Способ определения скорости ультразвука и устройство для его осуществления Советский патент 1978 года по МПК G01N29/00 G01H5/00 

(54)

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА - И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ измерения фазы по несущей частоте, состоящий из последовательно соединен ных первого фазового детектора, второ го усилителя первого исполнительного двигателя и первого фозовращателя, пр этом вход первого фазового детектора соединен с выходом первого усилителя, вход первого фазовращателя - с выходом модулятора, а выход первого фазовращателя - со вторым входом первого фазового детектора контур измерения фазы по модулирующей частоте, состоящий из последовательно соединенных второго амплитудного детектора, второго фазового детектора, третьего усилителя, второго исполнительного двигателя и второго фазовращателя, при этом вход второго фазовращателя соединен с выходом модулятора через первый амплитудный детектор, вход второго амплитудного детектора подклю чен к выходу первого усилителя, а выход второго фазовращателя соединен со вторым -входом второго фазового детектора 4 . Недостатком известного способа и устройства является вносимая вследствие изменения реверберационной картины нестабильность акустического поля в измерительном акустическом преобразователе, приводящая к значительным погрешностям и снижению точности измерений. Цель изобретения - повышение точности измерений. Для этого по предлагаемому способу несущую и модулирующую частоты амплитудно-модулированного сигнала одновре менно пропорционально изменяют до нулевой разности фаз по модулирукмцей частоте, фиксируют фазовый сдвиг по несущей частоте, после чего изменяют полученное значение несущей частоты до нулевой разности фаз по несущей частоте и по полученному значению несущей частоты судят о скорости ультразвука. Для реализации предлагаемого спосо ба в устройство для определения скорости ультразвука, содержащее последо вателгно соединенные генератор ультразвуковой частоты, модулятор, измери тельный акустический преобразователь, усилитель и первый фазовый детектор, а также подключенный к выходу модулятора первый амплитудный детектор и подключенные к выходу усилителя после довательно соединенные второй амплиту ный детектор и второй фазовьй детекто введены блок перестройки частоты, под ключенный к входу генератора ультразв ковой частоты, частотомер и делитель частоты, входы которых подключены к выходу генератора ультразвуковой част ты, а выход делителя частоты подключе ко второму входу модулятора, и коммутатор, входы которого подключены к вы - ходам первого и второго фазовых детек торов, а выход - к входу блока перестройки частоты, при этом выход модуля ор.а подключен ко второму входу первого фазового детектора, а выход первого амплитудного детектора подключен ко второму входу второго фазового детектора . Сущность предлагаемого- технического решения заключается в установке в измерительном акустическом преобразователе стабильной карты акустического поля с постоянной длиной ультразвуковой волны путем изменения частоты генерируемых ультразвуковых частот. Установка постоянной длины волны осуществляется в два этапа. Первый этап - изменение несущей и модулирующей частот до установки наперед заданной длины волны модулирующего сигнала. При этом несущая частота принимает значение, при котором фазовый детектор по несущей частоте выходит на требуемый участок .характеристики. Второй этап - изменение несущей частоты до установки наперед заданной длины волны несущей частоты. При выполнении условия постюянства и однозначности длины волны по несущей частоте скорость ультразвука будет прямо пропорциональна частоте ультразвуковых Колебаний. Диапазон изменения частоты генератора ультразвуковых колебаний в-замкнутом контуре определяется, исходя из условий однозначности работы фазового детектора, по формуле где f Hf - максимсшьная и минимальма сMCLItC ная частоты при условии однозначной работы фазового детектора в диапазоне фазовых сдвигов от „акс-110 1инПрежде всего задаются величиной фазового сдвига по модулирующей частоте РМ f при котором сигнал на выходе фазового детектора по модулиру яаей частоте равен нулю. При фиксированной базе измерительного акустического преобразователя I величина фазового сдвига Фи однозначно связана со значением длины волиы модулирующего сигнала А , J А,,2яг. (2) При известном значении У. м по полученному в ходе работы контура значении, частоты модуляции fw можно -приблизительно судить о скорости ультразвука при5л. приУл. Пределы допустимых значений фазоВОГО сдвига fMnanc И ммик / ПрИ КОТОрых в контуре ПО модулирующей частоте однозначно устанавливается значение фазового сдвига f. определяются по характеристике фазового детектора модулирующей частоты. По формуле (1), задаваясь одной из частот лиаксили|-„м„„ рассчитьшают другую частоту. По этим частотам определяют диапазон измеряемых скоростей ультра звука . Поскольку в предлагаемом-способе частоты и фазовые сдвиги связаны отношением к. нес значение несущей частоты величина фазового сдвига по несущей частоте; к - коэффициент пропорционал ности или коэффициент де ления делителя частоты, то задаваясь К, можно по значению фа зового сдвига по модулирующей частот f м определить значение фазового сдвига по несущей частоте Чне, которое неооходимо поддерживать с помощь контура по несущей частоте. Пределы допустимых значений фазового сдвига по несущей частоте нес„д и нее которых должен работать контур, определяются по характеристи ке фазового детектора несущей частот Целью работы контура по модулирую щей частоте- является получение значе ний модулирующей и несущей частот, при которых фазовый детектор по несу щей частоте выйдет в диапазон фазовы сдвигов отФнес«акс-«° нес „«„ Работа контура по несущей частоте сводится к установке точного значени величины фазового сдвига по несущей частоте нес- При этом на выходе фазового детектора несущей частоты уст новится нулевой сигнал.. Длина волны ультразвуковых колебаний по несущей частоте определяется как иес-2. (6) При известном значении по трлученному в ходе работы конечному значению несущей частоты „ можно точно определить скорость ультразвука в исследуемой среде . При изменении скорости ультразвука С в среде, поддерживая стабильны фазовый сдвиг по несущей частоте/ т. значение Яцеоf по значению изменяюще ся несущей частоты jyej. можно судить о скорости ультразвука С, На чертеже представлено устройств реалнзунмцее предлагаемый способ. Устройство состоит из последовательно соединенных генератора ультразвуковой частоты 1, модулятора 2, измерительного акустического преобразователя 3, усилителя 4 и первого фазового детектора 5, первого амплитудного детектора б, подключенного к выходу модулятора 2, подключенных к выходу усилителя.4 последовательно соединенных второго амплитудного детектора 7 и второго фазового детектора 8, коммутатора 9, входы которого подключены к выходам первого 5 и второго 8 фазовых детекторов, блока перестройки частоты 10, подключенного между выходом коммутатора 9 и генератором 1, делителя частоты 11 и частотомера 12, входы которых подключены к выходу генератора 1, а выход делителя подключен ко второму входу модулятора 2, при этом выход модулятора 2 подключен ко второму входу первого фазового детектора 5, а выход первого амплитудного детектора 6 подключен ко второму входу второго фазового детектора 8. Устройство работает следующим образом. С помощью генератора ультразвуковых колебаний 1, делителя частоты 11 и модулятора 2 формируют амплитудномодулированный сигнал, который поступает на измерительный акустический преобразователь 3 и затем на усилитель 4. Сигнал модулирующей частоты выделяется на амплитудных детекторах 6 и 7 и поступает на второй фазовый детектор 8. Пусть при включении устройства на выходе второго фазового детектора 8будет постоянный сигнал. Коммутатор 9подключает выход второго фазового детектора к входу блока перестройки частоты 10, который, в частности, можех оыть интегральным.или пропорционально-интегральным звеном. При этом начинает работать контур калибровки по модулирующей частоте. Блок перестройки частоты 10 управляет частотой генератора и, следовательно, частотой модулирующего сигнала, получаемого на выходе делителя частоты 11. При достижении- нуля на выходе второго фаэового детектора 8 коммутатор 9 отключает его и подключает к вхсЗду блока перестройки частоты 10 выход первого фазовогсЗ детектора 5. Блок перестройки частоты изменяет частоту генератора 1 до получения нуля на выходе первого фазового детектора 5. При этом значение несущей частоты, измеренное частотомером 12, оудет пропорционально значению скорости ультразвука в веществе. Величина сигнала на выходе фазового детектора 8 изменяется незначительно. Дальнейшие изменения скорости ультразвука в веществе устройство будет отслеживать, изменяя пропорционально несущую и модулирующую частоты, причем будет работать контур по несущей частоте. Если вследствие резких внешних возмущений первый фазовый детектор 5 переходит на другой рабочий участок своей характеристики, то появляется сигнал на выходе второго фазового детектора 8. Коммутатор 9 отключает цепь первого фазового детектора и подсоединяет к выходу блока пе рестройки частоты 10 выход второго фазового детектора 8 и повторяется режим калибровки. Возможно также использование двух самостоятельных контуров по модулирую щей и несущей частотам с раздельными перестраиваемыми генераторами. В этом случае добавляется контур сведения частот, осуществляющий пропорциональное изменение несущей и модулирующей частот. Но, в сущности, такая схема является модификацией делителя частоты 11 . Предлагаемый способ позволяет уст ранить погрешность за счет нестабиль ности реверберационной картины в измерительном акустическом преобразова теле и, следовательно, повысить,точность измерения скорости ультразвука Диапазон измеряемых скоростей в предлагаемом способе не имеет принци ограничений. Формула изобретения 1. Способ определения скорости ультразвука, основанный на возбуждеНИИ в исследуемой среде амплитудномодулированного сигнала, приеме его на фиксированном расстоянии и измерении сдвигов фаз принятого сигнала по Модулируняцей и несущей частотам, о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью (аовмценйя точности измерений, несущую и модулирующую частоты ампяитудно-мо дулированного. сигнала одновременно пропорционально изменяют до нулевой разности фаз по модулирующей частоте/ фиксируют фазовый сдвиг по несущей частоте, после чего изменяют полученное значение несущей частоты до нулевой разности фаз по несущей частоте и по полученному значению несущей частоте судят о скорости ультразвука. 2. Устройство для осуществления способа по П.1, содержащее последовательно соединенные генератор ультразвуковой частоты, модулятор, измерительный акустический преобразователь, усилитель и первый фазовый детектор а также подключенный к выходу модулятора первый амплитудный детектор и подключенныеи выходу усилителя последовательно соединенные второй амплитудный детектор и второй фазовый детектор, отличающееся тем, что в устройство введены блок перестройки частоты, подключенный к входу генератора ультразвуковой частоты, частотомер и делитель частоты, входы которых подключены к выходу генератора ультразвуковой частоты, а выход делителя частоты подключен ко второму входу модулятора, и коммутатор, входы KOTODoro подключены к выходам перого и второго фазовых детекторов, а ыход -. к входу блока перестройки частоты, при этом выход модулятора подключен ко второму входу Ъервого фазового детектора, а выход первого амплитудного детектора подключен ко второму входу второго фазового детек-v тора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.: 1.Авторское свидетельство СССР № 373610, кл. &01N 29/00, 1973. 2.Авторское, свидетельство СССР 437008, кЛ. О 01 N 29/00, 1974. 3.Авторское свидетельство СССР 340958, кл. G- 01 N 29/QO, 1972. 4.Сборник Новая аппаратура и методика ее применения в народном хозяйстве , Красноярск, 1966, ГермаHOJ9 С.К., Шитников Ш.й., Приборы серии УФИ,с. 54.