Устройство для измерения скоростиРАСпРОСТРАНЕНия ульТРАзВуКА Советский патент 1981 года по МПК G01N29/00 G01H5/00 

1

Изобретение относитсяк области акустических измерений и может быть использовано для точного измерения скорости распространения ультразвука в жидких, твердых или газообразных средах.

Известны устройства для измерени скорости распространения ультразвука, основанные на автоциркуляции импульсов по замкнутой цепи обратной связи l .

Однако данные устройства не обладают высокой точностью измерений из-за сравнительно высокой частоты следования импульсов и действия в акустически контролируемой среде,многократных реверберационных помех, которые складываются случайным образом с Прямым ультразвуковым сигналом и ограничивают за счет этого точность измерений;.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство дпя измерения скорости распространения ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов f акустический преобразователь с излучающим и приемным пьезоэлементами/ широкополосный у , временной селектор,формирователь коротких импульсов, преобразователь временных интервалов, интегрирующий каскад, преобразователь напряжения в частоту при этом второй выход генератора зондирующих импульсов связан через задерживающее устройство со вторым входом временного селектора, и частотомер 2 ,

0

Недостаток данного устройства состоит в низкой точности измерений.

Цель изобретения - повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается

5 тем, что в устройство введены делитель частоты, два дешифратора, блок управления, причем вход делителя частоты подключен к выходу преобразователя напряжения-в частоту, его

0 первый выход подключен к входу генера тора зондирующих импульсов, второй вход подключен через первый дешифратор к второму входу формирователя интервальных импульсов, а третий вы5ход - к преобразователю временных интервалов через последовательно связанные второй дешифратор и блок управления, при этом, частотомер подключен ко второму выходу преобразователя напряжения в частоту. На фиг. 1 изображен один из возможных вариантов структурной схемы устройства; на фиг, 2 - диаграмг ы его работы. Устройствосодержит последовательно соединенные генератор 1 зондирующих импульсов, излучающий преобразователь 2 и приемный преобразователь 3, между которыми включена акустически контролируемая среда 4, широкополосный усилитель 5, временной селектор 6, формирователь 7 коротких импульсов, формирователь 8 интервальных импульсов, преобразователь 9 временных интервалов, интегрирующий каскад 10, преобразователь 11 напряжения в частоту, при этом второй выход генератора 1 зондирующи импульсов связан через задерживающее устройство 12 со вторым входом временного селектора 6, и частотомер 1 В устройстве применен делитель 14 частоты, который включен между выходом преобразователя 11 напряжения в частоту и входом генератора 1 зонди рующих импулЬсов, причем делитель 14 вторым выходом подключен через дешифратор 15 к второму входу формирователя 8 интервальных импульсов , а третьим выходом - к преобразо вателю 9 временных интервалов через последовательно связанные второй дешифратор 16 и блок 17 управления, а частотомер 13 подключен ко второму выходу преобразователя 11 напряжения в частоту. Устройство работает следующим образом. Генератор 1 зондирующих импульсов запускается через делитель 14 частоты сигналом с выхода преобразователя 11 напряжения в частоту и вырабатывает короткие зондирующие импульсы (фиг. 2а), которые возбуждают излучающий преобразователь 2. Период возбуждения Тцозб излучателя 2 для разных режимов работы устройства в два-три раза больше времени дей ствия реверберационных помех, что обеспечивает стабильность и точность .измерений скорости ультразвука. Акустический сигнал проходит за время .Трдспр ерез контролируемую среду. 4 и преобразуется приемником 3 в .электрический сигнал (см. фиг. 26) который усиливается до определенного уровня в широкополосном усилителе 5 и подается на вход временного селектора б. Импульс запуска временного селектора б формируется с помощью за держивающего устройства 12 через вре мя Т после излучения зондирующего импульса и подается на второй вход временного селектора. Временный селе тор б пропускает к формирователю 7 коротких импульсов сигнал прямого прохождения и запрещает пропуск паразитных и реверберационных сигнале® что обеспечивает помехозащищенность устройства в целом. При необходимости временной селектор 6 может пропускать краткоо-траженные сигналы-, что определяется величиной задержки в устройстве 12., С формирователя 7 короткие импульсы (см. фиг. 2в) поступают на быстродействующий формирователь. 8 интервальных импульсов, например, триггер, запускаемый импульсами с первого дешифратора 15. Длительность импульса At (см. фиг. 2г) формирователя 8 пропо.рциональна времени распространения Трдспр акустического сигнала через среду 4, так как формирователь 8 интервальнь1Х импульсов, преобразователь 9 временных интервалов, интегрирующий каскад 10, преобразователь 11 напряжения в частоту делитель 14 частоты и первый дешифратор 15 представляют собой з-амк нутую цепь автоматической подстройки, частоты преобразователя 11 к частоте такой величины, период повторениякоторой строго пропорционален времени распространения Трдрпрультразвуковых волн в среде 4. Подстройка частоты преобразователя 11 напряжения в частоту осуществляется в следующей Последовательности. Интервальные импульсы с быстродействующего формирователя 8 подаются на преобразователь 9 временных интервалов в напряжение, который на своем выходе обеспечивает величину напряжения Uпр (см. фиг. 2д), средний ypoBisHb UQ (см. фиг. 2е) которого одновременно пропорционален длительности At и частоте F поступления импульсов с Формирователя 8, т.е. Uo К u.t. F,(1) где К - коэффициент пропорциональности. Уровень напряжения UQ формируется на выходе интегрирующего каскада 10, как результат усереднения напряжения с выхода преобразователя 9. На.пряжение U управляет преобразовате- . лем 11 напряжения в частоту который является сравнительно высокочастотным и имеет частоту следования импульсов до ДОО-200 кГц и более (см. фиг. 2.ЧС) .. Импульсы с выхода преобразователя 11 напряжения в частоту подаются на выход делителя 14 частоты со сравнительно большим коэффициентом деления (до 10 и выше). Делитель 14 частоты обеспечивает запуск генератора 1 зондирующих импульсов низкочастотными импульсами с периодами (см, фиг. 2а), что необходимо дпя защиты от действия реверберационных помех . Дешифратор 15 управляется комбинацией сигналов с выхода делителя 14 частоты и при определенном состоянии последнего выдает на своем выходе импульс, точно отстоящий по времени от зондирующего импульса на заданное количество n повторения импульсов пр образователя 11 напряжения в частоту (см. фиг. ,2и) . Кроме того, положение импульса первого дешифратора 15 строго синхронизировано с импульсами преобразователя 11 напряжения в частоту. Поэтому длительность интерваль ного импульса формирователя 8 равна . , -(2) - Т- тпП - - распр п TfinQT период повторения импульса преобразователя 11 напряжения в частоту; n - периодов,на которо отстоит импульс от дешиф ратора от зондируемого импульса. Средний уровень выходного напряжения UQ на выходе интегрирующего каскада 10 по выражению (1) с учетом (2) равен о К(Тр„спр - пТ„ов, )- F (3) Таким образом, по цепи корретиру щей обратной связи в системе автомат ческой подстройки частоты устанавливается четкое регулирование, xapc теризуемое уравнением (3). При изменении., например увеличении, скорости ультразвука, уменьшается время его распространения, что вызывает уменьшение длительноети интервального импульса, который в свою очередь вызывает уменьшение напряжения на выходе преобразователя 9 временных интервалов, и соответственно уме шение напряжения UQ на выходе интегрирующего каскада 10. Незначительному уменьшению U соответствует значительное увеличение частоты F преобразователя 11 напряжения в частоту Увеличение частоты F зондирующих импульсов, в свою очередь, вызьшает по цепи обратной связи увеличение UQ, За счет достаточно большой постоянной времени интегрирующего каскада 10 в системе автоматической подстрой ки устраняются автоколебания, а за счет высокой чувствительности преобразователя 11 напряжения в частоту в системе устанавливается четкое равновесие, критерием которого являетсяUQ - const(4) Так как период Тпрвт 1/F, то время распространения ультразвука в среде определяется с учетом (4) из выражения- (3) и„ К.Тг,™.„« Кп const JQ - К -Tpgcnp Кп Обозначая К const, получаем + п) - к(5) К-- FF Следовательно, время распространения ультразвуковьпс волн через акустически контролируемую среду 4 обратно пропорционально частоте F повторения импульсов преобразователя 11 напряжения в частоту, так как все дру гие величины, входящиев уравнение (5), являются постоянными. Величина частоты F регистрируется частотомером 13 в соответствующих единицах скорости распространения ультразвука. Назначением второго дешифратора 16 и блока 17 управления является повышение быстродействия и точности работы преобразователя 9 временных интервалов путем периодического разряда его запоминающей емкости. Второй дешифратор 16 по определенному состоянию делителя 14 частоты выдает импульс, временное положение которого несколько опережает интервальный импульс формирователя 8 (см. фиг. 2 ж). По импульсу второго дешифратора 16 блок 17 управления формирует разрядный импульс (см. фиг. 2к), который перед приходом интервального импульса разряжает замкнутую емкость преобразователя 9 и подготавливает его к очередному преобразованию временного интервала. В устройстве norpeujHOCTb за счет преобразователя 9 временных интервалов, представляющая собой основную погрешность устройства, меньше, по сравнению с известным устройством во столько, раз, во сколько раз длительность интервального импульса меньше времени распространения ультразвука в среде, что определяется числом периодов преобразователя 11 напряжения в частоту, на которое отстоит импульс дешифратора 15 от зондирующего импульса. Точность измерений повышается за счет быстродействия и более четкой работы преобразователя временных интервалов, а также за счет того, что, с одной стороны, информация о скорости распространения ультразвука представляется в высокочастотном виде и с другой стороны, длительная нестабильность работы преобразователя напряжения в частоту не имеет никакого значения, так как устройство автоматически . компенсирует эту нестабильность по цепи обратной связи. Формула изобретения Устройство для измерения скорости распространения ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор зонд-ирующкх импульсов , акустический преобразователь с излучающим и приемным пьезоэяментами, широкополосный усилитель, време.нной селек-тор, формирователь коротких импульсов формирователь интервальных импульсов ,.-преобразователь временных, интервалов, интегрирующий каскад, преобр зователь напряжения в частоту, при этом второй выход генератора зондирующих импульсов связан через

задерживающее устройство со вторым входом временного селектора и частотомер, отличающеео ятем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены делитель частоты, два дешифратора, блок управления, причем к выходу преобразователя напряжения в частоту подключен вход делителя частоты первый выход которого подключен ко входу генератора зондирующих импульсов, второй выход подключен через первый дешифратор к второму входу формирователя 13 нтервальных импульсов, а третий выход - к преобразователю временных интервалов через последовательно связанные второй дешифратор и блок управления, при этом частотомер подключен к второму выходу преобразователя г напряжения в частоту.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР Q f 402734, кл. G 01 N 29/00, 1971.

2,Авторское свидетельство СССР 599206, кл. G 01 N 29/00, 1976 (прототип).

Ipaenp. .

.

ILL

ж

VL

i

I