Сигнализатор промерзания иОТТАиВАНия пОчВы Советский патент 1981 года по МПК G01F23/296 G01W1/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для сигнализации и момента промерзания и оттаивания почвы на определенной глубине. Известно устройство для определения момента промерзания и оттаивания почвы на определенной глубине, представляюиее. собой заполненную водой коробку (камеру), поверх которой плавает поплавок - поршень.; При расширении воды, вследствие замерзания ее в коробке поплавок замыкает сигнальную цепь. При оттаивании льда цепь вновь размыкается 1J. . Недостатком системы является низкая надежность работы, связанная с наличием механических контактов, измекениемих переходного сопротивления при длительном хранении во влаж ной атмосфере, большом перепаде температуры и т.д. При частичном промер зании слоя воды;в камере чувствитель ность датчика снижается. Известны ультразвуковые уровнемеры, предназначенные для определения Ношичия в сигнальном зазоре датчика жидкой или газообразной среды , в работе которых используется принцип оценки измененияэнергии акустического импульса в волноводе при его демпфировании 2. Однако применение подобных датчиков в сигнализаторе промерзания и оттаивания почвы приводит к резкому уменьшению динамического диапазона чувствительности.-Это объясняется тем, что волновые сопротивления воды и льда отличаются между собой гораздо меньше, чем жидкости газообразной среды.. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сигнализатор уровня, содержащий генератор переменного напряжения,две акустические головки, расположенные соосно в горизонтальной .плоскости/ усилитель и индикатор. Фиксация момента смены среды на контролируемом уровне происходит по изменению затухания продольных ультразвуковых волн, возбуждаемых излучающей головкой З . Недостатком устройства при использовании его для сигнализации момента промерзания почвы является,то, что декременты поглощения воды и льда на продольных волнах отличаются всего на 30%. Это приводит к снижению точности фиксации момента промерзания почвы. Цель изобретения увеличение динамичеркого диапазона чувствительности обеспечение надежности работы и возможности дистанционного контроля работоспособности устройства. Поставленная цель достигается тем ЧТО в сигнализаторе акустические головки выполнены в виде пьезокерамиче ких излучателя и приемника продольны поперечных волн, ориентированных чувствительными гранями под углом оС к линии наблюдения,причем угол d выбирается из соотношения oL- arcctg где ( - угол между направлением оси максимальной чувствительности дат-1ика и нормально к линии наблюдения ; .Up амплитуда напряжения на выходе приемного датчика, соответствующая сигналу Р - волны при жидкой фазе среды; и - амплитуда напряжения на выходе приемного датчика, соответствующая суммарному сигналу при ,. твердой фазе среды. На фиг.1 приведена принципиальная схема сигнализатора момента промерза ния почвы; на.фиЬ.2 - эпюры, поясняю щие одновременное формирование SH и продольных волн. Сигнализатор содержит генератор переменного напряжения, излучающий акустическую головку 2 поперечных типа SH и продольных волн, приемную акустическую головку поперечных типа SH и продольных волн 3, усилитель 4, индикатор,5, заполненную : водой и акустически заглушенную камеру б. . Генератор служит для запуска уль развукового излучателя акустической головки 2. Акустическая головка 2 предназна чена для излучения одновременно поперечных типа ЗИ и продольных (Р) ультразвуковых колебаний, амплитуды которых связаны соотношением:- . где К«1 - коэффициент, значени которого выбирается из условия обес печения требуемого динамического ди пазона чувствительности сигнгшизатора. Акустическая головка 3 предназна чена для приема одновременно попере ных типа SH и продольных ультразвуковых колебаний. Особенностью излучающей (приемной) оловки является то, что генерация (прием) SH и Р волн осуществляется дними и теми же конструктивными лементами ультразвукового преобраователя . Именно это обстоятельство озволяет однозначно судить об исравности системы, предразначенной ля возбуждения и регистрации попеечных SH волн по ее работоспособости в режиме возбуждения и регист ации Р волн при незамерзании воды камере. -Акустические головки могут быть выполнены ввиде пьезокерамических датчиков смещений с одной степенью свободы, напримербиморфного типа, ориентированных под углом к линии наблюдения. В этом случае, при идентичных соосно расположенных излучателе и приемнике упругих волн имеет следующее очевидное соотнощение для амплитуд 1на выходе приемнием SH и Р волн г-щ---К., где Л - угол между направлением оси максимальной чувствительности датчика N и нормалью к линии наблюдения АВ (фиг.2). Сказанное поясняется эпюрами, приведенными на фиг.2 где 00 расстояние между излучателем (и) и приемником (П) ультразвуковых колебаний (линия наблюдения) ; амплитуда ультразвуковых колебаний, излучаемых в направлении оси максимальной чувствительности ) излучателя; амплитуда ультразвуковых колебаний, регистрируемых приемником в направлении его оси максимальной чувствительности Мр Nu.Nfl направление нормйли к чувствительной грани излучателя и приемника соответственно; Q - горизонтальная плоскость, в которой расположены чувствительные грани акустических головок. Выход акустической головки 3 соединен со входом усилителя 4. Усилитель обеспечивает необходимый уровень сигналов на входе индикатора 5, к входу которого он подключен. Индикатор 5 предназначен для регистрации сигнсшов на выходе усилителя 4 и может иметь электрическую (в виде определенного уровня напряжения), световую (разного цвета) или звуковую {разной тональности) инди кацию. Камера б, заполненная водой, пре назначена для размещения в ней акустических головок 5 Для устранения влияния многократно отраженных от стенок камеры ультразвуковых колеба НИИ и паразитного прохождения их по корпусу, стенки камеры выполнены акустически заглушенными с применением, например, резинопористой изо,ляции. Камера, с вмонтированными в н .акустическими головками устанавлива ется в почве на определенной глубин Устройство работает следующим образсм. В исходном состоянии, если вода в камере б не замерзла, излучаемые головкой 2 ультразвуковые продольные колебания проходят через слой жидкости и преобразуются акустической головкой 3 в переменное электрическое напряжение. Выходной сигнал усиливается схемой 4 и регистри руется индикатором 5 в виде, например, определенного уровня напряжени Уровень регистрируемого сигнала .сви детельствует об исправности электроакустического тракта и о наличии жидкой фазы среды в кг1мере 6. SH компонента возбуждаег лх колебаний через жидкость не проходит После промерзания почвы до опред ленной глубины вода в камере перехо дит из жидкой фазы в твердую (превращается в лед). При этом чарез сиг нальный зазор между акус.тическими. г ловками распространяются, наряду с продольными,и поперечные колебания типа SH. Поскольку при возбуждении и приеме Р и SH волн выдерживается соотношение (1) и затухание на выкоде индикатора 5 резко возрастает (в К- раз) . , Использование предлагаемого устройства, за счет излучения и приема поперечных типа SH и продольных волн, позволяет одновременно повысить надежность работы и динамический диапазон чувствительности сигнализатора, обеспечить возможность контроля его исправности без извлечения из почвы. Несколько таких устройств, размещенных на разных глубинах промерзания грунта и толщине ледяного покрова соответственно. Формула изобретения Сигнализатор промерзания и оттаивания почвы, содержащий заполненную водой акустически заглушенную камеру, две расположенные в ней на некотором расстоянии друг от друга соосно в горизонтальной плоскости акустические головки, соединенные соответственно с выходом генератора переменного напряжения и входом индикатора через усилитель, отличающийся тем, что, с целью увеличения динамического диапазона чувствительности и обеспечения возможности дистанционного контроля работоспособности устройства, акустические головки выполнены в виде пьезокерамических излучателя и приемника продольных и поперечных волн, ориентированных чувствительными- гранями под углом oi к линии наблюдения, причем угол ( выбирается из соотношения о1 arcctg де ( - угол между направлением оси максимальной чувствительности датчика и нормалью к линии наблюдения; и - амплитуда напряжения на выходе приемного датчика, соответствующая сигналу Р волны при жидкой фазе среды; и - амплитуда напряжения на выходе приемного датчика, соответствующая суммарному сигналу при твердой фазе среды. Источники информации, ринятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 45432, кл. G 01 F 33/24, .1934. 2.Авторское свидетельство СССР 510647, G 01 F 23/28, 1973. 3.Колесников Н.В. и др. Конроль уровня жидкости на судах. Судостроение, 1969, с. 149.

ita

Фиг. 2

Ш