Ультразвуковой интерферометр постоянной длины Советский патент 1979 года по МПК G01N29/00 

Изобретение относится к технической акустике и может найти применение при разработке устройств, предназначенных для цифрового измерения скорости распространения ультразвуковых волн в газо вых, жидких и твердых средах. Известно интерферометрическое устрой ство для измерения скорости распростран ния ультразвука, содержащее диапазонный генератор, подключенный к излучающему пьезопреобразователю, исследуемый образец постоянной длины, другой аналогичный пьезопреобразователь-приемник, подключенный к входу индикатора, и частото мер, подсоединенный к генератору 1} . С помощью устройства определяют частоты ряда акустических резонансов столбика исследуемого вещества и по ним рассчитывают скорость ультразвука в исследуемом веществе. Однако этому устройству присуща погрешность, связанная с частотной зависимостью фазы волны при отражении ультразвука от преобразователей. Длина столбика среды постоянная, поэтому при различной скорости ультразвука в среде частота его должна быть разной (для сохранения заданного количества полуволн в столбике среды). Вышеуказанная частогная зависимость фазы приводит к появлению погрещности измерения, зависящей от скорости ультразвука в среде и ее удельного акустического сопрот1тления. У странение погрешности возможно только расчетным путем, при этом должно быть известным или определяться отдельно удельное акустическое сопротивление среды. Кроме того это устройство крайне мало автоматизировано. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ультразвуковой интерферометр постоянной длины 2, содерясащмй соединенные в замкнутую электроакустическую цепь диапазонный генератор, камеру с двумя прЪобразователя- ми, усилитель-формирователь и блок управления, а также частотомер, подключенный к выходу диапазонного генератора, и гёкератор-делитель меток времени, подключенный к блоку управления. Указанным устройством получают непосредственно цифровое значение скорости ультразвука согласно известной зависимости где / - частота, f - расстояние между пьезопреобразователями П - количество полуволн ультразвука в исследуемой среде на расстоянии i , S - поправка, зависящая от частотной зависимости фазы волны ультразвука при отражении от преобразователей. Время пересчета частотомера 4 выбирается изменением периода меток времени, вырабатываемых генератором-делителем, исходя из условия: (1) где (П коэффициент деления младших декад частотомера, не используемых для отсчета. Поправка о неизвестна и опускает ся, что приводит к возникновению фазовой по грешности измерения. Для уменьшения ее выбирают диапазон частот вблизи резонан сной частоты преобразователей (при исследовании твердых тел) или половины ее (при исследовании жидкостей). На указан ных частотах поправка равна нулю 1 в обычном для практики случае, когда сзад преобразователей имеется воздух),при расстройке от них в ту или иную сторону поправка меняет знак. Однако значительное уменьшение погрешности возможно только расчетом при известном акустическом сопротивлении исследуемой среды. Целью изобретения является устранени фазовой погрешности изменения скорости ультразвука. Указанная цель достигается тем, что в устройство введены Частотный демодулятор, интегратор, исполнительный блок, : триггер, делитель с выходами в позиционном коде и переключателем, индикатор основной и дополнительный высокочастот кые ключи, основной и дополнительный ключи меток-и двухпозиционный переключ тель, при этом основной высокочастотный ключ включен между выходом диапазонно го генератора и входом частотомера, который также соединен с последовательно цепью, состряшей из дополнительного вы сокочастотного ключа, частотного демодулятора, интегратора и двухпозиционного переключателя, связывающего выход ин тегрвтора в одном положении с индикатором, а в другом - с дополнительным / блоком, выход генератора-делителя меток времени через основной ключ меток и делитель с выходами в позиционном коде соединен с низкочастотным входом частотомера и связан с дополнительным высокочастотным ключом, выход позиционного кода делителя подсоединен к испoлнитeльнo y блоку через переключатель, подвижной контакт которого подкл{Ьчен к одному входу триггера, а к другому входу его через дополнительный ключ меток подсоединен выход генератора-делителя меток, выход триггера связан с обоими основными ключами и блоком управленк л, который также связан с дополнительным , ключом меток и с генератором-делителем меток. На фиг. 1 изображена структурная схема интерферометра; на фиг. 2 - эпюры частоты и напряжения в ряде точек схемы; Диапазонный генератор 1 подключен к пьезоизлучателю 2 (кварцевой или керами ческой пластинке) вмонтированному в камеру 3 постоянной длины, заполненную исследуемым веществом. Пьезоприемник 4, аналогичный излучателю 2, также вмонтв рованный в камеру 3, подключен к входу блока 5 усиления формирования, выход которого соединен с входом блока 6 управ- , ления. Выход блока 6 соединен с входом настройки частоты генератора 1. Выход генератора 1 через основной высокочастотный ключ 7 подключен к Е1ысокочастотному входу цифрового частотомера 8 и через дополнительный высокочастотньй ключ 9 - к входу последовательно соединенных частотного демодулятора 10 и интегратора 11-13 (содержащего резистор 11, емкость 12, усилитель 13). Генератор-делитель 14 меток времени через основной ключ 15 меток под- . ключей к делителю 16 с выходами 17 в позиционном коде. Выходы позиционного кода 17 делителя 16 через переключатель 18 подключены к одному входу триггера 19, а к другому входу его дополнительный ключ меток 2О подключен выход генератора-делителя 14, меток времени. Выход делителя 16 соединен с низкочастотным входом частотомера 8 и подключен на управление допсянительным высокочастотным ключом 9, Индикатор 21 и исполнительный блок 22 через двухпоаиционный переключатель 23 подключены к интегратору 11-13 и исполнительный блок 22 связан с переключателем 18. На управление основным высокочастотным ключом 7 и основным кточом 13 меток подсоединен выходной сиг нал триггера 19, который также подан в блок 6 управления. Выход блока 6 управления связан с генератором-делителем 14 меток времени и с дополнительным ключом меток 20. Блок 6 управления выполнен, например, в виде экстремум-регулятора, обеспечивающего настройку генератора 1 на акустический резонанс, перестройку на со седний резонанс по сигналу с триггера 19 и выдачу управляющих сигналов после настройки. Причем CL (фиг. 2) - частотная аависи мость модуля напряжения пьезоприемника 4 и временная зависимость частоты генера тора 1; О- выходные импульсы генератора-делителя меток времени 14; - интервал времени, в течение которого замкнут ключ 9, а частотомер производит счет, i -импульсы напряжения, снимаемые с подвижного контакта переключателя 18 и с триггера i9} Q - выходной сигнал блока 6, размыкающий на время ключ 20, d и jfC- выходные напряжения частотного демодулятора 10 и .инт§гратора 11-13 соответственно. В исходном состоянии ключи 7 и 15 замкнуты, 20 и 9 разомкнуты, делитель 16 погашен, выходное напряжение интегратора 11-13 равно нулю, переключатель 18 подключен к -тому из выходов по. зиционного кода 17. Интерферометр работает следующим образом. Ультразвуковые волны, излучаемые пьезоизлучателем 2, который возбуждается напряжением генератора 1, распространяются в исследуемом веществе в камере 3 в сторону пьезоприемника 4 и частично отра-жаются от него, частично преобразуются им и электрические колебания, усиливаемые усилителем блока 5. Генератор 1 с помощью блока 6 управления настраивается на самый близкий к частоте / акустический j резонанс с частотой /у 7/ и количеством полуволн в камере / (частота fo в зависимости: от исследуемой среды либо резонансная частота преобразователя, либо половина ее). После настройки блоком jg 6 запускается генератор-делитель 14 меток. Вьлходной импульс делителя 16, пропускающего первый (после настройки) и р-ый (р-емкость делителя) импульсы блока 14 $5 поступает в момент на частотомер 8 и замыкает ключ 9. Периоды напряжения генератора 1 подсчитываются частотомером 8, поставленным в режим измерения отношения частот. Это напряжение поступает также на частотный демодулятор 10 с частотой настройки fao к выделяется на выходе его в виде постоянного напряжения (фиг. 2 а,б,в,е). С приходом очередногоо импульса 1лока 14 на вход делителя 16 (кольцевого или обычного, снабженного дешифратором) сигнал появляется на следующем и а выходов позиционного кода 17. Это продолжается до появления сигнала на Г -том выходе 17 блока 16 (фиг. 2,г), который соединен с подвижным контактом переключателя 18. Этот сигнал воздействует на вход триггера 19, выходным напряжением которого в момент времени t (график 26) раэмыкаются ключи 7 и 15, т.е. приостанавливается поступление напряжения генератора 1 на частотомер 8 и импульсов генератора-делителя 14 на делитель 1б. Одновременно импульс триггера 19 воэдействует на блок управления 6, Сигнал блока 6 управления автоматически (или полуавтоматически) начинает, перестраивать генератор 1 на соседний акустический резонанс с частотой /а (меньшей/) и количеством полуволн, на единицу меньшим, т.е. П -1, а также переключает частоту меток времени генератора-делителя 14. Период меток времени в обоих случаях согласован с количеством полуволн в соответствии с выражением (1). С момента времени t пропадает напряжение на выходе частотного демодулятора 10, а на выходе интегратора 11-13 сохраняется напряжение, имевшееся в момент вре- мени tg (графики 28,29). По окончании настройки генератора 1 (момент tr ), сигналом с блока управления 6- замыкается ключ 20 (график 27). Первый (после перестройки) импульс с блока 14 в момент t возвращает трнггер 19 в исходное состояние, и на вход делителя 16 не проходит. Ключи 7 и 15 опять замыкаются. Напряжение генератора 1 опять поступает на вход частотомера 8 и частотного демодулятора 10. На выходе его выделяется напряжение противоположной чем в первом случае поляркости, поскольку / (j Процесс измерения заканчивается с заполнением делителя 16 р -тым импульсом блока 14 в момент t , выходной сигнал которого поступает на частотомер 8 и размыкает ключ 8. Частотомер 8, работающий в реж1Нч1е измерения отношения частот показывает Бел1гчину, равную сумме перкоaoD напряжения, поступивших на высокочастотный вход за время между двумя импуль сами, поступившими на низкочастотный вход, т.е. за нремя ( % t/ ). В интервале 4 2 вход частотомера посредствомключа 7 отключен и все время пересчета равно( j-t. ) + ( (yt ) из него соответствует настройке на частоту /у , а ty-tif - настройке на f. Всему времени пересчета соответствует общее количество Р меток времени, период которых, согласно выражению (1) пропорционален s настройке на У и jT / РИ настройке на А .За время t tf , которому соответствует Л меток, У9Стотомер накапливает сумму сза время ff-tif , которому соответ ствует -Р- меток - сумму/ --p- rj, а показания его равны Л/ + Л/ Точное значение скорости на частотах ff или /, выражается следующим образом-2. { ..f ,V if-ff ff . где 0, Sf поправки к числу полуволн. , В области рёйонансной частоты преобразб в&телей или частоты в.два раза меньшей (они обозначены как / ) поправки зависят от частоты линейно и равны соотBeTbTBeHHo|: f/-f)Kaf, и K( f , тде К - коэффициент пропорциональности, зависящий от величин:,, удельных акустических сопротивлений исследуемой среды и вещества преобразователей. Числа А/ и Л с учетом выражения (2) имеют вид ..-#f friiM #; /у.(4) Показания частотомера с учетом выражений (З) и (4) равны: -V-A/,.N,. ).(5) Из выражения (5) вытекает, что в резул тате измерения будет практически отсутствовать погрешность, т.е. N-L, если

Необходимые числа Г и S определяем по выходному напряжению интегратора

Формула изобретения

Уг.,тразвуковой интерферометр посто.янкой длины, содержащий соединенные & замкнутую электроакустическую цепь диапазонный генерато.р, камеру с двумя пре11 13 следующим образом. В течение времени ti-t на выходе интегратора 11-13 напряжение.возрастает, до величины, нропйрциональной f -р , 9 в течение времени tfy уменьшится на (фиг. 2 ж). величину 5 Если переключателем 23 выход интег ратора соединен с индикатором 21, то по величине и знаку индуцируемого им напряжения судят о том, в какую сторону переключать переключатель 18 и переключают его. Если переключатель 23 замкнут на исполнительньй блок 22, то последний переключает переключатель 18 до Выполнения условия (б). После этотх) вручную ти автоматически гасится частотомер 8 также восстЛавливаетс1Я исходное состояние всего устройства и оно готово: к следующему измерению. Следующее измерение проводится согласно описанному выше, но ввиду выполнения условия (б);В результате измерения отсутствует фазовай погрешность, а по окончанию измерения выходное напряжение интегратора 11-13 близко к нулю, (см, также фиг. 2, правая часть). В случае изменения скорости ультразвука изменяются частоты ff и /2 необходимое соотношение Г к S выбирается согласно указанному выше (фиг. 2 соответствует Г+ :://). Изобретение позволяет устранить погрешность измерения, зависящую от частоты ультразвука (т.е. и от скорости ульрразвука, так как длина камеры постоянна), резонансной частоты преобразователей, и величин удельных акустических сопроти&лений исследуемой среды и вещества преобразователей. В самом первом после включения устройства измерении возможно, что устано.вка переключателя 18 ие будет соответствовать требуемой, и выще- указанная погрешность не будет устранена полностью. Но при этом погрешность не выше, чем устройства-аналога. В последующем правильное положение переключателя будет поддерживаться вручную или автоматически при любой скорости ультразвука, и фазовая погрешность будет отсутствовать. образователями.усилитель-формироеатель и блок управления, а также частотомер подключенный к выходу диапааопЕюго генератора и генератор-делитель меток вре мени, подключенный к блоку управления, отличающийся тем, что, с целью устранения фазовой погрешности измерения скорости ультразвука, в него введены частотный демодулятор, интегратор, исполнительный блок, триггер, делитель с выходами в позиционном коде и переключателем, индикатор, основной и дополнительный высокочастотные ключи, основной и дополнительный ключи меток и двухпозиционный переключатель, при этом основной высокочастотный ключ включен между выходом диапазонного генератора и входом частотомера, который также соединен с последовательной цепью, состоящей из дополнительного высокочастотного ключа, частотного демодулятора, интегратора и двухпозиционного переключателя, связывающего выход интегратора в одном положении с индикатором, а в другом - с исполнительным блоком,выход генератора-делителя меток времени через основной ключ меток и делитель с выходами в позиционном копе соединен с ии,кочастоткым входом частотомера и связан с дополнител зным высокочастотным ключом, выход позициогиюго кода полнтеля подсоединен к исполнительному блоку через переключатель, подвижной контакт которого подключен к одному входу триггера, а к другому входу его через дополнительный ключ меток подсоединен выход генератора-делителя меток, выход триггера связан с обоими основными ключами и блоком управления, который также связан с дополнительным ключом меток и с генератором-делителем меток. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Иванов В. Е. Об измерении скорости ультразвука в твердых телах интерферометром с двумя пьезопреобразователями. Труды ВУЗов Лит. ССР, Ультразвук, 1969, 1, с. 135-142. 2. Кушротас К.,Сукапкас В., Яронис Э. Цифровой ультразвуковой интерферометр постоянной длины. Труды ВУЗов Лит. ССР, Ультразвук, 1973, 5, с. 141-145,

Фиг.2