Ультразвуковой измеритель высокого давления Советский патент 1988 года по МПК G01L9/08 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к технике измерений высоких давлений. Известен ультразвуковой измеритель давления, содержащий электро-:: акустически последовательно соединенные генератор импульсов, излучающий и приемный акустические преобразователи, после Ьовательно соединенные усилитель, селектор импульсов по длительности, каскад задержки,регулятор амплитуды импульсов, преобразова тель время-напряжение, сумматор, регистрирующий прибор, селектор импульсов по времени, аналоговый делитель, каскад опорного параметра. Недостатком данного изобратения является низкая чувствительность и точность измерения давления вследствие использования прямых методов измерения времени пробега ультразвуковой волны в контролируемой среде и невозможности применения этих устройств для измерения давления в мало габаритной камере высокого давления. Известентакже ультразвуковой измеритель давления, содержащий камеру высокого давления, эталонную среду, блок возбуждения и приема упругих - волн и измерительную схему, состоящую из генератора непрерывных колеба ний, частотомера, импульсного радиочастотного генератора, модулятора, усилителя и осциллографа. Недостатками этого устройства являются низкая точность и быстродейст вие вследствие малого отношения сигнал-шум, визуальной индикации и ручной установки частоты, соответствующей измеряемому давлению. Целью настоящего изобретения явля ется повышение точности-и быстродействия измерения давления. С этой целью ультразвуковой измеритель высокого давления, содержащий электроакустически соединенные камеру высокого давления эталонную среду блок возбуждения и приема упругих волн, частотомер., снабжен блоком час тотной модуляции, соединенным с пере страиваемым частотномодулируемым генератором высокий частоты, выход которого соединен с частотомером и че;рез блок формирования радиоимпульсов с генератором радиоимпульсов и блоком возбуждения и приема упругих волн; первым делителем частоты, соединенным с выходом опорного генерато ра частотомера, с блоком формирования радиоимпульсов, с вторым делителем частоты, выход которого подключен к одному из входов блока частотной модуляции и входу фазовращателя, причем выход первого делителя частоты соединен с усилителем с автоматической регулировкой усиления, соединенным с генератором радиоимпульсов и блоком возбуждения и приема упругих волн, детектором, выход которого подключен к блокам выделения амплитудной и паразитной амплитудной модуляции, соединенными с сумматором и блоком выбора отраженных сигналов, вход которого связан с первым делителем частоты, с cHHxpoHH iiM фильтром, подключенным к выходу сумматора и фазовращателя; синхронным детектором, соединенным с синхронным фильтром, фазовращателем и фильтром низких частот, выход которого через формирователь закона регулирования соединен с вторым : входом блока частотной модуляции; вычислительным блоком, вход которого подклк чен к частотомеру, а выход - к блоку индикации. На чертеже изображена блок-схема предложенного ультразвукового измерителя высокого давления. Ультразвуковой измеритель высокого давления содержит генератор 1 высокой частоты, блок 2 формирования радиоимпульсов, первый делитель 3 частоты, частотомер 4, второй делитель 5 частоты, блок 6 частотной модуляции, генератор 7 радиоимпульсов, блок 8 возбуждения и приема упругих волн, усилитель 9 с автоматической регулировкой усиления, пуансоны 10 камеры высокого давления, эталонную среду Л I, рабочую среду 12, детектор 13, блоки 14 и 15 выдепения соответственно амплитудной и паразитной амплитудной модуляции, блок 16 выбора отраженных сигналов, сумматор 17, синхронный фильтр 18, синхронный детектор 19, фазовращатель 20, фильтр 21 низких частот, формирователь 22 закона регулирования, вычислительный блок 23, блок 24 индикации. Устройство работает следующим образом... Частотномодулированное напряжение с выхода генер-атора 1 высокой частоты поступает на блок 2 формирования радиоимпульсов, на второй вход которого подается напряжение с выхода

первого делителя 3 частоты опорного генератора базы времени частотомера 4, частота которого определяет частоту следования радиоимпульсов. Эта частота делится вторым делителем 5 частоты в целое число раз и подается на блок 6 частотной модуляции, который управляет генератором 1 высокой частоты.

Таким образом, блок 2 формирования радиоимпульсов вырабатывает радиоимпульсы фиксированной длительности с частотой следования, определяемой делителем 3 частоты и частотой заполнения, модулированной по частоте более низкой частотой. Эти радиоимпульсы поступают на генератор 7 радиоимпульсов, которьй усиливает их и подавляет паразитную амплитудную модуляцию. Мощ1шй радиочастотный сигнал поступает на блок 8 возбуждения и приема упругих волн и одновременно дпя исключения перегрузки на время действия этого сигнала запирается усилитель 9 с автоматической регулировкой. Упругие волны проходят через пуансон 10 камеры высокого давления, отражаются от его границы с зталонной средой. 11 и через время, равное двойному BifeMeHH пробега через пуансон 10 камеры высокого да1вления преобразуются блоком 8 возбуждения и приема упругих волн в электрический сигнал, который подается на усилитель 9 с автоматической регулировкой усиления, на выходе которого благодаря действию автоматической регулировки усиления поддерживается постоянная амплитуда отраженного сигнала независимо от изменения затухания упругих волн в пуансонах 10 камеры высокого давления.

Система: камера высокого давления - эталонная среда И - рабочая средг1 12 для упругих волн является неоднородной линией с распределенными параметрами. При определенной частоте падающей ультразвуковой волны эталонная среда 11 будет четверть волновым трансформатором, согласующим линии пуансон 10 камеры высокого давления - рабочая среда 12 и амплитуда установившейся отраженной волны в линии будет равна нулю.

Но вследствие частотной модуляции падающей волны и нарушения условия идеального согласования линий указанная амплитуда отлична от нуля и изменяется с двойной частотой частотной модуляции ультразвуковой вол11Ы. При отклонении частоты ультразвуковой волны от среднего значения условие согласования линий нарушается и сигнал на выходе линии приобретает амплитудную -модуляцию, причем фаза этой, амплитудной модуляции определяется знаком отклонения частоты ультразвуковой волны от среднего значения. Кроме того, вследствие неидеальности частотной характеристики электроакустического тракта от генератора 1 высокой частоты до выхода усилителя 9 сигнал приобретает- паразитную амплитудную модуляцию с частотой частотной модуляции, при этом амплитуда модуляции падающей волны-равна величине паразитной амплитудной модуляции установившейся волны..

Полный отраженный сигнал с выхода усилителя 9 через детектор 13 подается на блок 14 выделения амплитудной

5 и блок 15 выделения паразитной амплитудной модуляции, управляемые блоком

16выбора отраженных сигналов с частотой следования радиоимпульсов и с их выходов сигналы амплитудной и паразитной амплитудной модуляции пода- ются на сумматор 17, где они инверсно складашаются и интегрируются.

Таким образом, на выходе сумматора 17 возникает низкочастотный периодический сигнал, амплитуда которого определяется исключительно степенью согласования линий, а частота - резонансной характеристикой согласующего четвертьволнового трансформатора. Если частота падающей ультразву ковой волны равнё среднему значению, частота сигнала на выходе сумматора

17равна удвоенной частоте частотной модуляции. При отклонении частоты паданяцей волны от среднего значения частота сигнала на выходе сумматора 17 равна частоте частотной модуляции, причем в зависимости от знака отклонения от среднего значения изменяется знак фазы этого едгнала.

Сигнал с выхода сумматора 17 подается на последовательно включенные синхронный фильтр 18 и синхронный детектор 19, управляемые первым делителем 3 частоты и через второй делитель 5 частоты фазовращателем 20, необходимым для комЪенсации фазового сдвига сигнала, вносимым интегратором сумматора 17. Синхронный Фильтр 598 18 вьщеляет сигнал из шума и этот сигнал детектируется синхронным детектором 19. Тем самым обеспечивается высокая чувствительность и изменение величины и полярности сигнала на выходе фильтра 2 низких частот в зависимости от величины и знака отклонения частоты ультразвуковой волны от среднего значения. Этот сигнал через формирователь 22 закона регулирования, обеспечивающий необходимые статические и динамические характеристики измерителя, подается на второй вход блока 6 частотной модуляции который поддерживает среднюю частоту генератора 1 высокой частоты так, чтобы сигнал на выходе фильтра низких частот был равен нулю, что соответствует равенству частоты ультразвуковой волны среднему значению частоты. Средняя частота генератора 1 высокой частоты измеряется частотомером 4, так как частота модуляции генератора 1 высокой частоты определяется генераторомбазы времени частотомера 4, и за время измерения частоты генератора 1 высокой частоты отклоняется от средней на постоянную величину равное число раз. Результат измерения частоты подается с частотомера 4 в вычислительный блок 23, в которьй предварительно введены параметры эталонной среды с известной зависимостью упругих 6 свойств от давления. После обработки этой информации вычислительным блоком 23 значение величинь.1 давления в камере вьщается на блок 24 индикации. При изменении давления в камере высокого давления резонансная частота трансформатора изменяется, отраженный сигнал приобретает амплитудную модуляцию и на выходе фильтра HiisKvix. частот возникает сигнал, величина и | знак которого определяется величиной и знаком отклонения давления. Этот сигнал через формироват(5ль 22 закона Регулирования и блок 6 частотной модуляции изменяет частоту генератора 1 высокой частоты так, чтобы выполнилось условие согласования при данном давлении в камере 10. высокого давления. При этом сигнал на выходе фильтра низких частот станет равным нулю и частотомер 4 измеряет частоту генератора 1 высокой частоты, соответствуняцую данному давлению,, а его величина индицируется блоком 24 индикацииПрименение ультразвукового измерителя давления позволило повысить точность и быстродействие при измерении высоких давлений за счет использования специального радиоимпульсного сигнала, воздействующего на акустическую систему, уменьшещя шумов электроакустического и измерительного трактов, а также обеспечения автоматизации измерений.

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, содержащий электроакустически соединенные камеру высокого давления, эталонную среду, блок возбуждения и приема упругих воли, частотомер, о т л и ч а ю -г; щ и и с я тем, что, с целью повышения точности и, быстродействия, он снабжён блоком частотной модуляции и соединенным с перестраиваемым частотомодулируемым генератором высокой частоты, подключенным к частотомеру и через блок формирования радиоимпульсов к геиератору радиоимпульсов, выход которого соединен с блоком возбуждения и приема упругих волн, при этом вход первого делителя частоты соединен с,выходом опорного генератора частотомера, а выход с блоком формирования радиоимпульсов и с вторым делителем частоты, выход которого подключен к одному из входов .блока частотной модуляции и входу фазовращателя, причем выход первого делителя частоты соединен также с усилителем с автоматической регулировкой усиления, подключенным входом к блоку. I возбуждения, и приема упругих волн, а выходом к детектору, выход которого соединен с входами блоков выделения амплитудной и паразитной ампли-г. тудной модуляции, соединенными с сумматором и с блоком выбора отраженных сигналов, вход которого сйязан с выходом первого делителя частоты и одним входом синхронного фильтра, под V) ключенного также к выходам сумматора и фазовращателя, выход которого соединен с одним из входов синхронного детектора, второй вход которого подключен к синхронному фильтру, а выход к фильтру низких частот, который сое- , динен через формирователь закона регулирования с вторым входом блока частотной модуляции, причем вход вычислительного блока соединен с выходом частотомера, а выход - с блоком индикации.