Способ измерения скорости ультразвука и устройство для его реализации Советский патент 1981 года по МПК G01N29/00 

54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

1

Изобретение относится к неразрушающему контролю ультразвуковым методом и может быть использовано для измерения скорости ультразвука для анализа состава газовых смесей.

Известен частотно-импульсный метод косвенного измерения скорости ультразвука и соответствующее ему устройство, основанные на измерении отношения частот автоциркуляции электроакустических импульсов в измерительном и эталонном канале .

Недостаток известного способа и устройства состоит в том, что при точных измерениях появляется относительная погрешность измерений, обусловленная запаздыванием |импульса BI защитных мембранах, звукопроводах и электронной схеме.

Наиболее близок к данному изобретению по технической сущности и достигаемому результату способ измерения скорости ультразвука, заключающийся в том, что в контролируемой и эталонной среде возбуждают излучателем ультразвуковые импульсы, приинмают основным приемником ультразвуковые импульсы, прошедшие через среду, формируют электрический импульс, которым снова возбуждают

излучатель, обеспечивают с помощью дополнительного приемника однонаправленное прохождение ультразвуковым импульсом пути от излучателя к основному приемнику, формируют в контролируемом и эталонном каналах прямоугольные импульсы с частотой своего канала и длительностью, равной времени прохождения ультразвуtoковым импульсом пути от дополнительного до основного приемника соответственно в контролируемой и эталонной средах, заполняют указанные прямоугольные импульсы высокочастотными импульсами стабильной частоты и подсчитывают число электрических импульсов контролируемого канала за интервал времени, в течение которого количество высокочастотных им20пульсов, заполняющих прямоугольные импульсы, этого канала, достигнет заданного числа, а о скорости ультразвука судят по частоте следования интервалов в калиброванный ин25тервал времени, а также устройство для осуществления этого способа, содержащее соответственно в контролируемом и эталонном каналах последовательно соединенные генератор импульсов и излучатель, основной при-емник, основной усилительно-формирующий блок,выход которого подключен ко входу генератора импульсов, преобразователь, предназначенный для расположения соответственно в контролируемой и эталонной средах на пути, распрос гр&нения ультразвунового иАпульса между излучателем и основным приемником и присоединенный электрическим выходом к дополнительному усилительно-формирую щему блоку, триггер, первый вход ко торого соединен с выходом дополнител ного усилительно-формирующего блока а второй вход - с выходом основного усилительно-формирующего блока, последовательно соединенные первый генератор высокочастотных импульсов, первый каскад совпадений, делитель частоты, второй каскад совпадений и реверсивный счетчик импульсов, а вто рой вход триггера в контролируемом канале соединен со вторым входом вто рого каскада совпадений, выход - со вторым входом первого каскада совпадений . Недостаток известных технических решений состоит в том, что при их использовании для косвенных измерений скорости ультразвука точность измерений является низкой. Целью изобретения является увеличение точности измерений. Указанная цель достигается тем, что по окончании подсчета числа электрических импульсов контролируе мого канала отсчитывают стол-ько же электрических импульсов эталонного канала, а о скорости ультразвука су дят по общему числу высокочастотных импульсов, заполняющих прямоугольные импульсы эталонного канала. Предлагаемый способ осуществляет Устройством, снабженным третьим и четвертым каскадами совпадений, вто рым генератором высокочастотных импульсов и вторым счетчиком импульсо первый счетчик импульсов выполнен р версивным, его суммирующий вход соед нен с выходом второго каскада совпа дений, вычитающий вход - с выходом тр тьего каскада совпадений,а выход сое динен с первьпии входами третьего и четвертого каскадов совпадений,второ вход третьего каскада совпадений со динен с выходом делителя частоты, с вторым входом четвертого каскада со падений и со входом сброса второго счетчика импульсов, счетный вход ко торого соединен-с выходом .четвертого каскада совпадений, третий вход четвертого каскада совпадений соединен с выходом триггера эталонного канала, четвертый в-ход четвертого к када совпадений соединен с выходом второго генератора высокочастотных импульсов, а третий вход третьего каскада совпадений соединен с выходом основного усилительно-формирующего блока эталонного канала. На чертеже представлена блок-схема устройства для реализации способа. Устройство для осуществления способа содержит соответственно в контролируемом и эталонном каналах последовательно соединенные генератор 1импульсов и излучатель 2, основной приемник 3,основной усилительно-формирующий блок 4, выход которого подключен ко входу генератора 1 импульсов, преобразователь 5, предназначенный для расположения соответственно в контролируемой и эталонной средах на пути распространения ультразвукового импульса между излучателем 2и основным приемником 3 и присоединенный электрическим выходом к дополнительному усилительно-формирующему блоку 6, триггер 7, первый вход которого соединен с выходом дополнительного усилительно-формирующего блока б, а второй вход - с выходом основного усилительно- формирующего блока 4, последовательно соединенные первый генератор 8 высокочастотных импульсов, первый каскад 9 совпадений делитель 10 частоты, второй каскад 11совпа,дений и реверсивный счетчик 12импульсов, а второй, триггера 7 в контролируемом канале соединен со вторым входом второго каскада 11 совпадений, выход - со вторым входом первого каскада 9 совпадений. Устройство снабжено третьим и четвертым каскадом 13,14 совпадений, вторым генератором 15 высокочастотных импульсов и вторым счетчиком 16 импульсов, первый счетчик 12 импульсов выполнен реверсивным, его суммирующий вход соединен с выходом второго каскада 11 совпадений, вычитающий вход с выходом третьего каскада 13 совпадений , а выход соединен с первыми входами третьего и четвертого каскадов 13,14 совпадений, второй вход третьего каскада 13 совпадений соединен с выходом делителя 10 частоты, со вторым входом четвертого каскада 1.4 совпадений и со входом сброса второго счетчика 16 импульсов, счетный вход которого соединен с выходом четвертого каскада 14 совпадений, третий вход четвертого каскада 14 совпадений соединен с выходом триггера 7 эталонного каскада, четвертый вход четвертого каскада 14 совпадений соединен с выходом второго генератора 15 высокочастотных импульсов,а третий вход третьего каскада 13 совпадений соединен с выходом основного усилительно-формирующего блока 4 эталонного канала. Устройство работает следующим образом. . В контролируемом канале генератор 1 выраба.тывает электрический импульс поступающий на излучатель 2, который преобразует его в акустический импульс. Акустический импульс, пройд контролируемую среду, частично принимается преобразователем 5, частично отражается от его плоскости и принимается приемником 3 преобразуется в электрический, проходит основной усилительно-формирующий блок 4, поступает на вторые входы триггера 7 и каскада 11 совпадений, а также на вход генератора 1, вызывая повторный цикл генерации и распространения электроакустических импульсов по синхрокольцу, образованному блоком 4, генератором 1, излучателем 2, приемником 3 и преобразователем 5. Акустический импульс, принятый преобразователем 5, преобразуется в электрический , проходит через дополнительный усилительно-формирующий блок б и поступает на первый вход триггера 7. Электрический импульс с выхода триггера 7, по длительности равный сумме паразитного времени задержки и времени прохождения акустического импульса в среде от- излучателя 2 до преобразователя 5, поступает на второй вход каскада 9, чем прерывает прохождение импульсов с выхода генератора 8 через каскад 9 на вход делителя 10. Электрические импульсы с выхода делителей 10, увеличенные по длительности прямо пропорциолально доле паразитного времени задеряски и времени прохождения акустического импульса в среде от излучателя 2 до преобразователя 5, поступают на первый вход каскада 11 совпадений и управляют прохождением импульсов с выхода блока 4 на суммирующий вход счетчика 12.

В эталонном канале генератор 1 вырабатывает электрический импульс, поступающий на излучатель 2, который преобразует его в акустический импульс. Акустический импульс, пройдя эталонную среду, частично принимается преобразователем 5, частично отражается от его плоскости и принимается приемником 3, проходит через основной усилительно-формирующий бло 4, поступает на второй вход триггера 7, а также на вход генератора 1, вызывая повторный цикл генерации и распространения электроакустических импульсов по синхрокольцу,образованному блоком 4, генератором 1, .излучателем 2, приемником 3 и преобразователем 5. Акустический импульс, принятый преобразователем 5, преобразуется в электрический, проходит дополнительный усилительно-формирующий блок б и поступает на первый вхо триггера 7.

В момент подачи запрещающего сигнала с выхода делителя 10 на первый вход каскада 11 прекращается прохождение импульсов с выхода блока 4 на суммирующий вход счетчика 12, в

котором записывается число, пропорциональное скорости ультразвука в контролируемом канале, в тот же момент времени со второго выхода делителя 10 поступает разрешающий сигнал на вторые входы каскадов 13, 14 совпадений. Передний фронт разрешающего сигнала с выхода делителя 10 одновременно поступает на вход сброса счетчика 16, что вызывает обнуление его разрядов. Поскольку

o на первых входах каскадов 13 14 имеется разрешающий потенциал с выхода счетчика 12, то одновременно начинается поступление импульсов с выхода блока 4 через каскад 13 на

5 вычитающий вход счетчика 12, а также импульсов с выхода генератора 15 через каскад 14 на вход счетчика 16.

Поступление импульсов с выхода генератора 15 через каскад 14 на вход счетчика 16 прерывается - ; мпульсами,

0 поступающими с выхода триггера 7 на третий вход каскада 14 иравными по длительности сумме времени распространения акустического импульса в эталонном канале от излучателя 2 до

5 преобразователя 5 и паразитного времени задержки эталонного канала.

В момент обнуления разрядов счетчика 12 поступает запрещающий сигнал на первые входы каскадов 13 и 14, чем

0 прекращается поступление импульсов с выхода блока 4 через каскад 13 на вычитающий вход счетчика 12, а также импульсов с выхода генератора 15 через к С1сад 14 на вход счетчика 16,

5 на индикаторах которого высвечивается число, равное отношению скоростей распространений ультразвука в контролируемом и эталонном канале. И:. Индикация результата измерений продолжается до момента появления разре0шающего . сигнала с выхода делителя 10 на входе каскада 11, а следовательно запрещающего сигнала с выхода делителя 10 на вторых входах каскадов 13 и 14, так как

5 передний фронт запрещающего сигнала при появлении на входе счетчика 16 не способен обнулить его.

В момент появления второго запре- щающего сигнала с выхода делителя 10

0 на входе каскада 11 процесс измерений повторяется.

Число Ny импульсов, поступивших на суммирующий вход счетчика 12,

м -fr

ПЛВНГ)

.T;

СО

5

к - постоянный коэффициент,

где

т время распространения акус1 к

. тического сигнала между преобразователем 5 и при0емником 3 в контролируемом канале;

С| - скорость ультразвука в контролируемом канале;

К - коэффициент деления частоты делителем 10.

5

При поступлении импульсов автоциркуляции с выхода блока 4 через каскад 13 на вычитающий вход счетчика 12 с периодомТ, равным

T--TVTVA, С 2

-г

время распространения акустде I тического импульса между преобразователем 5 и приемником 3 в эталонном канале)

Твремя распространения акустического импульса между излучателем 2 и преобразователем 5 в эталонном канале, паразитное время задержки (в

д электронной схеме, мембранах и звукопроводах ) в эталонном канале, сформируется интервал Тл времени, равный:

(т%т- д). (з;

Интервал Т времени, в течение кото- рого импульсы с выхода генератора 15 не пройдут на вход счетчика 16 через каскад 14, составит

Т2 м(т+л),.(т+л). (л;

Для измерительного интервала Ти времени справедлива запись

(.,с.)

сь-)

КС(Т4Л)КС ,Т

За интервал Т. на вход счетчика 16 через каскад 14 с выхода генератора 15 пройде т число fsjL импульсов с периодом TO,равное

Ik. JibsL

(ь)

т.

тб

Принимая -во внимание выражение (1) и возможность стабилизшдии величин

N//, имеем

. т,, и TO для

N-.Holl

СО

X Т„ Т . с g

где К - постояниый коэффициент; С - скорость ультразвука в

эталонном канале. Таким образом, результат косвенных измерений скорости распространения ультразвуковых колебаний по описываемому способу и устройству практически не зависит от паразитных времен задержек я каналах и от времени распространения сигнала меж ду излучателем и преобразователем, т.е. в зоне неустановившегося режима распространения акустических импульсов, что noSfciUtiaeT точность измерений скорости ультразвука, npi соответствующем выборе величин Т и Т- погрешность измерений на несколько порядков меньше, чем при использовании известных синхрокольцевых методов и устройств косвенног-о измерения скорости ультразвука.

Формула изобретения

что в контролируемой и эталонной среде возбуждают излучателем ультразвуковые импульсы, принимают основным приемником ультразвуковые импульсы, прошедшие через среду, формируют электрический импульс, которым снова возбуждают излучатель, обеспечивают с помощью дополнительного приемника однонаправленное прохождение ультразвуковым импульсом пути от излучателя к основному приемнику, формируют в контролируемом и эталонных каналах прямоугольные импульсы с частотой своего канала и длительностью, равной времени прохождения ультразвуковым импульсом пути от дополнительного до основного приемника соответственно в контролируемой и эталонной средах, заполняют указанные прямоугольные импульсы высокочастотными импульсами стабильной частоты и подсчитывают число электрических импульсов контролируемого канала за интервал времени, в течение которого количество высокочастотных импульсов, заполняющих прямоугольные импульсы этого канала, достигнет заданного числа, а о скорости ультразвука судят по частоте следования интервалов импульсов в калиброванный интервал времени, -отличающийся .тем, что,, с целью увеличения точности измерения по окончании подсчета числа электрических импульсов контролируемого канала отсчитывают столько же электрических импульсов эталонного канала, а о скорости ультразвука судят по общему числу высокочастотных импульсов, заполняющих прямоугольные импульсы эталонного канала.

2,Устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее соответственно в контролируемом и эталонном каналах последовательно соединенные генератор импульсов и излучатель основной приемник основной усилительно-формирующий блок, выход которого подключен ко входу генератора импульсов, преобразователь, предназначенныи для расположения соответственно в контролируемой и эталомной средах на пути распространения ультрагвукового импульса мемщу излучателем и основным приемником и присоединенный электрическим выходом

к дополнительному усилительно-формирующему блоку, Триггер, перпый вход которого соединен с выходом дополнительного усилительно-формирующего блока, а второй вход - с выходом осиоБНого усилительно-формирующего блока, последовательно соединенные первый ген.ератор высокочастотных импульсов, первый каскад совпадений, делитель частоты, второй каскад совпадений и реверсивный счетчик импульсов, а второй вход триггера в контролируемом канале соединен со вторым входом второго каскада совпадений, выход - со вторым входом первого каскада совпадений, отличающееся тем, что оно снабжено третьим и четвертым каскадами совпадений, вторым генератором высокочастотных импульсов и вторым счетчиком импульсов, первый счетчик импульсов выполнен реверсивным, его суммирующий вход соединен с выходом второго каскада совпадений , вычитающий вход - с выходом третьего каскада совпадений, а выход соединен с первыми входами третьего и четвертого каскадов совпадений, второй вход третьего каскада совпадений соединен с выходом делителя частоты, со вторым входом четвертого каскада совпадений и со входом сброса второго счетчика импульсов, счетный вход которого соединен с выходом четвертого каскада совпадений, третий вход четвертого каскада совпадений соединен с выходом триггера эталонного канала, четвертый вход четвертого каскада совпадений соединен с выходом второго генератора высокочастотных импульсов, а третий вход третьего каскада совпадений соединен с выходом основного усилительно-формирующего блока эталонного канала.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

5 1. Бражников Н.И. Ультразвуковые методы. М.-Л., Энергия, 1965, с. 133, 125-129.

2. Авторское свидетельство СССР 20 № 679866, кл. G 01 N 29/00, 1977 (прототип.