Цифровой измеритель скорости и коэффициента поглощения ультразвука Советский патент 1975 года по МПК G01N29/00 

(54) ЦИФГЮВОЙ ИЗЛ ЕгРИТЕЛЬ СКОРОСТИ

И КОЭФФМИИВНТЛ ПОГЛОЩЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА

1

Изобретение относится к технике исследований физико-химических свойств жидкостей и газов с помощью ультразвуковых волн и может найти применение в научных лабораториях и промышленности.

Известны измерители скорости и коэффициента. затухания ультразвука, содержащие генератор высокой частоты, измерительную камеру с излучателем и перемещаемым приемником ультразвука, усилитель радиоимпульсов с типовым детектором, схему дифференцирования, программный счетчик импульсов и датчик импульсов перемещения.

Однако известные устройства имеют ма лую производительность из-за отсутствия непосредственного отсчета результатов измерений.

Целью изобретения является повышение производительности устройства.

Указанная цель достигается за счет того, что устройство снабжено схемой формирования радиоимпульсов, цифровым частотомером с предварительным выбором, дополнительным пиковым детектором, блоком

автоматическо регу-лировки пмпллтуды. буферным усилителем, дифференципльпым логарифмическим усилителем, амплитудным дискриминатором с источником опорного напряжения и быстродействующим цифровым вольтметром, измерительный вход которого через дифференциальный логарифмический усилитель соединен с выходом пикового детектора, который соединен с амплитудным дискриминатором и управляющим входом блока автоматической регулировки амплитуды, усилитель радиоимпульсов через буферный усилитель, дополнительный пиковый детектор и схему дифференцирования подключен к управляющему входу цифрового частотомера с предварительным выбором, измерительный вход последнего соединен с датчиком импульсов перемещения, который через программный счетчик подключен к запускающему входу цифрового вольтметра, генератор высокой частоты через схему формирования радиоимпульсов соединен с излучателем ультразвука и через блок автоматической регулировки амплитуды с входом дополнительного пикового детектора.

источник опорного напряжения соединен со вторым входом дифференциального логариф мического усилителя и управляющим входом амплитудного дискриминатора, а выход последнего подключен к управляющему входу программного счетчика.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжения в отдельных элементах устройства.

Устройство содержит: 1 - генератор высокой частоты, 2 -. схему формирования радиоимпульсов, 3 - измерительную камеру, 4 - излучатель, 5 - перемещаемый приемник ультразвука, 6 - усилитель радиоимпульсов, 7 - пиковый детектор, 8 буферный усилитель, 9 - дополнительный пиковый детектор, 10 - схему дифференцирования, 11 - датчик импульсов перемещения приемника, 12 - частотомер с пред верительным выбором, 13 - дифференциальный логарифмический усилитель, 14 быстродействующий цифровой вольтметр, 15 - программный счетчик, 16 - амплитудный дискриминатор, 17 - регулируемый источник опорного напряжения, 18 - блок автоматической регулировки амппитуаы,

Устройство работает следующим образом.

Генератор высокой частоты (ВИ) 1 дает синусоидальное напряжение, из которого схема 2 формирует короткие радиоимпульсы, возбуждающие излучатель ультразвука 4. Он посылает ультразвуковые волны в исследуемую среду, помещенную в измерительную камеру 3, которые принимаются приемником звука 5, преобразуются в электрические импульсы и поступают на вход усилителя 6, с выхода которого для измерения скорости ультразвука, принятый сигнал поступает на вход буферного усилителя 8, а затем на дополнительный пиковый детектор 9, на входе которого суммируется с синусоидальным напряжением генератора ВЧ 1, подаваемым через блок автоматического регулирования амплитуды 18. При перемещении приемника в исследуемой среде происходит изменение фазы принятых радиоимпульсов, поэто,му су.м(марный сигнал может быть записан в следующем виде (пренебрегая поглощением в среде и полагая равенство амплитуд обоих сигналов):

Uc--UoSintOot UoSiuLcOo(,t+|-)H (i)

После преобразования получаем

5rt

Jl . . V/ л

UoCoS - Sin CoOgt -;)

(2)

и - амплитуда сигнала;

о

СО

- угловая частота сигнала;

о L

- перемещение .приемника;

С, Л - скорость и длина волны ультразвука;

- фазовый сдвиг, не зависящий о длины акустического пути.

Из выражения (1) следует, что амплитуда суммарного сигнала будет периодически принимать нулевое значение при перемещении пьезоприемника на расстояние, равное длине звуковой волны.

Для выделения перемещенной составляющей суммарный сигнал посредством пикового детектора 9 преобразуется в пульсирующее напряжение и подается в схему дифференцирования 1О. Она фиксирует интерференционные экстремумы и выдает короткие импульсы напряжения, соответствующие минимумам пульсации, соответствующие числу волн ультразвука, которые поступают на управляющий вход цифрового частотомера с предварительным выбором 12 и запускают его. Одновременно с поступлением первого импульса частотомер 12 начинает подсчитывать импульсь перемещения приемника звука 5, формируемые датчиком 11. Накопив заданное число экстремальных импульсов, частотомер 12 запирается и на цифровом табло фиксирует численное значение скорости ультразвука, равное числу подсчитанных импульсов перемещения. Частота ультразвука и число волн выбираются на основе выражения

(3)

(мкм) - цена импульсов меток перемещения;

tt - их число; I (МГу) - частота ультразвука;

N - число волн. При выполнении условия

f . го

- - г 10

N

где р 0,1, 2, 3, цифровой индикатор будет показывать значение скорости звука в см/с. Для измерения поглощения принятые и усиленные импульсы с выхода усилителя 6 подаются на пиковый детектор 7, преобразуются им в постоянное напряжение и поступают на один вход дифференциального логарифмического усилителя 13, параллельно которому включен амплитудный дискриминатор 16. Когда амплитуда U напряжения на его входе становится равной опорному напряжению J- регулируемого источника 17, дискриминатор выдает коро кий импульс, запускающий программный, счетчик 15. Последний начинает подсчет импульсов перемещения приемника, поступающих с датчика 11. То же опорное напряжение подается на второй вход дифференциального логарифмического усилителя 13, на выходе которого появляется разностное напряжение, пропорциональное логарифму отнощения амплитуды принятого сигнала с опорным напряжением. Счетчик 15, сосчитав заданное количество импульсов перемещения, запирается и выдает им пульс, запускающий быстродействующий :цифровой вольтметр 14. Последний замеряет мгновенное значение напряжения на выходе дифференциального усилителя 13, которое равно цифровому значению измеряемого коэффициента поглощения ультразвука в исследуемой среде. Поскольку напряжение на выходе дифференциального логарифмического усилителя 13 равно и ktn7r ) iUQ где и - текущее значение напряжения на выходе пикового детектора 7, R - коэффициент пропорциональности, и в момент запуска цифрового вольтметра напряжение и„, а также имеет амплитуду тывая, что и, следовательно. U, выражение для амплитудного коэффициент поглощения ультразвука в среде будет иметь вид г-( Гп|-- 2аЬ Гнеп/.Л ta-Ц L ® где и., и и - амплитуды принятого . сигнала на расстояниях -i о о ответственно. Из (6) с учетом (5) итого, что JT)-E, следует где fn - заданное число импульсов перемещения приемника звука. Очевидно, что выбрав k 10 , где ({ О, 1, 2, 3, яа -индикаторе ця ового вольтметра можно получить абсолютное цифровое значение коэффициента поглоще-т ния в неп/см. При измерениях в сильнопоглощающих средах, например в газах, амплитуда принятого сигнала значительно меняется с расстоянием от излучателя. Это затрудняет измерение скорости ультразвука. Для устранения этого явления служит схема автоматической регулировки амплитуды напряжения ВЧ, подаваемого с генератора 1 на вход пикового детектора 9, На управляк щий вход схемы подается напряжение обратной связи с выхода детектора 7 таким образом, чтобы амплитуда напряжения ВЧ всегда была бы близка к амплитуде принятого сигнала. На фиг. 2 изображены эпюры напряжений в отдельных элементах устройства. На фиг. 2 а показано пульсирующее напряжение на выходе дополнительного пикового детектора 9, на фиг. 2 б - импульсы на выходе схемы дифференцирования 1О, на фиг. 2 вимпульсы перемещения на выходе датчика 11, на фиг. 2 г - импульсы перемещения, л, подсчитанные частотомером 12, на фиг. 2 д - напряжение на выходе пикового детектора 7, на фиг. 2 с - импульсы, сформированные программным счетчиком 15, на фиг. 2 ж - напряжение на выходе дифференциального логарифмического усилителя 13. Предмет изобретения Цифровой измеритель скорости и фициента поглощения ультразвука, содержащий генератор высокой частоты, измери- тельную камеру с излучателем и перемещаемым приемником ультразвука, усилитель радиоимпульсов с пиковым детекто- ром, схему дифференцирования, программный счетчик импульсов и датчик импуль-. сов перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, он снабжен схемой формирования радиоимпульсов, цифровым частотомером с

предварительным выбором, дополнительным пиковым детектором, блоком автоматиче,ской регулировки амплитуды, буферным усилителем, дифференциальным логарифмическим усилителем, амплитудным дискриминатором (пороговым устройством) с источником опорного напряжения и быстродействующим цифровым вольтметром, измерительный вход которого через дифференциальный логарифмический усилитель соединен с выходом пикового детектора, который соединен с амплитудным дискриминатором и управляющим входом блока автоматической регулировки амплитуды, усилитель радиоимпульсов через буферный усилитель, дополнительный пиковый детектор и схему дифференцирования подключен

8

к управляющему входу цифрового частотомера с предварительным выбором, измерительный вход последнего соединен с датчиком импульсов перемещения, который через программный счетчик подключен к запускающему входу цифрового вольтметра, генератор высокой частоты через схему формирования радиоимпульсов соединен с излучателем ультразвука и через блок автоматической регулировки амплитуды с входом дополнительного пикового детектора, источник опорного напряжения соединен со вторым входом дифференциального логарифмического усилителя и управляющим входом амплитудного дискриминатора, а выход последнего подключен к управляющему входу программного счетчика.

kkk

6

inHlllllllMIIIHIIlNIIIIIIIII