Устройство для измерения акустическихпАРАМЕТРОВ ВЕщЕСТВ Советский патент 1981 года по МПК G01N29/00 

1

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения в широком диапазоне частот акустических параметров: скорости распространения, дисперсии скорости и коэффициента поглсацения ультразвуkoBHX волн .в веществах твердого, жидкого или газообразного состояния, в том числе и биолог ическрго происхождения.

Известно устройство для измерения скорости распространейия и коэффициента поглощения ультразвука в образцах вещества постоянной длины, содержащее генератор, перестраиваемой частоты с блоком настройки, исследуемый образец твердого в ещества с двумя пьезопреобразователями, один из которых, подключен к генератору, другой - через усилитель ко рходу детектора, и индикатор 1 .

Однако указанное устройстйо не является прямопоказывакадим прибором,

ПОСКОЛЬКУ скорость и коэффициент ПО ,

глснцения ультразвука определяются расчетным путем на основании анализа зависимости величины-модуля напряжения на выходе пьезоприемника от частоты. . .

Наиболее близким .по технической сути является устройство, содержащее, акустический интерферометр, генератор перестраиваемой частоты, соединенный со.смесителем, усилитель, блок обработки и индикации L2 .

Недостаток известного устройства состоит в низкой точности измерений и узком частотном диапазоне.

Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение частотного диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве интерферометр . выполнен двухканальным, в него введены два коммутатора, избирательный усилитель, детектор, аналого-цифровой преобразователь, кварцевый генератор, второй смеситель, фильтр нижних частот, блок фазовой автоподстройки частоты,.электронно-счетный частотомер, при этом выход первого смесителя подключен через фильтр нижних частот ко входу усилителя, первый выход которого подключен через первый коммутатор ко входу интерферометра, к выходу которого подключен через второй коммутатор первый вход второго смесителя, ко второму входу 0 которого подключен второй выход генераторс перестраиваемой частоты, к выходу второго смесителя последовательно подключены избирательный усилитель, детектор, аналого-цифровой преобразователь своим первым входом и блок обработки и индикации, блок управления своими выходами подключен ко второму входу блока обработки и индикации ко второму входу аналогоцифрового преобразователя, первому входу частотомера., к коммутаторам, через блок автоподстройки частоты ко входу генератора перестраиваемой частоты, а входом - к выходу блока обработки и индикации, при этом второй вход частотомера подключен ко второму выходу усилителя, а выход к третьему входу блока обработки и индикации,

На чертеже представлена схема устройства.

Выходы блока двухканального акустического интерферометра 1 соединены со входами коммутатора 2, выход которого соединен со входом смесителя 3. Другой вход смесителя 3 соединен с выходом генератора 4 перестраиваемой частоты. Выход смесителя 3 соединен со входом избирательного усилителя 5 выход которого подключен ко входу детектора 6. Выход детектора 6 подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя 7; выход которого соедине со входом блока 8 обработки и индикации. Выход кварцевого генератора 9 соединен со входом смесителя 10, другой вход которого соединен с выходом генератора 4 перестраиваемой частоты. Выход смесителя 10 подключен ко входу фильтра 11 нижних частот, выход которого подключен ко входу усилителя 12. Выход усилителя 12 подключен ко входу коммутатора 13, выходы которого соединены со входами блока двухканального акустического интерферометра 1. Выход блока 14 фазовой автоподстройки частоты подключен к управляющему входу генератора 4 перестраиваемой частоты, один из выходов которого подключен ко входу блока 14 фазовой автоподстройки частоты. Другой вход блока 14 фазовой автоподстройкИ частоты соединен с выходом блока 15 управления. Вход электронно-счетного частотомера 16 соединен с выходом усилителя 12, а выход со вторым входом блока 8 обработки и индикации, выход которого соединен со входом блока 15 управления. Выходы блока 15 управления соединены с управляющими входами коммутаторов 2 и 13 аналого-цифрового преобразователя 7, блока 8 обработки,и индикации и электронно-счетного частотомера 16.

Устройство для измерения акустических параметров веществ работает следующим образом.

На один из входов блока двухканального акустического интерферометра 1 подается высокочастотный сигнал с частотой Fj , который возбуждает пьезоизлучатель выбранного акустического интерферометра. Он излучает ультразвуковые волны, распространяющиеся в исследуемом веществе в направлении пьезоприемника. Ультразвуковые волны частично отражаются от пьезоприемника, частично преобра1зуются им в высокочастотное напряжение . С выхода интерферометра сигнал частоты через коммутатор 2 подается на смеситель 3, где с помощью сигнала частоты F, поступающего с генератора 4 перестраиваемой частоты преобразуется в сигнал.промежуточной частоты Ff Fp - Fg , выделяемый с помощью избирательного усилителя 5

Далее этот сигнал детектируется с помощью детектора б и преобразуется с помощью аналого-цифрового преобразователя 7 в цифровой код, поступающий в блок 8 обработки и индикации. Сигнал с частотой Fg , подаваемый на вход интерферометра 1 формируется из сигнала частоты кварцевого генератора 9 путем преобразования его в смесителе 10 с помощью сигнала частоты FJ. , подаваемого с выхода генератора 4 перестраиваемой частоты. В результате преобразования на вы.ходе смесителя 10 присутствует сигнал с частотой Fn4i - г къ который после вьщеления фильтром 11 нижних частот и усиления усилителем 12 через коммутатор 13 поступает на один из каналов интерферометра 1. При выборе частоты кварцевого генератора, равной Fr,4 , частота сигнала на выходе коммутатора 13 равна Таким образом обеспечивается автоматическое сопряжение между частотой источника, сигнала Fg,.. (на выходе коммутатора 13) и частотой настройки Fg преобразовательно- . го каскада, включающего генератор 4 перестраиваемой частоты, смеситель 3 и избирательный усилитель 5. Указанный метод формирования частоты измерительного сигнала позволяет исключить погрешность за счет частотного рассогласования, являющуюся . неизбежной при использовании раздельных источников сигнала и приемного избирательного устройства. Перестройка частоты измерительного сигнала на выходе коммутатора 13 и соответственно частоты настройки- Fg преобразовательного каскада осуществляется путем перестройки частоты Fj- электрически управляемого генератора 4.

Перестройка и подстройка по частоте генератора 4 осуществляется с помслцью блока 14 фазовой автоподстройки частоты, на вход которого с блока 15 управления подается цифровой сигнал в коде, соответствующем требуемой частоте настройки генератора 4. Зна чение рабочей частоты устройства из меряется с помощью электронно-счетн го частотомера 16, подключенного к выходу усилителя 12 и подается в блок 8 обработки и индикации. Последовательностьопераций, вып няемых Б процессе измерения блоком 15 управления и блоком 8 обработки индикации следующая. После установки в блоке 15 управ ления значений начальной и конечной частоты требуемого частотного диапа зона, а также значения шага перестройки по частоте блок 15 управления выдает управляющие сигналы на коммутаторы 2 и 13. В результате эт операции выбирается канал интерферо метра с исследуемым образцом. Далее с выхода блока 15 управления на управляющий вход блока 14 фазовой автоподстройки частоты пост пает сигнал в виде цифрового кода, устанавливающий частоту электрическ перестраиваемого генератора 4, равную РГ Ff7 , где FBJC - начальная частота выбранного частотно диапазона. Частота генератора 4 (Fp стабилизируется с помощью системы фазовой автоподстройки частоты блока 14 . В результате на вход выбранн го канала интерферометра подается . сигнал с частотой FBX Этот сигнал воздействует на пьез излучатель интерферометра и излучае мые им упругие волны принимаются пьезоприемником и далее через комму татор 2 после преобразования в смеси теле 3, селекции в избирательном уси лителе 5 и детектирования детектором 6 поступает на вход аналого-цифрово преобразователя 7. При поступлении из блока 15 управ ления на управляюодий вход аналогоцифрового преобразователя 7 сигнала запуска начинается процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой, по завершению которого цифровой сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя подается на вход бло ка 8 обработки и индикации. С приходом на управляющий вход блока 8 обработки и индикации синхронизирующего сигнала из блока 15 управления в блоке 8 осуществляется операция сравнения значения амплитуды сигнала с выхода детектора, преобразованного в цифровой код и, с предьщущим значением Uf,-i. При выполнении неравенства и„ и,, значение амплитуды сигнала U сохраняется а предьщущее значение сигнала U аннулируется (в исходном состоянии Un--, 0) Затем блок 15 управления на управ ляющий вход блока 14 фазовой автопод стройки частоты- вьщаётся новое значение цифрового кода, вызывающее приращение частоты перестраиваемого генератора 4 на заданную величину шага перестройки и в блоке 8 повторяется операция сравнения амплитуды сигнала с выхода детектора U, с предыдущим значением и . Процесс приращения частоты генератора 4 и сравнения амплитуд осуществляется до тех пор, пока не будет выполняться неравенство Uf, Ur, В этом случае с блока 8 обработки и индикации в блок 15 управления вьщаётся сигнал, обеспечивающий установку на выходе блока 15 управления цифрового кода, соответствующего предыдущему значению частоты генератора 4. Описанный алгофитм работы устройства обеспечивает отыскание значения частоты, при котором сигнал с выхода интерферометра имеет максимальное значение и.ах. Эта частота (fj) по команде из блока 15 управления измеряется с помощью электронно-счетного частотомера 16. Значение частоты fj с выхода электронно-счетного частотомзра 16 запоминается в блоке 8 Обработки и индикации и используется для расчета скорости и ультразвука в исследуемом образце. Затем блок 15 управления выдает управляющий сигнал на коммутаторы 2 и 13 для включения интерферометра с бидистиллированноП водой. Процесс перестройки по частоте и отыскание максимальной амплитуды UrTiai- фиксацией частоты fj осуществляется аналогичным образом как для интерферометра с исследуемым образцом. Расчет скорости ультразвука для бидистиллированной воды производится в блоке 8 обработки и индикации. Используя полученное значение скорости ультразвука в бидистиллированной воде, блок 8 обработки и индикации определяет абсолютное значение температуры в камерах интерферометра с точностью ±0,001°С, что имеет исключительно важное значение при измерении акустических параметров органических образцов и позволяет учитывать температурную погрешность с высокой точностью. Определение температуры производится методом сравнения расчетных значении скорости ультразвука я воде в зависимости от температуры с измеренным значением скорости ультразвука в воде. Затем блок 15 правления выдает управляющий сигнал а коммутаторы 2 и 13, обеспечиваюие подключение канала интерферомета с исследуемым образцом. Формула изобретения Устройство для измерения акустиеских параметров веществ. Содержаее акустический интерферометр, геератор перестраиваемой частоты, оединенный со смесителем, усилитель.

блок обрс1ботки и индикации, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повьгшения точности измерения и расширения частотного диапазо.на, в нем интерферометр выполнен двухканальным, в него введены два коммутатора, избирательный усилитель, детектор, аналого-цифровой преобразователь, кварцевый генератор, второй смеситель, фильтр нижних частот, блок фазовой автоподстройки частоты, электронно-счетный частотомер, при этом выход первого смесителя подключен через фильтр нижних частот ко входу усилителя, первый выход которого подключен через первый коммутатор ко входу интерферометра, к выходу которого подключен через второй коммутатор первый вход второго смесителя, ко второму входу которого подключен второй выход генератора перестраиваемой частоты, к выходу второго смесителя последовательно подключены избирательный усилитель, детектор, аналого-цифровой преобразователь своим первым входом и блок обработки и индикации, блок управления своими выходами подключен ко второму входу блока обработки и индикации, ко второму входу аналого-цифрового преобразователя, первому входу частотомера, к коммутаторам, через &лок автоподстройки, частоты - ко входу генератора перестраиваемой частоты, а входом - к выходу блока обработки и индикации, при этом второй вход HacTofoMepa подключен ко второму выходу усилителя, а выход - к третьему входу блока обработки и индикации.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Bolef D.J., IEEE trans, on sonlcs and ultrasonics, 10, № 1, p. 1926, 1963,

2,Авторское свидетельство СССР 599204, кл. G 01 N 29/00, 1978 (прототип) .

Г

тракт u5fiepe {/ff

;Г

П