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

Изобретение относится к технике акустического контроля, может быть использовано для измерения скорости распространения звука в жидких средах и является усовершенствованием измерителя по авт. св. № 1610308.

Известен измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные электроакустический генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с протектором и отражателем, ограничитель импульсов и компаратор, управляемый ключ, выход которого подключен к входу интегратора, последовательно соединенные управляемый генератор, делитель частоты и распределитель импульсов, первым выходом подключенный к входу генератора возбуждающих импульсов, регистратор, подключенный к выходу управляемого генератора, первые параллельные цепи, состоящие из последовательно соединенных первого управляемого

RS-триггера, второго интегратора и первого сумматора, второй компаратор, RS-триггер, счетный триггер, линию задержки и элемент ИЛИ. S и R-входы первого, второго управляемых RS-триггеров объединены и соответственно подключены к прямому и инверсному выходам RS-триггеров. С-вход счетного триггера подключен к выходу первого компаратора, второй стробирующмй оход которого через линию задержки подключен к первому выходу распределителя импульсов, второй.третий выходы котрого соответственно подключены к S и R-входам счетного триггера. Прямой выход последнего подключен к управляющему входу управляемого ключа, информационный вход которого подключен к шине Земля. Выход первого интегратора подключен к входу второго компаратора, выход которого подключен к S-входу RS- триггера, R-вход которого через элемент ИЛИ подключен к второму, четвертому выходам распределителя импульсов. Вторые

сл

00 СЛ

ю

входы первого, второго сумматоров подключены к первому, второму источникам постоянного напряжения соответственно. Выход первого сумматора подключен к второму опорному входу второго компаратора, выход второго сумматора подключен к входу управляемого генератора, управляющие входы первого, второго управляемых RS- триггеров подключены к пятому и третьему выходам распределителя импульсов соответственно.

Принцип работы измерителя основан на следящем уравновешивании информативного времени распространения акустических колебаний в контролируемой среде длительностью опорного интервала. Уравновешиваемые временные интервалы преобразуются в напряжения и сравниваются компаратором, который управляет зарядом конденсатора интегратора. Выходное напряжение U интегратора подается на варикапы управляемого LC-генератора, изменяя пропорционально его частоту собственных колебаний.

Недостатком такого измерителя является высокая крутизна Af/Al) преобразования напряжения в частоту управляемого генератора, что приводит к большой пульсации выходного сигнала измерителя в установившемся режиме работы. Стремление снизить крутизну преобразования Af/AU с целью уменьшения пульсаций приводит к сужению диапазона изменения частоты выходного сигнала. Это противоречие тормозит развитие измерителей скорости звука, работающих в условиях широкого изменения диапазона измеряемых скоростей звука, например универсального измерителя скорости звука в различных жидкостях.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых скоростей звука при сохранении точности измерения посредством стабилизации пульсаций частоты выходного сигнала в установившемся режиме работы.

Поставленная цель достигается тем, что измеритель скорости звука снабжен третьим компаратором, вход которого подключен к выходу второго сумматора, и цепями, каждая из которых состоит из двух источников напряжений, последовательно соединенных первого ключа, компаратора, сигнальный вход которого связан с выходом второго сумматора, и RS-триггера, второго ключа, сигнальный вход которого объединен с вторым входом управляемого генератора, конденсатора, включенного между выходом второго ключа и третьим входом управляемого генератора, третьего ключа,

выход которого соединен с опорным входом компаратора и инвертора, выход которого подключен к R-входу RS-триггера, инверсным выходом связанного с управляющими

входами второго и третьего ключей, прямой выход RS-триггера подключен к управляющему входу первого ключа. Источники напряжений соединены соответственно с сигнальными входами первого и третьего

0 ключей, вход инвертора первой цепи подключен к выходу третьего компаратора, а вход инвертора каждой последующей цепи связан с выходом компаратора предыдущей цепи.

5 На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого измерителя; на фиг. 2 - график зависимости частоты управляемого генератора от управляющего напряжения; на фиг. 3 - электрическая схема управляемого гене0 ратора.

Измеритель скорости звука (фиг, 1) содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 возбуждающих импульсов, акустический

5 преобразователь 2 с протектором 3 и отражателем 4, ограничитель 5 импульсов и компаратор 6, управляемый ключ 7, выход которого подключен к входу интегратора 8, соединенного выходом с компаратором 9,

0 выход которого подключен к S-входу RS- триггера 10, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно к объединенным S- и R-входам управляемых RS- триггеров 11 и 12, последовательно

5 соединенных через интеграторы 13 и 14 соответственное входами сумматоров 15 и 16, вторыми входами соединенными с источниками напряжений +Uc и +Uc . Выходы сумматоров 15 и 16 подключены

0 соответственно к второму входу компаратора 9 и входу управляемого генератора 17, выход которого подключен к объединенным входам регистратора 18 и делителя 19 частоты, соединенного выходом с входом рас5 пределителя 20 импульсов. Первый выход последнего, подключенный к входу генератора 1, соединен также через линию 21 задержки с вторым входом компаратора 6, выход которого соединен со счетным вхо0 дом триггера 22, S и R-входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам распределителя 20, J и К-входы триггера 22 подсоединены к положительному напряжению питания + Un. Вы5 ход триггера 22 подсоединен к управляющему входу ключа 7, информационный вход которого заземлен. Вход триггера 10 соединен с выходом элемента ИЛИ 23, входы которого подключены к второму и четвертому выходам распределителя 20. Управняющие входы триггеров 11 и 12 подключены соответственно к пятому и третьему выходам распределителя 20. Компаратор 24 и п цепей (где п - количество частотных поддиапазонов управляемого генератора) каждая l-ая цепь из которых (i 1 - п) включает компаратор 25-I, RS-триггер 26-i, инвертор 27-I, управляемые ключи 28-i, 29-i, ЗО-i и конденсатор Ci. Управляющие входы ключей 28-i и 29-i подключены к инверсному и прямому выходам RS-триггера 26-i соответственно, выходы ключей 28-i, 29-i объединены и подключены к опорному входу компаратора 25-i, соединенного с S-входом RS-триггера 26-i, R-вход которого подключен к выходу инвертора 27-i. Инверсный выход RS-триггера 26-i подключен также к управляющему входу ключа ЗО-I, выход которого соединен с конденсатором Ci, другая обкладка которого соединена с аналогичными обкладками конденсаторов всех п цепей и подключена к второму входу управляемого генератора 17, третий вход которого подсоединенкобъединенныминформационным входам ключей ЗО-i. Первый вход управляемого генератора подключен также к объединенным вторым входам компараторов 25-i и первому входу компаратора 24, выход которого подсоединен к входу инвертора 27-1. Выход компараторов 25-i каждой i-ой цепи, кроме последней, 25- п, подключен к входу инвертора 27-(i + 1) следующей (i + 1)-ой цепи. Информационные входы управляемых ключей 28-i, 29-i (начиная с 28-i, 29-i no 28-n, 29-п) подсоединены соответственно к источникам напряжений +Ui и Ui . второй .опорный вход компаратора 24 подключен к источнику напряжения +Uo.

. Электрическая схема управляемого генератора 17, приведенная на фиг. 3, имеет дополнительные входы 2 и 3, необходимые для введения частотных поддиапазонов в схему генератора.

Измеритель работает следующим образом.

Пусть в исследуемой среде значение скорости звука Сх таково, что ему соответствует значение выходной частоты измерителя, равное fyrx. В момент включения схемы напряжение на выходе интеграторов измерителя, в том числе и интегратора 14, равны 0. Напряжение на выходе сумматора 16 равно + Uo Uo.

Напряжения, подаваемые на опорные входы компараторов 24 и 25-i, имеют следующую взаимосвязь:

U2 ... Ui ... Un,

... Ui ... Un1.

Таким образом, в начальный момент работы измерителя на выходах компараторов 25 и 24-I действуют сигналы логического О, которые через инверторы 27- устанавливают RS-триггеры 26-i в нулевое состояние. При этом управляемые ключи ЗО-i открыты и все конденсаторы Q подключены параллельно варикапам управляемого генератора. Значение начальной частоты fym управляемого генератора определяется следующим известным выражением:

fym

гп VT

Св

15

vTT +cA+2 Ci

где L- индуктивность LC-контура управляемого генератора;

Св - изменяемая емкость варикапов; Сд-дополнительная емкость (см. фиг. 3);

UK-контактная разность потенциалов р - п области варикапа.

Значение начальной частоты fyrH управляемого генератора выбирается таким, что- бы минимальное значение Тугмин диапазона изменения выходной частоты измерителя было равно

fymnH fym(1 + К)

где к 0,1 - 0,2 - коэффициент запаса, не- обходимый для преодоления температурной нестабильности варикапов.

При увеличении выходного напряжения Уинт интегратора 14 управляющее напряжение U генератора 17, поступающее с выхода сумматора U Uo + UHHT, вызывает изменение частоты fyr управляемого генератора 17 в соответствии с выражением

1

2л VT

U

vmu + UWTJUT + Сд + ,Cl

Графически это изменение fyr будет происходить по кривой 1 (фиг. 2), соответствующей начальному (нулевому) частотному

поддиапазону управляемого генератора 17. При достижении управляющим напряжением U значения Ui1 (фиг. 2), поступающего через ключ 28-i на опорный вход компаратора 25-i, последний сработает,

триггер 26-i установится в состояние логической 1, закроет ключ ЗО-i, отключая конденсатор Ci от входа генератора 17 и устанавливая новое значение Ui порогового напряжения, поступающего через ключ 29-i

на опорный вход компаратора 25-i.

Отключение конденсатора Ci при значении управляющего напряжения U Ui на входе генератора 17 приводит к скачкообразному изменению частоты последнего на значение

v -1

2яУГ

Св

+ S с,

UKi i

Таким образом, осуществляется перескок частоты управляемого генератора 17 на кривую 1 (фиг. 2), соответствующую первому частотному поддиапазону. Теперь изменение частоты fyr при изменении управляемого напряжения U будет идти по кривой 2, пока при значении U Ux не будет достигнут установившийся режим работы измерителя.

Если теперь произойдет изменениескорости звука в исследуемой среде на значение Сх1, которому будет соответствовать значение fyrx1 частоты управляемого генератора 17, то частота fyr первоначально снизится по кривой 2 (фиг. 2) до значения, соответствующего U Uo, при котором сработает компаратор 24 и через триггер 26-i и ключ 30-1 вновь подключит к входу генератора 17 конденсатор Ci. Тем самым осуществится перескок работы генератора 17 на кривую 1 (фиг. 2) и переключение его частотных поддиапазонов. Далее изменение частоты fyr будет идти по кривой 1 (фиг. 2), пока не будет достигнут установившийся режим работы измерителя при fyr fyrx .

Таким образом, предлагаемый измеритель позволяет измерять скорость звука в различных жидкостях в широких диапазонах ее измерения с высокой точностью. Так, при использовании прототипа (имеющего диапазон измерения скорости звука от 1400 до 1600 м/с и абсолютную погрешность

±0,13 м/с) для измерения скорости звука в различных жидкостях в диапазоне от 920 до 1923 м/с погрешность измерения возрастает до ± 0,3 м/с в то время, как пред- лагаемая схема поддиапазонного измерителя позволяет сохранить ее равной ±0,13 м/с.

Формула изобретения

Измеритель скорости звука по авт. св. № 1610308, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых скоростей, он снабжен третьим компаратором, вход которого подключен к выходу

второго сумматора, и цепями, каждая из которых состоит из двух источников напряжений, последовательно соединенных первого ключа, компаратора, сигнальный вход которого связан с выходом второго сумматора, и

RS-триггера, второго ключа, конденсатора, включенного между выходом второго ключа и вторым входом управляемого генератора, третий вход которого объединен с сигнальным входом второго ключа, третьего ключа,

выход которого соединен с опорным входом компаратора, и инвертора, выход которого подключен к R-входу RS-триггера, инверсным выходом связанного с управляющими входами второго и третьего ключей, прямой

выход RS-триггера подключен к управляющему входу первого ключа, источники напряжений соединены соответственно с сигнальными входами первого и третьего ключей, вход инвертора первой из цепей

подключен к выходу третьего компаратора, а вход инвертора каждой последующей цепи связан с выходом компаратора предыдущей цепи.

.

л f

Uo Vl V i{ l/x

v,y с/,

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения скорости звука в жидких средах. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых скоростей. 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. Новым является введение поддиапазонов, в каждом из которых сохраняется высокая точность измерения. 3 ил.

иг.