Измеритель скорости звука Советский патент 1992 года по МПК G01N29/02 

Изобретение относится к измерительной и экспериментальной технике и может быть использовано для прецизионных измерений абсолютной скорости звука и ее малых приращений в жидких средах с большим коэффициентом поглощения звука, например, морской воде или глицерине.

Известны устройства для прецизионных измерений скорости ультразвука, в которых измеряется время пробега ультразвукового зондирующего импульса на мерном отрезе акустической базы с использованием обратимого электроакустического преобразователя и двух отражателей, размещенных на известном расстоянии друг от друга.

Недостатком известного устройства является присущая ему большая погрешность.

обусловленная уходом геометрической длины мерного отрезка акустической базы вследствие изменения температуры и деформации крутизны фронтов импульсов от излучателей.

Наиболее близким по технической сущности является измеритель скорости звука, содержащий корпус, электронный блок, протектор, электроакустический преобразователь, термобарокомпенсационное устройство.

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная hej компенсированной паразитной задержкой в электронном блоке, неучтенность скорости звука в протекторе и отсутствие второго акустического канала.

к М ю ю

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет компенсации температурной деформации крутизны фронтов ультразвуковых импульсов.

Это достигается тем, что известное устройство, содержащее корпус, электронный блок, протектор, электроакустический преобразователь, термобарокомпенсационное устройство, снабжено базовой плитой, закрепленными на ней параллельно одна другой двумя термобарокомпенсационными штангами, основанием, закрепленным одним концом на нижней штанге, двумя разновысокими герметичными опорами, установленными на другом конце основания, двумя электроакустическими преобразователями с протекторами, размещенными в торцах опор таким образом, что протекторы параллельны протектору акустическою преобразователя, установленного в торце корпуса, закрепленного на верхней штанге.

На фиг. 1-3 схематически изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит герметичный корпус 1 с электронным блоком 2. В торце кор- пуса размещен протектор 3, к его внутренней поверхности прилегает излучающий электроакустический преобразователь 4, Проекторы 5 с прилегающими к их внутренней поверхности приемными электроакустическими преобразователями 6 размещены на торцах разновысоких герметичных первой 7 и второй 8 опор, размещенных равноудаленно от оси распространения ультразвуковых импульсов на основании 9. Основание 9 закреплено на первой компенсационной штанге to, параллельной второй компенсационной штаге 11.

Корпус 1 соединен с первой компенсационной штангой Юопорой 12. Обе компенсационные штанги 10 и 11 соединены фиксирующими опорами 13 с базовой плитой 14, На приемные электроакустические преобразователи б напылены наружные 15 и внутренние 16 контакты. Внутренний контакт 16 прилегает к металлическому токо- подводу 17. Герметичные разновысокие опоры 7 и 8 внутри заполнены звукопоглощающим компаундом 18.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Электронный блок 2 времяпролетного измерителя скорости звука генерирует электрический импульс, возбуждающий излучающий электроакустический преобразователь 4, который излучает ультразвуковой зондирующий импульс, проходящий через протектор 3 и исследуемую среду,принимается последовательно приемными электроакустическими преобразователями 6,

пройдя путь 10 + б. При измерении разности времени пробега погрешности, вносимые элементами измерителя, участвующими в приеме ультразвукового зондирующего импульса, компенсируются и не влияют на точность измерений. В электронном блоке 2 происходит обработка информации о времени прохода ультразвуковыми импульсами мерного участка акустической базы le. Так

0 как температура исследуемой среды известна с большой точностью и расстояние между плоскостями протекторов 5 тоже, то по этим данным определяется величина скорости звука в данной исследуемой среде при дан5 ной температуре (давление и концентрация примесей считаются постоянными и определены заранее). Затем цикл измерений повторяется при другой температуре.

Так как для точной работы измерителя

0 необходимо выдерживать постоянство величины мерного участка акустической базы б, ограниченного плоскостями протекторов 5 приемных электроакустических преобразователей 6, необходимо применение ком5 пенсационного устройства, устраняющего дестабилизирующее воздействие на величину мерного участка акустической базы рабочих значений температур и давлений. Например, температурный прирост

0 длины мерного участка акустической базы составил, при диапазоне изменения рабочих температур 35°С - 350 мк, при этом прирост длины базы в 61 мк уже приводит к изменению скорости звука в морской воде

5 на 0,03-0,04 м/с.

Термобарокомпенсатор, представляющий собой разновысокие герметичные опоры 7 и 8, размещенные на общем основании 9, выполненные из материалов с такими

0 ТКЛР и величинами модулей Юнга, что приращения их длин при воздействии температуры и давления одинаковы, относительно плоскости их установки на основании, дают погрешность длины мерного участка акусти5 ческой базы, не превышающей м/с, что обусловлено отклонениями конкретных величин а и Е примененных материалов от паспортных значений. Обычно они не превышают 1-2% паспортной величины.

0 Важное значение для обеспечения заданной точности имеет выполнение условия постоянства крутизны фронтов ультразвуковых импульсов, проходящих на приемные электроакустические преобразователи б,

5 так как изменение температуры исследуемой жидкости вызывает температурную деформацию крутизны их фронтов. Обычно частота заполнения ультразвукового зондирующего импульса неизменна, в этом случае параметром, влияющим на

температурную деформацию фронтов первого или второго полупериодов пакета, которые вызывают появление на приемных электроакустических преобразователях импульсов управляющего счетчиком временных интервалов напряжения - температурный коэффициент поглощения ультразвука, ($ особенно для жидкостей, коэффициент поглощения ультразвука в которых велик. Поэтому даже небольшое изменение коэффициента затухания ультразвука при изменении температуры приводит к недопустимо большому падению величины амплитуды ультразвукового зондирующего импульса на приемных электроакустических преобразователях.

Для практических целей зависимость величины коэффициента затухания от температуры, например, в морской воде, принимается в виде уравнения прямой, Для температурного интервала 0-40°С,приняв, приближенно, линейную зависимость величины от температуры для морской воды, где при 0°С /30 с2/см; при 40°С - 20 с2/см, определим в виде /2 kt + В: /3 -1,25t + 70.

Учитывая, что в известном уравнении

а а е 2Р неизменность значения величины «х определяется из условия 2 / const, где/So при 0°С, на исходном расстоянии 10 отражателя от излучателя определяет величину константы - °„ ° const.

А

тогда в общем виде I морской воды: lo

2( k t + В )

, а для

AJЈ

-1.

2(- 1,25 t +70) В этом случае необходимо приращение длины пробега ультразвукового зондирующего импульса АI I - 0 -

i

- °1 2 ( k t + В f

Для конкретного материала компенсатора необходимое температурное прираще- ние его длины определяется из зависимости:

А1Темп трАго: т,

тогда, из условия равенства приращений длин

А1темп А I 1Т А -а т-- 1 г , А

01 2 ( k t + В )

lo

откуда 1т --

1.

Jo

11

1 2(kt + ey IJ

At «т где IT - длина компенсатора, м;

10 - величина пробега ультразвукового зондирующего импульса в исследуемой среде, м;

ft о коэффициент затухания ультразвука при минимальной температуре исследований, с2/см;

k - коэффициент линейной зависимости температуры;

В - свободный член линейной зависимости / от температуры;

At - диапазон температурных исследований, °С;

GT - ТКЛР материала компенсатора, 1/град.

Например для морской воды

1т

мор

lo

А

2(-1.25t +70)

-1

At Ол

.м;

где /3 о 70-10 17 с2/см; 1макс. 40°Д t т.макс.- tM™ 40 - 0 40°С,

откуда

, мор:

1,875-10 2 1

м.

25

30

43

40

45

50

55

Например, при 10 10 мм длина IT компенсатора, выполненного из фторопласта - 4, у которого ат 28,2 1/град: 1Т 66,5 см; если компенсатор выполнен из полиэтилена высокого давления с ат 50 10 1/град, то при 10 10 мм, т 37,5 см.

Для жидкостей с большим коэффициентом затухания длина компенсатора на порядок и более меньше, чем для морской воды.

Использование предлагаемого изобретения позволит с высокой чувствительностью измерять абсолютную скорость 3By:i и малые ее приращения в различных жидкостях, без существенного усложнения конструкции и увеличения габаритных размеров измерителя скорости звука.

Формула изобретения

Измеритель скорости звука, содержащий корпус, электронный блок, протектор, электроакустический преобразователь, термобароком- пенсационное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет компенсаций температурной деформации фронтов ультразвуковых импульсов, он снабжен базовой плитой, закрепленными на ней параллельно одна другой двумя термобарокомпенса- ционными штангами, основанием, закрепленным одним концом на нижней штанге, двумя разновысокими герметичными опорами, установленными на другом конце основания, двумя электроакустическими преобразователями с протекторами, размещенными в торцах опор так, что протекторы параллельны протектору акустического преобразователя, установленного в торце корпуса, закрепленного на верхней штанге.

/ « 3 4 66

Изобретение относится к измерительной и экспериментальной технике и может быть использовано для измерения абсолютной скорости звука и ее малых приращений в жидких средах с большим коэффициентом поглощения звука, например морской воде или глицерине. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет компенсации температурной деформации крутизны фронтов ультразвуковых импульсов. Это достигается за счет конструкции измерителя скорости звука, содержащего корпус, электронный блок, протектор, электроакустический преобразователь, термоба- рокомпенсационное устройство, базовую плиту с закрепленными на ней параллельно одна другой двумя термобарокомпенсацион- ными штангами, основание, закрепленное одним концом на нижней штанге, две разновысокие герметичные опоры, установленные на другом конце основания, два электрозку стических преобразователя с протекторами размещенными в торцах опор таким образен, что протекторы параллельны протектору s стического преобразователя, ус новлен в торце корпуса, закрепленного на верхней штанге. 3 ил. |СЛ

&U2.J

te.2

(DU8.3