Измеритель скорости звука Советский патент 1993 года по МПК G01H5/00 

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

Известен измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные генератор, делитель, триггер, возбудитель, приемопередающий электроакустический преобразователь, усилитель, пороговый детектор первый и второй фазовые детекторы и коммутатор, переключатель селекторный, логический блок, вентильный пиковый детектор и второй усилитель-компаратор, измеритель амплитуды, индикатор.

Принцип работы такого измерителя состоит в сравнении временного интервала

зондирования исследуемой среды с временным интервалом следования семи счетных импульсов генератора. Сравнение осуществляют первый и второй фазовые детекторы, которые через компаратор подают управляющее напряжение на генератор, изменяя его частоту так, чтобы временной интервал следования его семи импульсов совпадал со временем акустического зондирования. При этом частота свободных колебаний генератора пропорциональна скорости звука в .среде, -......, ..,......... .-. -,..-,.- ;...- ,.

Известен измеритель скорости звука, содержащий последователь.но соединенные: дискриминатор длительности ймпуль- сйв, интегратор, управляемый на частоте генератор импульсов , делитель и распредеVJ

О

CN

о

00

лмтель импульсов, формирователь возбуж, Даю щих им пул ьсо в,- вход кото р о го п од кл ю- чён к первому выходу распределителя импульсов, подключенный к выходу формирователя возбуждающих импульсов, при- 5 ёмопередающий пьезоэлектрический преобразователь с отражателем, компаратор, первый вход которого подключён к выходу пьезоэлектрического преобразователя, второй вход компаратора предназ- 10 начен для подключения ;к источнику постоянногонапряжения, ключ, первый вход которого подключен к выходу компаратора, формирователь корректирующих импульсов, первый вход которого подключен к 15 выходу ключа, первый выход формйровэте- ля корректирующих импульсов соединен с

первымвходом дискриминатора длительности импульсов, подключенного вторым входом к выходу ждущего мультивибратора, вход которого соединен с выходом первого элемента ИЛ И, входы которого подключены ; соответственно к третьему и пятому выходам .;

распределителя импульсов, входы второго . элемента 1/1Л И подключены соответственно 25 к.четвертому и Шестому выходам распределителя импульсов, первый и второй входы первого триггера соединены соответствемносо вторым и первым выходами распределителя импульсов, выход первого триггера 30 подключён ко второму входу ключа, первые входы второго и третьего триггеров подключены к выходу второго элемента ИЛИ, вторые входы второго и.третьего триггеров подключены ко второму выходу формирова- 35 теля корректирующих импульсов, rpefnu :вх од второго триггера подключен к первому выходу распределителя :импульсов, выход второго триггера соединен со входом установки О распределителя импульсов, тре- -40.

: тий вход третьего триггера предназначен для подключения к источнику пмтанил, вы- . ход третьего триггера соединён со вторым входом формирователя корректирующих . импульсов.. ,, , . 45

1 более близким к заявляемому уст- рбйству по технической сущности является : измеритель серости развука в жидко-1 V сти, содержащий последовательно электро- :

.акустически соединенные генератор 50 возбуждающих импульсов, приемопередающий акустический преобразователь, ограничитель импульсов, у силитёль, компаратор, RS-триггер, О триггер, коммутатор, интегратор, управляемый генератор, фор- 55 мироватёль, делитель 4a ctOTbi и распределитель импульсов, первым выходом подключенный ко входу генератора возбуждающих импульсов и стробирующему второму входу компаратора, выход

RS-триггера, соединенный с 0-входом D- триггера, также подключен к второму входу коммутатора, С-вход D-триггера подсоединен ко второму выходу расНределителя, выход m которого подключен к R-входу RS-триггера, выход управляемого генератора через кабельный усилитель подключен ко вторичному измерительному преобразова- телю, включающему регистратор.

Недостатком известного измерителя является низкая точность обусловленная наличием зоны нечувствительности у дискриминатора; и паразитного времени задержки информативного сигнала в электрических цепях и акустических конструктивных элементах.

Цель изобретения - повышение точности измерения посредством компенсации паразитного времени задержки информативного сигнала в приемном тракте измерй-. телч:.. --:;-...-. - v .- .- -;;:; ; :-, .- : - -V.

Поставленная цель достигается тем, что иймеритепь скорости звука, содержащий последователь ю. злёктроакустичест соединенные генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с отражателем, ограничитель импульсов и компаратор, последовательно соединенные D-триггёра, подк/иоченный прямым и инверсным выходом к 3-й R-входамсоответственно управляемого Й$-триггера, интегратор. управляемый генератор, делитель частотц, объединенный входом с входом регистратора, и распределитель импульсов, подключенный первым выходов ко входу генератора возбуждающих импульсов, вве- Дены.источниктака, первый, второй конденсаторы, четыре управляемых ключа, RS-триггер, второй компаратор, повторитель и второй распределитель импульсов, подключенный С-входом к выходу первого компаратора, выход источника трка соединен с объединенными информационными X- входами первого, второго управляемых ключей, управляющие Y-вхрды которых подключены соответственно к первому выходу второго распределителя импульсов и прямому выходу RS-триггера, соединенного S-входомсо вто|5ым выходом первого рас- предепителя импульсов, третий выход которого подключен к управляющеИу входу упранляемого RS-трйггера, четвертый выход первого распределителя импульсов подключен ко второму входу второго распределителя, объединенному с управляющими входами третьего, четвертого ключей, выходы которых заземлены, выход первого ключа соединен с первым конденсатором и объединёнными информационным входом третьего ключам входом повторителя, соединенного выходом со входом второго компаратора, выход второго ключа соединен со вторым конденсатором и объединенными информационным входом четвертого клича и вторым входом второго койпаратора выход которого подключен и объединенным С-входу О-триггера и R-входу второго RS- триггёра, второй выход второго раепреде- лителя подключен к D-входу-р-триггера, вторые выводы первого, второго конденса- торов заземлены; ;.:. .-v -г- ./- ;.. л у: Достижение поставленной цели связано с преобразованием в напряжение времен кого интервала, равного паразитному времени задержки информативного сигнала, и последующим воспроизведением его

временного интервала по окончании удвр енной длительности выходных импульсов распределителя. : . ;. . ,., ::: ;:

...- -, Совокупность существенных признакоЁ отл ичитель но й части формулы изобретения предлагаемого измерителя в уровне техники не обнаружена и проявляет новые свойства, что позволяет сделать вывод о, еущественностги отличий заявляемого измерителя. : : . ..;,.. - ... :. ..- : . -: :

: : На фйг.1 изображена блок-схема заявляемого устройства; на фдг.2 - временные диаграммы, поясняющие ее работу. : : Измеритель скорости звука, ма которого приведена на фиг. 1 содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 возбуждающих им- . пульсоа, акустический преобразователь 2 с протектором 3 и отражателем 4, ограничитель 5 импульсов и компаратор в, последовательно соединенные D-триггер 7, подключенный прямым и инверсным выходами к S- и R-входам соответственно управ- .ляемого RS Tpwrrepa 8, интегратор; 9,. управляемый генератор 10, делитель 1Т частоты, объединенный входом со входом регистратора 12, и распределитель 13 импульсов, подключенный первым.выходом .ко входу генератора 1 .выход компаратора б соединен с С-входом второго распределителя 14 импульсов, выход источника 15 тока соединен с объединенными информационными Х-входами управляемых ключей 16, 1.7, управляющие Y-входы которых подключены сботвётстйенно к первому выходу распределителя 14 и прямому выходу RS-триггера 18, соединенного S-входом со вторым выходом распределителя 13, третий выход которого подключен к управляющему входу управляемого RS-триггера 8, четвертый выход распределителя 1.3 подключен к R-входу распределителя 14. объединенного с управляющими Y-входаМи управляемых: ключей 19, 20, выходы которых заземлены,

выход ключа 16 соединен р.конденсатором 21 и объединенными информацирнным X- : входом ключа 19; и входом потворителя 22, фединённбго выходом сЬ ходЙмв эрого 5 компаратор 23, выход ключа 17 соединен с конденсатором 4 и объединенными информационным Х-входом ключа 20 и вторым входом компаратора 23, выход которого подключён к объединенным R-входу RS- 10 триггера 18 и С-входу D-трИггера. D-вход которого соединен со вторым выходом распределителя 14, вторые выводы конденса- :торов21, 24 заземлены.;:; ;

Электрические схемы генератора 1 воз- 15 буждэющйх импульсов, ограничителя 5 им- пульсбв, интегратора 9, управляемого генератора 10, а также конструкция акусти-: ческого преобразователя 2 приведены в книге А.Ш.Киясбейли, А,М.Измайлова, 0 В.М.Гуревича частотно-временныё ультразвуковые расходомеры и счетчики. - М.: : Машиностроение, 1984, с.75-88. . , : . -. Делитель частоты 11 выполнен на мик- ;-.; :. росхемё 564ИЕ10,. распределители 13, 14 импульсов -на микросхемах 56ИЕ9. Регистратором 12 служит частотомер, например, 43-34. Ь-триггер 7, RS-триггер 18 выполне- / ны на микросхеме 564Т2, управляемый RS4TpHrrep 8 - на микросхеме 564ТР2, уп- 0 равляемые ключи 16,17, 19, 20 - на .микро- : схемах 564КТЗ. Источник тока 15 реализован на транзисторе КТ343А, компараторы 6, 23 и повторитель 22 - на микро- схемах 140УД6.,:. : . 5 Измеритель скорости звука работает следующим образом. . ::

Частота f следования импульсов на выходе управляемого генератора 11 посредством делителя 11 уменьшается в fc раз и . Q поступает на вход распределителя 13, им-, пульсы на выходах микросхемы которого Представлены на диаграммах 25-29, фиг.2. - .По переднему фронту импульса (25, фиг.2) первого выхода распределителя 13 5 генератор 1 формирует импульс 30, возбуждающий акустический, преобразователь. 2,- который начинает излучать акустические.колебания. На выходе ограничителя.5 возбуждающий импульс преобразуется в импульс 0 31-t фиг.2. Распросраияясь в толще протектора 3, акустические колебания частично : проходят в исследуемую среду, а частично . отражаются от границы протектор 3 - сре- да, вследствие различия их акустических 5 импедансов, и возвращаются обратно по толще протектора 3 к акустическому преобразователю 2. На выходе ограничителя 5 при этом формируется протекторный приемный импульс 31-2, фиг,2. Распространяясь в исследуемой среде, акустические

; колебания дрстига|рт отражатель 4, отражаются от его поверхности и возвращаются к акустическому преобразователю 2, где прё- образуютЬя -в электрический импульс ий;фЬ М|| т. й д р;; 7 пр К.б МНо. гЬ...; сигнала, которому соответствует импульс 31 -3, фиг.2 на выходе бгрэкичителя 5. С .выхода компаратора б, нормирующего, приемные сигналы по фо рме;й амплитуде, импульсы (32, фи;г.2)

: п6сту:па% .на:С-вход распределителя 14, импульсы навыхрдзх. микросхемы которого изображены на диаграммах 33-35, .2.- :;:

д бременно интервал передними

франта ми им пул ь сов 3 3 и 3 5 п редставл яёт собой, время. Тзонд зонд зондирования исследуемой среды акустическими колебания- :ми. Время зондирования складывается из информативной составляющей ti,,c прохождения, .акустическими колебаниями рас- . Стояния 2L .в исследуемой среде: и паразитного времени тНа задержки информативного сигнала с конструктивных элемен.т ах акустического преобразователя 2, :протектора 3. и электронных блоках измерителя:; зонд + tns, п рич.ем Тпз - 71 + Т2 Ч-тз + Т4 +.Г5 +Гб + Т1/1 где Гг- временная задержка 1-го блока измерителя, йномер блока по: фиг. 1. Временной интервал между передними фронтами импульсовЗЗ и 34 представляет собой время Трз.- . - . ..- . -. - : :... . .- .-. .Л.

Источник 15 тока, ключи 16, 19, повторитель 22 и конденсатор 21 образуют преобразователь время .Тпз -напряжение. В течение длительности импульса 33, поступающего на управляющий V-ьход ключа 16, ток-оУисточника 15 через ключ 16 заряжает конденсатор 21 до некоторого значения Vt напряжения (36, фиг.2), подаваемого через .повторитель 22 на первый вход компарато- .ра 23, ...-У,--.:,. .... . ...- . -.; . :.;-; ; -/ . ГТо истечении Двух длительностей (2три) выходных импуйьсов распределителя 13 по переднему фронту импульса 27, фиг,2; поступающего на S-вход триггера 18, последний установится в состояние лог, О, Через ключ 17, управляемый импульсов 27, фиг.2, поступающим с выхода триггера 18, конденсатор 2.4 заряжается от источника тока 15 (39, фиг.2). Когда напряжение U2 на. обклад- ках конденсатора 24 достигнет значения Ui, накопленного конденсатором 21, сработает компаратор 23 (38, фиг.2}. Триггер 18 сбросится в состояние лог. О, заряд конденсатора 24прекратится.

.. : ..

б-три ггер 7 анализирует временное

взаиморасположение передних фронтов

импульсов (35 и 38, фиг,2), поступающих на его входы, .. .- : .:: - . :- . - Л .;- .

Если передний фронт импульса 35, поступающего на Р-ВХ.ОД триггера 7, опережа5 ет передний фронт иМпульса 38 (как показано на фиг;2) на его С-входе, р-триггер 7 устанавливается в состояние яог 1. При этом RS-триггёр: .8, управляемый по Е-входу импульсом 2.8, фиг.2, на интегратор

0 9 поступает уровень лог. 1, выходное на пряже ние п осл ед н е го (40, фиг. 2) во з раета . ет, что вызыбает увеличение частоты f следования имггульсо.в на выходе управляемого; генератора 10 и уменьше5 ние длительностиТри выходных импульсов распределителя13, в результате чего передние импульсы 35 и 38 (фиг.2) будут сблм; жаться; -- .:; :;. .;....:;,;,,:/ .:::;;. .,,,; : .. Если передний фронт импульса 35 будет

0 Отставать от переднего фронта импульса 38,

D-трйггер 7 будет находиться, в состоянии

О. На выходе триггера 8 будет также .

; сутствовать сигнал лог, О. Выходное нз.пряжение интегратора 19 будет

5 уменьщаться, что вызовет уменьшение частоты f импульсов на выходе генератора 10 и

:. увеличение длительности три выхр;цных импульсов распределителя 13, вследствие.че го .передние фронты импульсов 38 и 35 сбли0 ЗЯТСЯ.ч4: .;....-: .. , -V . :., :. - ,v;. .;. :

В установившемся, режиме работы измерителя передние фронты анализируемых: импульсов 35 и 38 совпадут, что будет свидетельствовать об уравновешивании вре- 5 менных интервалов :Гзонд и т/рп, где т0д - .. . 2 Гри + Гпз -. опорный р временной интервал-. Учитывая,; что. -Тз онд. 2% -f Тпз, получаем, что в установившемся режиме со. блюдаётся условие :::

0 ...-. :.. . - . :. ,.: v .. - .;.

2 fpn- 2 Тис .,.......

причем: гри j. и Тис |г, следовательно,

f кс: ;. .

Т .. ™ , - .-.-. где К - коэффициент деления частоты делителем 11; . ; . -..

С-измеряемая скорости звука в исследуемой среде;

L - расстояние между протектором и отражателем (фиг. 1) измерителя.

При численном равенстве значений К и L, значение частоты f, фиксируемое регистратором 12, численно равно скорости звука в исследуемой среде.

Формула изобретения

Измеритель скорости звука, содержащий последовательно электроакустически соединенные управляемый RS-триггер, интегратор, управляемый генератор, делитель частоты, первый распределитель импульсов, генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с отражателем, ограничитель импульсов и первый компаратор: и D-триггер, подключенный прямыми инверсным выходами к (S-и R-вхо- дзм соответственно управляемого KS-триг- гера, о т л и ч а ю щи и с я тем. что, с целью повышения точности, он снабжен источником тока, первым и вторым конденсаторами равной емкости, четырьмя управляемыми ключами, RS-триггером, вторым компаратором, повторителем и вторым распределителем импульсов, подключенным Овхрдом к выходу первого компаратора, выход источника тока соединен с объединенными информативными Х-входами первого, второго управляемых ключей, управляющие V-вхо- ды которых подключены соответственно к

первому выходу второго распределителя импульсов и прямому выходу RS-триггера, соединенного S-входом с вторым выходом первого распределителя импульсов, третий выход которого подключен к управляющему входу управляемого RS-триггера, четвертый, выход первого распределителя импульсов подключен к R-входу второго распределителя импульсов, объединенному с управляющими входами третьего и четвертого ключей, выходы которых предназначены для заземления, выход первого ключа соединен с первым конденсатором, информативным входом третьего ключа и входом повторителя, соединенного выходом с первым входом второго компаратора, выход второго ключа соединен с вторым конденсатором, информативным входом четвертого ключа и вторым входом второго компаратора, выход которого подключен к С-входу D- триггера и R-входу RS-триггера, второй выход второго распределителя импульсов подключен к D-входу D-триггера, а вторые выводы первого и второго конденсаторов предназначены для заземления.

Фиг, 2

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано в гидрофизических исследованиях океана. Целью изобретения является повышение точности измерений. Принцип работы измерителя основан на следящем уравновешивании длительности времени зондирования акустическими колебаниями исследуемой среды длительностью опорного временного интервала. С помощью лротекторного приемного сигнала в измерителе формируется временной интервал, равный паразитному времени задержки информативного сигнала. Указанный временной интервал преобразуется в напряжение, из которого воспроизводится по окончании удвоенной длительности выходных импульсов распределитель, формируя тем самым опорный временной интервал. Это позволяет компенсировать паразитное время задержки информативного сигнала, являющееся составляющей времени зондирования акустическими колебаниями исследуемой среды. 2 ил..,-....,. ; со С