Автоциркуляционный измеритель скорости ультразвука Советский патент 1979 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к ультразвуковой технике и может найти применение при разработке акустической контрольно-измерительной аппаратуры для контроля параметров сред. Известно измерительное устройство построенное на автоциркуляционном принципег способное работать при одно стороннем доступе к среде l. Однако оно не обладает стабильностью работы. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, содержащее последовательно соедвненнУе стартовый генератор, генератор зондирующих импульсов, пъезопреобразователь, усилитель, фо яшрова тель, линию задержки, генератор строб импульсов, схему совпадения, подклго,чанную ко второму входу генератора зондирукшшх импульсов, дополнительно связанного через схему блокирования со стартовым генератором, и частото мер 12J. Однако это устройство также не обладает стабильностью работы при одностороннем доступе к контролируошой среде из-за применения сложных схем формирования сигналов запрета зондирующих импульсов. Кроме того, устрой ство не позволяет выделять многократно ютражен ные сигналы, а именно taкие сигнсшы являются предпочтительными при одностороннем доступе к контролируемой среде по причине того, что зондируюгяий импульс излучается на фоне небольших реверберационных помех. Цель изобретения - обеспечение стабильной работы и увеличение точности измерений при одностороннем доступе к контролируемой среде. Это досу гается тем, что в предлагаемое устройство введены схема развязки, широкополосный усилитель-ограничитель, триггер, счетчик импульсов и опорный генератор, причем схема развязки соединена с выходом генера- . тора зондирующих импульсов, пъезопреобразователем и входом усилителя, втброй выход которого подключен через широкополосный усилитель-ограничитель ко второму входу.схемы совпадения, третий вход которой .связан с выходом генератора зондирующих импульсов через триггер, втррьм входом подключенный к выходу счетчика импульсов, один вход которого подключен к опорному генератору, а второй вход - к генератору зондирующнх импульсов.

Кроме того, схема развязки содержит делитель, последовательно соединенные дифференцирующую цепь, диод, резистор, конденсато1 л и второй диод, соединенный катодом с общей шиной, причем общая точка катода первого диода и резистора связана со средней ТОЧК9Й делителя, который одним резистором подсоединен к источнику питания, другим - к общей шине, вход дифференцирующей цепочки соединен с выходом генератора зондирующих импульсов, средняя точка делителя через конденсатор , соединена с преобразователем, а анод, второго диода соединен с входом усилителя.

На фиг, 1 изображен вариант блоксхемы предлагаемого устройства; на фиг. 2 - диаграммы его работы.

Устройство содержит последовательно соединенные стартовый генератор 1, генератор 2 зондирующих импульсов, схему 3 развязки, к которой подключе пъёзопреобрАзователь 4, нагруженный на акуртически контролируемую среду 5, предварительный усилитель 6, формирователь 7, линию 8 задержки, формирователь 9 стробимпульсов, схему 10 совпадения, подключенную ко второму входу генерат ора 2 зондирукицих импульсов, дополнительно связанного через схему 11 блокировки со стартоjBbiM генератором 1. Второй выход предварительного усилителя 6 подключен через широкополосный усилитель-ограничитель 12 к второму входу схемы 10 сов:падения, третий вход которой связан с выходом генератора 2 зондирующих импульсов через триггер 13, вторым входом подключенный к выходу а Конец счета счетчика 14 импульсов, вход b которого подключен к опорному кварцевому генератору 15, а второй вход с Начало измерений к генератору 2 зондирующи.х импульсов. В устройстве применены частотомер 16 и отражающая поверхность 17, Схема 3 развязки выполнена в. виде делителя, резистором 18 подсоединенного к источнику +Е пихания, резистором 19 к общей имне, средней точкой - к пъезопреобразователю 4 через конденсатор 20, а выход генератора 2 зондирующих импульсов связан с входом усилителя 6 через последовательно включенные дифференцирующую цепь , диод 23 резистор 24, конденсаj op 25, причем общая точка диода 23 И резистора 24 связана со средней точкой делителя, а общая точка конденсатора 25 и входа усилителя 6 связана с общей шиной через второй диод 26, .

Работает устройство следующим образом.

Стартовый генератор 1 импульсом и. (фиг, 2) запускает генератор 2 зондирукнцих импульсов и блокируется схемой 11 после установления автоциркуляции , Импульс Ujj, генератора 2 зондирующих импульсов (фиг, 2) поступает через схему 3 развязки на пъезоэлемент 4, которьлм преобразуется в ультразвуковой сигнал, излучаемый в контролируемую среду 5, Одновременно импульс -Uj генератора 2 поступает на вход с Начало измерения счетчика-14 импульсов, который формирует, стабильный врзленной интервал t - Е f, путем подсчета определенного от 1 до и количества импульсов опорного кварцевого генератора 15 (фиг, 2 - и..), После заполнения счетчик 14 импульсов пропускает tt-ый импульс к выходу fiКонец измерения и сбрасывается в исходное состояние.

Триггер 13 также.запускается импульсом Ug генератора 2 зондирующих импульсов и вырабатывает при этом запрещающий уровень для схемы 10 совпадения, Переброс триггера 13 в исходное состояние осуществляется стабилизированным по времени от начала запуска h-bOM импульсо М, поступающим с выхода а Конец измерения счетчика 14 имп 9lьcoв (фиг, 2 - после чего схема 10 совпадения обеспечивается по третьему входу разре-. шающим уровнем.

К моменту времени -t, ультразвуковой импульс успевает переотразиться в акустически контролируемой среде П1 раз от отражающей поверхности 17 и защитной мембраны пъезопреобр азо вателя 4, Ультразвуковой m раз отраженный сигнал преобразуется пъезопластиной 4 в электрический сигндл, через схему 3 развязки поступающий на ,вход предварительного усилителя 6, кото- рым усиливается до определенной величины (фиг, 2 - Ug). С выхода усилителя 6 сигнал подается на формирователь 7, который является пороговым каскадом с положительной обратной связью, формирующим перепады напряжения при достижении входным сигналом Зсшанного уровня U (фиг, 2 - U,,

и,).

Импульсные перепады напряжения Uформирователя 7 подаются через линию 8 задержки (фиг, 2 - Ug) на формирователь 9 стробимпульсов, формирующий задержанные стробимпульсы U, задержка которых относительно импульсов составляет 0,3 ,что необходимо для стробирования наиболее крутого фронта из принятого ультразвукового сигнала,,

Формирование по принятому ультразвуковому сигналу фронтов с высокой крутизной осуществляется широкополоснам усилителем-ограничителем 12, который обладает малым временем восстановления, имеет точную привязку к нулевому уровню и выдает на выходе по пересечению входным сигналом нулевой линии (по переходу сигнала через нуль) усиленные и ограниченные перепады напряжений с высокой крутизной фронтов. Сигнал с выхода широкополос ного усилителя-ограничителя 12 является предельно клиппированным и пред ставляет собой меандр (фиг. 2 - U) . Наиболее крутой перепад информативного сигнсша, соответствующий моменту времени t, (фиг, 2 - Ug , U,, ) , стробируется схемой 19 совпадения по средством стробимпульса Ug формирователя 9 стробимпульсов, поступающего на первый вход схемы 10 совпадени и посредством перепадов напряжения и, , поступающих на третий вход схемы 10 совпадения с триггера 13, По наиболее крутому, фронту информативно го сигнала схема 10 совпадения форми рует на своем выходе запускающий импульс (фиг. 2), поступающий ма запуск генератора 2 зондирующих импульсов. Процесс измерений повторяется в описанной выше последовательности , С момента времени-t до t на первый и второй входы схемы 10 совпадения поступают зондирующий, ревербера ционный и многократно переотраженные сигналы, однако при этом на третьем входе схемы 10 совпадения действует запрещающий сигнал U, поступающий с выхода Триггера 13., и схема 10 совпадения не формирует на своем выходе -запускающих импульсов. Основным назначением схемы 3 развязки является согласование низкого выходного сопротивления генератора 2 зондирующих импульсов с выходным сопротивлением пъезопреобразователя 4 и входом усилителя 6 (фиг, 1), Делителем 18, 19 обеспечивается фикси- рованное смещение в обратном направлении на диод 23, благодаря чему реверберационные помехи и нежелательные сигналы, постуПсцощие с выхода пъезопреобразователя 4 и имеющие бол шой уровень, шунтируются через диод 23 на низкоомное выходное сопротивле ние генератора 2 зондирующих импульсов, а напряжение с небольшим уровнем, соответствующим многократно отргикенным сигналам, отключается от ге нератора 2 зондирующих импульсов диодом 23 за счет указанного смещения, Резистор 24 и диод 26, имеющий в пря мом направлении смещенную характерис тику,образуют параметрический ограни читель, защищающий вход усилителя от перегрузок зондирующим и ревербераци онным сигналами,Конденсаторы 20,21.,2 являются развязывающими по постоянно составляклцей,В качестве диода 23 может быть также применен диод со смещенной характеристикой, тогда отпада ет необходимость в источнике ЕГ,,, и резисторе 18,однако из-за невысоких качественных показателей подобных диодов их применение в качестве диода 23 нежелательно. Применение в устройстве схемы развязки, широкополосного усилителяограничителя, схемы совпадения.с тремя входами, счетчика импульсов, триггера, опорного кварцевого генератора, формирователей позволяет получить по сравнению с прототипом стабильную работу при одностороннем доступе к контролируемой среде и увеличить точность измерений при автоматизации процесса измерений по контролируемому физико-химическому параметру среды. Вклад в повышение точности и стабильности измерений вносит также и та, что с многократно отражённым сигналом, например двадцатикратно отраженным, точнее и стабильнее осуществляется сфазирование прямого ультразвукового сигнала. Формула изобретения 1, Автоциркуляционный измеритель скорости ультразвука, содержащий последовательно соединенные стартовый генератор, генератор зондирующих импульсов, пъезопреобразователь, усилитель, формирователь, линию задержки, генератор стробимпульсов, схему совпадения, подключенную ко второму входу генератора зондирующих импульсов, дополнительно связанного через схему блокирования со стартовым гене-раторрм, и частотомер, о т л и ч а ющ и и с я тем, что, с целью обеспечения стабильной работы и увеличения точности измерений при одностороннем доступе к контролируемой среде, в него введены схема развязки, широкополосный усилитель-ограничитель, триггер, счетчик импульсов и опорный генератор, причем схема развязки соединена с выходом генератора зондирующих импульсов, пъезопреобразователем и входом усилителя, второй выход которого подключен через широкополосный усилитель-ограничитель ко второму входу схемы совпадения, третий вход которой связан с выходом генератора зондирующих импульсов через триггер, вторым входом подключенный к выходу счетчика импульсов, один вход которого подключен к опорному генератору, а второй вход - к генератору зондирующих импульсов, -2. Измеритель по п. 1, о т л и чсающийся тем, что схема развязки содержит делитель, последовательно соединенные дифференцирующую цепь, диод, резистор, конденсаторы и второй диод, соединенный катодом с общей шиной, причем общая точка катода первого диода и резистора связана со средней точкой делителя, который одним резистором подсоединен к источнику питания, другим - к общей шине.

вход дифференцирующей цепочки соединен с suxoROM генератора зондирующих импульооЪ, средняя точка делителя через конденгатор соединена с преобразователем, а анод второго диода соединен с входом усилителя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР 480975, кл. G01 N 29/04, 1973.

2.Авторское свидетельство .СССР 509968, кл G01 N 29/02, 1974.