Ультразвуковой способ определения акустических параметров жидких и газообразных сред Советский патент 1980 года по МПК G01N29/00 

(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ И ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике и может найти применение для одновременного исследования и контроля по скорости и 5 коэффициенту затухания ультразвука различных физико-химических параметров жидких и газообразных веществ, например концентрации и вязкости.

Известен способ определения акустических параметров жидких и газообразных сред заключающийся в том, что на определенной акустической базе измеряют уровень принятого сигна- 5 ла, изменяют акустическую базу на длине ультразвуковой волны, о чем судят по нулевым значениям амплитуды сигнала при перемещении пьезоприемника на расстояние, равное длине волны 20 измеряют уровейь принятого сигнала и приращение акустической базы и по разности измеренных уровней сигналов и приращению акустической базы определяют величину коэффициента затуха- 25 НИН ультразвуковых волн в исследуемой среде, а по приращению акустического пути для данной частоты опр еделяют абсолютную величину скорости распространения 1.30

Недостатком способа является невысокая точность измерений за счет реверберационных помех.

Наиболее близким по технической сущности к данному является ультразвуковой способ определения акустических параметров жидких и газообразных сред, заключающийся в том, что в замкнутой электроакустической сисtoтеме осуществляют автоциркуляцшо непрерывных сигналов, измеряют частоту автоциркуляции и уровень согласованного сигнала автоциркуляции и определяют соответственно по первой - скорость распространения ультразвуковых колебаний, а по второму коэффициент затухания 2.

Недостатком способа является наличие систематических погрешностей, связанных как с неопределенностью коэффициента передачи/ так и с неопределенностью фазовых сдвигов сигнала в преобразователях и электронной схеме. Эти погрешности ограничивают точность определения абсолютйьЫ. величин скорости распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн. Цель изобретения - повышение точности определения абсолютных вели чин скорости распространения и коэффициента затухания ультразвуковык волн. Указанная цель достигается тем, что увеличивают акустическую базу измерения на длину, краткую длине ультразвуковой волны, об увеличении судят по установлению частотЕЛ автоциркуляции, равной исходной, измеряю прира1цение акустической базы и соответствующий ему уровень согласованно сигнала автоциркуляции и по разности п воначального и вновь полученного значений уровней сигналов автоциркул ции и приращению акустической базы определяют абсолютную величину коэффициента затухания ультразвука, а по приращению акустической базы для данной частоты автоциркуляции определяют абсолютную величину скорости распространения ультразвука. На чертеже приведена блок-схема устройства, реализующего способ. Устройство содержит замкнутую электроакустическую систему, состоящую из излучающего преобразователя 1 , измерительно-акустической камеры 2, приемного преобразователя 3, атте нюатора .4, широкополосного усилител 5, корректирующих цепей б, избирател ного фильтра 1, к которому подсоединвн частотомер 8 Ко второму рзыходу усилителя 5, через амплиууднтлй детек тор 9 подключен амплитудный дискрими натор 10, второй вход которого подсоединен к источнику 11 эталонных напряжений, а ко второму выходу корректирующих цепей б через частотный детектор 12 подсоедцнен счетчик 13 импульсов. Измерительно-акустическая камера 2 содержиз отсчетное устройст во 14 перестройки акустической базы За счет самовозбуждения по цепи положительной обратной связи в замкнутой электроакустической системе 1 -2-3-4-5-6-7 устанавливается автоциркуляция синусоидальных непрерывны сигналов на резонансной частоте, вхо дящей в полосу пропускания избирател ного фильгра 7. Длина ультразвуковой волны X на ,. резонансной частоте автоциркуляции равна где г - длина акустической базы; сГ(си1г относительное увеличение . акустической базы за счет преобразователей и электр ной схемы, Согласованный сигнал автоциркуля создают путем точного I фазового согл сования прямой ультразвуковой волны с реверберационной, что достигается ;посредством- корректирующих цепей б. Условие этого согласования вьфажается через баланс фаз , 2.«-р( t д ш)- S4o,(tu -t 4ои)-I- 5.%(ш± дш) --2irn Z7tmt 27c()) где51«а(и),- суммарные сдвиги Фаз в акусS Ms(ч) тической среде и, соответственно, в электронной схеме; m - количество целых длин волн, укладывающихся в акустической среде. Выполнение условия (2) обеспечивает в диапазоне частот (uj t лш ) согласованный сигнал автоциркуляции, что с учетом (1 ) даст постоянство длины ультразвуковой 1олны A -tonst в акустически контролируемой среде. При указанном согласовании прямой ультрарвуковой волны с реверберационной скорость ультразвука становится связанной с его частотой зависимостью )А/27с,поэтому частота 01 автоциркуляцки равна 2ТСС 2асглс (сх.П Таким образом, частота сигнала автоциркуляции пропорциональна скорости ультразвука и ее величину определяют частотомером 8, а уровень сигнала автоциркуляции, пропорциональный затуханию ультразвука определяют посредством амплитудного детектора 9 и источника 11 эталонных напряжений . Однако, для определения абсолютной величины скорости ультразвука точно неизвестны относительное увеличение сГ ( uj ) акустической базы и номер п-ой резонансной частоты самовозбуждения, а для определения абсолютной величины затухания ультразвука возникает неопределенность коэффициентов передачи пьезопреобразователей и электронной схемы. Поэтому после установления исходного значения частоты автоциркуляции и уровня согласованного сигнала автоциркуляции переходят на новые резонансные частоты автоЦиркуляции путем плавного изменения акустической базы на длину, кратную длине ультразвуковой волны. Частотный детектор 12, подключенный ко второму выходу корректирующих цепей 6, фиксирует скачки частоты автоциркуляции на исходное ее значение при каждом измене,нии длины акустического пути на величину, равную длине ультразвуковой волны в исследуемом веществе. Точный контроль установления частоты автоциркуляции на исходное значение осуществляют 1эстотомером 8 . Счетчик 13 импульсов, подключенный к выходу частотного детектора 12, позволяет определить, на сколько длин волн изменилась длина акустической 1баэы, абсолютное изменение длины которой определяют посредством отсчетного устройства 14. Абсолютную величину скорости ра пространения ультразвука определяют путем измерения длины ультразвуковой волны для равных между со бой исходного и конечного значения частот автоциркуляции на п-ой резонансной частоте и (п+к)-ой резонансной частоте. Изменение акустического пути вьщерживают строго равным л2- к путем- сведения к ну лю разницы между п-ой и (п+к)-ой резонансными частотами. Абсолютная величина скорости ультразвука равна cuK Х u)&t К2Jt 2кзс Абсолютная же величина коэффицинта затухания ультразвука опреде ляется по соотношению ГЧ - Ргл An - уровень сигнала на п-ой резонансной частоте; уровень сигнала на (п+к резонансной частоте посл изменения акустической зы на величину ь1г-к. Следовательно, основные расчетн соотношения, согласно которым peaлизуется предложенный способ не содержат приближенно определяемых , а содержат точно учитыва мые и измеряемые величины. Это поз воляет, в свою очередь, точно определять абсолютные величины скоро

3

I ти распространения коэффициента затухания ультразвука в среде. Формула изобретения Ультразвуковой способ определения акустических параметров жидких и газообразных сред, заключающийся в том, что на определенной акустической базе измерения в замкнутой электроакустической системе осуществляют автоциркуляцию непрерывных сигналов, измеряют частоту автоциркуляции и уровень согласованного сигнала автоциркуляции, отличающийся тем, что, с целью повьвиейия точности определения абсолютных величин скорости распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн, увеличивают акустическую базу измерения на длину, кратную длине ультразвуковой волны, об увеличении судят по установлению частоты автоциркуляции, равной исходной, измеряют прирашение акустической базы и соответствующий ему уровень согласованного сигнала автоциркуляции и по , разности первоначального и вновь полученного значений /ровней сигналов автоциркуляции и приращению акустической базы определяют абсолютную величину коэффициента затухания ультразвука, а по приращению акустической базы для данной частоты автоциркуляции определяют абсолютную величину скорости распределения ультразвука. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 478242, кл. G 01 N 29/00, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР № 437008, кл. G 01 N 29/00, 1972 (прототип).