детектор, вторым входом подключенный к выходу огра- 5 ничителя импульсов, и аттенюатор, подключенный выходом к информационному входу первого управляемого ключа, выход которого, объединенный с выходом второго управляемого ключа, подключен к 0 второму входу компаратора, выход которого подключен к С-входу второго распределителя импульсов, первый, второй выходы которого подключены к S-входам второго и первого RS-триггеров соответственно, а 5 третий выход - к D-входу дискриминатора и управляемому Е-входу коммутатора, прямой и инверсный выходы первого RS-триг- гера подключены к управляющим входам первого и второго ключей соответственно

информационный вход второго ключа соединен с положительным напряжением питания, R-входы первого, второго RS-триггеров и второго распределителя подключены к третьему выходу первого распределителя.

Недостатком известного измерителя является низкая точность измерения, обусловленная составляющей систематической погрешности, вызываемой наличием во временном интервале зондирования паразитного времени задержки информативного сигнала в конструктивных элементах акустического преобразователя и электронных блоках измерителя.

Цель изобретения - повышение точности измерения посредством компенсации паразитного времени задержки информативного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные дискриминатор, коммутатор, интегратор, управляемый генератор, делитель частоты, первый распределитель, генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с протектором и ступенчатым отражателем, ограничитель импульсов, первый компаратор, второй распределитель, первый RS- триггер, линию задержки, пиковый детектор, второй вход которого связан с выходом ограничителя импульсов, аттенюатор и первый ключ, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, второй RS-триггер, S-вход которого соединен с вторым выходом второго распределителя, источник питания и подключенный к нему сигнальным входом второй ключ, управляющий вход которого связан с инверсным выходом второго RS-триггера, а выход - с вторым входом первого компаратора, второй выход первого распределителя подключен к управляющему входу второго распределителя и к R-входам первого и второго RS-триггеров, а выход второго RS-триггера связан с управляющим входом второго ключа, снабжен последовательно соединенными опорным элементом, первым источником тока, третьим ключом и вторым компаратором, выход которого подключен к второму входу дискриминатора, последовательно соединенными вторым источником тока, вход которого связан с выходом опорного элемента и четвертым ключом, выход которого подключен к второму входу второго компаратора, пятым и шестым ключами, первым и шестым ключами, первым и вторым конденсаторами и третьим и четвертым RS-триггерами, сигнальные входы пятого и шестого ключей предназначены для заземления, их выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго компаратора и предназначены для заземления соответственно через первый и второй 5 конденсаторы, третий и четвертый выходы второго распределителя подключены к S- входам третьего и четвертого RS-триггеров соответственно, выход третьего триггера связан с вторым входом дискриминатора и 10 управляющим входом коммутатора, выход четвертого RS-триггера подключен к управляющему входу четвертого ключа, первый выход первого распределителя соединен с управляющим входом третовго ключа, а вто- 15 рой выход первого распределителя подключен к R-входам третьего и четвертого RS-триггеров и к управляющим входам пятого и шестого ключей.

В изобретении формирование опорного 0 временного интервала посредством увеличения длительностигрц выходного импульса распределителя на время гпз осуществляется в течение одного цикла, что повышает точность уравновешивания времени зон- 5 дирования опорным временным интервалом.

На фиг. 1 изображена блок-схема заявляемого устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу блок-схе- 0 мы.

Измеритель скорости звука, блок-схема которого приведена на фиг. 1. содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 возбуждающих 5 импульсов, акустический преобразователь 2 с протектором 3 и со ступенчатым отражателем 4, ограничитель 5 импульсов, компаратор 6, распределитель 7 импульсов. RS-триггер 8, инверсным выходом соеди- 0 ненный с линией 9 задержки, пиковый детектор 10, вторым входом подключенный к выходу ограничителя 5 импульсов, аттенюатор 11, подключенный выходом к сигнальному входу управляемого ключа 12, выход 5 которого объединен с выходом управляемого ключа 13 и вторым входом компаратора 5, последовательно соединенные дискриминатор 14, коммутатор 15, интегратор 16, управляемый генератор 17, делитель 18 0 частоты, объединенный входом с входом регистратора 19, распределитель 20 импульсов, первым выходом подключенный к входу генератора 1 возбуждающих импульсов, опорный элемент 21, подключенный пер- 5 вым. вторым выходами к источникам 22, 23 тока, выходы которых соединены с информационными входами управляющих ключей 24, 25 соответственно, выход ключа 24 объединен с выходом управляемого ключа 26,

первым входом компаратора 27 и конденсатором 28, вторая обкладка которого заземлена, выход ключа 25 объединен с выходом управляемого ключа 29, вторым входом компаратора 27 и конденсатором 30, вторая обкладка которого заземлена, информационные входы ключей 26, 29 заземлены, второй, третий, четвертый выходы распределителя 7 подключены к S-входам RS-триг- геров 31-33 соответственно, R-входы которых объединены с R-зходами распределителя 7 и RS-триггера 8, а также управляющими входами ключей 26, 29, и соединены с вторым выходом распределителя 20, первый вход которого подключен также к управляющему входу ключа 24, прямой выход триггера 31 соединен с управляющим входом ключа 25, прямой и инверсный выходы триггера 32 подключены к управляющим входам ключей 12, 13 соответственно, информационный вход последнего из которых подключен к положительному напряжению питания Uo, прямой выход триггера 33 подключен к объединенным управляющему входу коммутатора 15 и D-входу дискриминатора 14, С-вход которого подключен к выходу компаратора 27

Измеритель скорости звука работает следующим образом

В исходном состоянии распределитель 7, RS-триггеры 8, 31-33 установлены в состояние лог. О, конденсаторы 28, 30, а также конденсатор пикового детектора 10 разряжены.

Частота f следования импульсов на выходе управляемого генератора 17 (фиг. 2,34) посредством делителя 18 уменьшается в К раз (фиг. 2, 35) и поступает на вход распределителя 20 импульсов, импульсы на выходах 1, 2 которого представлены на временных диаграммах 36, 38, фиг 2

По переднему фронту импульса 36 первого выхода распределителя 20 генератор 1 формирует импульс 39, возбуждающий акустический преобразователь 2, который начинает излучать акустические колебания На выходе ограничителя 5 возбуждающий импульс преобразуется в импульс (фиг. 2, 40-1),

Распространяясь в толще протектора 3, акустические колебания частично проходит в исследуемую среду, частично отражаются от границы протектор 3 - среда вследствие различия их акустических импедансоз и возвращаются обратно по толще протектора 3 к акустическому преобразователю 2, где преобразуются в электрический импульс первого приемного сигнала, который, пройдя ограничитель 5, преобразуется в импульс 40-2 (фиг. 2).

Распространяясь в исследуемой среде, акустические колебания достигают отражателя 4 и, отражаясь от ступенек последнего, возвращаются к акустическому преобразователю 2. Двухуровневый ступенчатый отражатель 4 позволяет разделить во времени отраженные от его поверхностей акустические колебания и получить на выходе ограничителя 5 импульсы 40-3 и 40-4 (фиг. 2),

0 возникающие вследствие прохождения акустическими колебаниями расстояний 1 и 2 соответственно.

Рассмотрим прохождение импульсов, изображенных на диаграмме 40 (фиг. 2), в

5 схеме измерителя. В исходном состоянии с инверсного выхода RS-триггера 32 сигнал лог. 1 поступает на управляемый V-вход ключа 13, через информационный Х-вход которого на опорный вход компаратора 6 по0 дается постоянное напряжение Uo. Поступающие с выхода ограничителя импульсы 40-1, 40-2 и 40-3 (фиг. 2) принимаются компаратором 6 на пороговом уровне Uo, импульс 40-4 принимается на следящем за

5 амплитудой импульса 40-3 пороговом уровне, формирование которого будет рассмотрено ниже.

На диаграмме 41 (фиг. 2) представлены импульсы на выходе компаратора 6, посту0 лающие далее на С-вход распределителя 7, временные диаграммы 42-45 импульсов на выходах которого представлены на фиг. 2. Следящий пороговый уровень Unop формируется из импульса 40-3 (фиг. 2) с помощью

5 пикового детектора 10, который в течение времени гэ (фиг. 2, 40) удерживается в закрытом состоянии импульсом (не показан) с выхода линии 9 задержки. При поступлении на вход пикового детектора 10 импульса 400 3 (фиг. 2) на выходе детектора формируется уровень напряжения, пропорциональный максимальному значению амплитуды импульса 40-3. Аттенюатор 11 производит деление выходного напряжения пикового

5 детектора в Кат раз.

Коэффициент деления аттенюатора определяется соотношением

Кат Кпд , где Кпд - коэффициент усиления пикового

0 детектора 11,

iK- постоянная компарации (соотношение амплитуды приемного сигнала к желаемому уровню порогового напряжения компаратора, как правило, выбирается к

5 5-10).

С выхода аттенюатора 11 напряжение Unop через ключ 12 в течение длительности импульса 34 (фиг. 2) с третьего выхода распределителя 7 поступает на опорный вход 2

компаратора 6, Таким образом, прием импульса 40-4 (фиг, 2) осуществляется компаратором 6 на пороговом уровне напряжения Unop. Принимая во внимание достаточно малые величины расстояния Д L L.2 - U и времени TL прохождения акустическими колебаниями этого расстояния для изменения амплитуды импульса 40- 4 по сравнению с импульсом 40-3, считаем их амплитуды практически равными А0 (40, фиг. 2).

Прием информативного для измерения скорости звука сигнала 40-4 (фиг. 2) на пороговом уровне, следящем за величиной амплитуды принимаемого сигнала, позволяет устранить случайную погрешность измерения, вызываемую нарушениями акустической прозрачности исследуемой среды.

Отформированный компаратором 6 (фиг. 2, 41-4) информативный сигнал через четвертый выход распределителя 7 (фиг. 2, 45) поступает на RS-триггер 33, на прямом выходе которого формируется импульс 50 (фиг. 2).

Временной интервал между передними фронтами импульсов 35 и 50 (фиг. 2) представляет собой время Гэонд зондирования исследуемой среды, включающее информативное время Тие прохождения акустическими колебаниями исследуемой среды и паразитное время гпз задержки информативного приемного сигнала в конструктивных элементах акустического преобразователя, протектора и электронных блоках измерителя

Тзонд Тлз - Тие

Причем время тпз определяется временным интервалом между передними фронтами импульсов 36 и 47 (фиг. 2), где импульс 47 (фиг. 2) - выходной сигнал триггера 31, а время тие определяется временным интервалом между передними фронтами импульсов 47 и 50 (фиг. 2), при идентичности временных задержек триггеров 31 и 33, поскольку

Гпз Т1 + Т2 + Гз + Тз + TZ + Т5 + Тб + + Т + Тз ;

Тзонд - Т1 + Т2 + Тз + Тие + Тз + Г2 + + Т5+Т6 +Т7 + Тзз .

где TI - временная задержка информативного сигнала в i-м блоке или конструктив- ном-элементе измерителя по блок-схеме фиг. 1.

Процесс компенсации паразитного времени Тпз задержки состоит в следующем.

По переднему фронту импульса (фиг. 2, 36) с первого выхода распределителя 20 открывается управляемый ключ 24 и конденсатор 28 начинает заряжаться от источника 22 тока (фиг. 2, 46). Заряд конденсатора 28 продолжается в течение длительности

5 Три импульса 36 до некоторого значения напряжения ui, сохраняющегося на обкладках до появления на выходе 2 распределителя 20 импульсов 38 (фиг, 2).

По переднему фронту импульса (фиг. 3,

10 43) с второго выхода распределителя 7 через триггер 31 и управляемый ключ 35 от источника 23 тока начинается заряд конденсатора 30, который длится в течение длительности импульса 47 (фиг 2) на выходе

15 триггера 31.

В момент достижения на обкладках конденсатора 30 значения напряжения Ui срабатывает компаратор 27, выходной импульс 49 (фиг. 2) которого завершает формирова0 ние опорного временного интервала, длительность Топ которого отсчитывается между передними фронтами импульсов 36 и 49 (фиг. 2). При идентичности источников 22, 23 тока и равенстве постоянных време5 ни заряда конденсаторов 28, 30 длительность Г0п складывается из длительностей гри выходного импульса 36 (фиг. 2) распределителя 20 и Гпз - паразитного времени задержки

Топ Три + Тпз

Импульсы 49 и 50 (фиг 2) поступают на входы дискриминатора 14. анализирующего временное взаиморасположение их передних фронтов.

5Если передний фронт импульса 50, поступающего на D-вход дискриминатора 14, опережает передний фронт импульса 49 (как показано на фиг. 2) на его С-входе, D-триг- гер дискриминатора 14 устанавливается в

0 состояние лог .1, При этом через коммутатор 15 на интегратор 16 поступает уровень к лог., выходное напряжение последнего (фиг. 2,51) возрастает, что вызывает увеличение частоты f следования им5 пульсов на выходе управляемого генератора 17 и уменьшение длительности Три выходных импульсов распределителя 20, в результате чего передние фронты импульсов 49 и 50 будут сближаться

0Если передний фронт импульса 50 будет

отставать от переднего фронта импульса 49, дискриминатор 14 будет находиться в состоянии О. На выходе коммутатора 15 будет также присутствовать сигнал лог О. Вы5 ходное напряжение интегратора 16 будет уменьшаться, что вызовет уменьшение частоты f импульсов на выходе генератора 17 и увеличение длительности гри выходных импульсов распределителя 20, вследствие чего

передние фронты импульсов 49 и 50 сблизятся.

В установившемся режиме работы измерителя передние фронты импульсов 49 и 50 совпадут, что будет свидетельствоват ь об уравновешивании временных интервалов

Тзонд И Топ

Тзонд Топ,

Тие + Тлз Три + Тпз,

тие Три.

Частота f управляемого генератора 1 / будет определяться следующим выражениk СLk

ем: f -:-, т.к. тие - и гри т, где k r Т

коэффициент деления частоты делителем 18; L - длина пути, пройденного информативным акустическим сигналом в исследуемой среде; С - скорость звука в исследуемой среде,

При численном равенстве значений L.2 и k значение частоты f, фиксируемое регистратором 19, численно равно скорости звука в исследуемой среде.

Таким образом, предлагаемый измеритель скорости звука позволяет повысить точность измерения за счет исключения систематической составляющей погрешности, вызываемой наличием паразитного времени задержки информативного сигнала в конструктивных элементах акустического преобразователя и электронных блоках.

Систематическая абсолютная погрешность прототипа, равная 0,20 м/с, может быть снижена в предлагаемом измерителе до 0,12 м/с.

Формула изобретения Измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные дискриминатор, коммутатор, интегратор, управляемый генератор, делитель частоты, первый распределитель, генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с протектором и ступенчатым отражателем, ограничитель импульсов, первый компаратор, второй распределитель, первый RS-триггер, линию задержки, пиковый детектор, второй вход которого связан

с выходом ограничителя импульсов, аттенюатор и первый ключ, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, второй RS-триггер, S-вход которого соединен с вторым выходом второго распределителя, источник питания и подключенный к нему сигнальным входом второй ключ, управляющий вход второго ключа связан с инверсным выходом второго

RS-триггера, а выход связан с вторым входом первого компаратора, второй выход первого распределителя подключен к R-вхо- ду второго распределителя и к R-входам первого и второго RS-триггеров, а прямой

выход второго RS-триггера связан с управляющим входом первого ключа, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен последовательно соединенными опорным элементом, первым

источником тока, третьим ключом и вторым компаратором, выход которого подключен к второму входу дискриминатора, последовательно соединенными вторым источником тока, вход которого связан с выходом опорного элемента, и четвертым ключом, выход которого подключен к второму входу второго компаратора, пятым и шестым ключами, первым и вторым конденсатором и третьим и четвертым RS-триггерами, сигнальные

входы пятого и шестого ключей предназначены для заземления, их выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго компаратора и предназначены для заземления соответственно через

первый и второй конденсаторы, третий и четвертый выходы второго распределителя подключены к S-входам третьего и четвертого RS-триггеров соответственно, выход третьего триггера связан с вторым входом

0 дискриминатора и управляющим входом коммутатора, выход четвертого RS-триггера подключен к управляющему входу четвертого ключа, первый выход первого распределителя соединен с управляющим входом

5 третьего ключа, а второй выход первого распределителя подключен к R-входам третьего и четвертого RS-триггеров и к управляющим входам пятого и шестого ключей.

Ш.ШШ11LLLIJJ Lin J1 ШIIIIIIIIUJUIII III Mlllllil (ИМИ

X

1

ТРИ

st

:|ф|фС р 1Ь

-ТУ-ъ I 1

Uiap

Hi

j - i

X

1

Uiap

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано в гидрофизических исследованиях океана. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения случайной и систематической погрешности. Принцип работы измерителя основан на следящем уравновешивании информативного времени распространения акустических колебаний в контролируемой среде длительностью опорного временного интервала. Уравновешиваемые временные интервалы преобразуются в напряжения и сравниваются компаратором, который управляет выходным напряжением интегратора, изменением которого осуществляется коррекция частоты управляемого генератора. Ступенчатообразное исполнение отражателя акустических колебаний позволяет получить два приемных сигнала практически равной амплитуды, первый из которых служит для формирования следящего за величиной амплитуды порогового уровня ком- парации второго приемного сигнала, вследствие чего достигается исключение случайной погрешности измерения, вызываемой нарушением акустической прозрачности среды. Компенсация паразитного времени задержки информативного сигнала в конструктивных элементах акустического преобразователя и электронных блоках измерителя исключает систематическую погрешность измерения. 2 ил.

2.2