Способ измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений и может найти применение в химической промыпшенности , в научно-исследовательских и заводских лабораториях для прецизионных измерений акустических параметров жидких сред. Целью изобретения является повышение точности, сокращение времени и упрощение измерений за счет трехуровневой модуляции фазы. Создают стоячие волны в акустической камере с исследуемой средой,, дискретно модулируют разность фаз между сигналом на входе и сигналом на выходе акустической камеры, осуществляют трехуровневую модуляцию разности фаз, измеряют разность между суммой двух крайних модуляционных частот и удвоенной частотой опорной фазы, соответствующей средней фазе модуляции, изменяют опорную фазу на величину, пропорциональную измеренной разности частот, до сведения к нулю этой разности, по частоте опорной фазы определяют скорость распространения , а с учетом девиации частоты - коэффициент поглощения ультразвука . Устройство через последовательно соединенные таймер первьй и второй счетные триггеры, первьй реверсивный счетчик, буферньй регистр, цифрос S аналоговый преобразователь,сумматор, фазовращатель, фазовый детектор,второй вход которого соединен с выходом фазовращателя, генератор, подключенный к входу измерительной камеры, а также задержки, дефференцирующую цепь и две схемы совпадею О) ния вьзделяет опорную фазу, по которой определяют искомые параметры. Посредством третьей и четвертой схем ел Од о сд совпадения, подключенных, соответственно , через второй реверсивный счетчик и счетчик к буферному регистру , инициируют показания девиации частоты. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„.SU, 12 5605 (50 4 G 01 N 29/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A BTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3949566/25-28 (22) 19,07.85 (46) 23.10.86. Бюл. У 39 (71) Институт биологической физики АН СССР (72) В.Н.Шестимиров и А.П.Сарвазян (53) 620.179.16(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 587389, кл. 6 01 N 29/00,1978. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к области ультразвуковых измерений и может найти применение в химической промышленности, в научно-исследовательских и заводских лабораториях для прецизионных измерений акустических параметров жидких сред. Целью изобретения является повышение точности, сокращение времени и упрощение измерений за счет трехуровневой модуляции фазы. Создают стоячие волны в акустической камере с исследуемой средой, дискретно модулируют разность фаз между сигналом на входе и сигналом на выходе акустической камеры, осуществляют трехуровневую модуляцию разности фаз, измеряют разность между суммой двух крайних модуляционных частот и удвоенной частотой опорной фазы, соответствующей средней фазе модуляции, изменяют опорную фазу на величину, пропорциональную измеренной разности частот, до сведения к нулю этой разности, по частоте опорной фазы определяют скорость распространения, а с учетом девиации частоты — коэффициент поглощения ультразвука. Устройство через последовательно соединенные таймер первый и второй счетные триггеры, первый реверсивный счетчик, буферный регистр, цифроаналоговый преобразователь, сумматор, фаэовращатель, фазовый детектор,второй вход которого соединен с выходом фаэовращателя, генератор, подключенный к входу измерительной камеры, а также элемент задержки, дефференцирующую цепь и две схемы совпадения выделяет опорную фазу, по которой определяют искомые параметры.

Посредством третьей и четвертой схем совпадения, подключенных, соответственно, через второй реверсивный счетчик и счетчик к буферному регистру, инициируют показания девиации частоты. 2 с.п.ф-лы, 4 ил.

1 12656

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений и может найти применение в химической проI мышленности, в научно-исследовательских и заводских лабораториях для 5 прецизионных измерений акустических параметров жидких сред.

Цель изобретения — повышение точности, сокращение времени и упрощение измерений за счет трехуровневой 1О модуляции фазы.

На фиг.1 показана форма фазочастотной характеристики (ФЧХ) измерительной камеры с исследуемой средой; на фиг 2 — блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.3 — временная диаграмма работы устройства; на фиг.4— соотношение измеряемых величин.

Устройство для реализации предлагаемого способа содержит измерительную камеру 1 постоянной длины с излучающим 2 и приемным 3 ультразвуковыми преобразователями, фазовращатель

4, управляемый по частоте генератор р5 выход которого соединен с излучающим ультразвуковым преобразователем 2 и входом фазовращателя 4, фазовый детектор 6, первый вход которого соединен с выходом приемного ультразвукового преобразователя 3, а второй вход — с выходом фазовращателя 4, последовательно соединенными таймером 7, первым 8 и вторым

9 счетными триггерами, элементом 10 задержки и дифференцирующей цепью 11, 35 последовательно соединенными первым реверсивным счетчиком 12, первым бу= ферным регистром 13, цифроаналоговым преобразователем 14 и сумматором 15, 40 выход которого соединен с управляющим входом фазовращателя 4, четырь,мя схемами 16 — 19 совпадения, последовательно соединенными вторым буферным регистром 20 и схемой 21 отобра,45 жения, вторым реверсивным счетчиком

22, выходы которого соединены с входами второго буферного регистра 20, счетный вход второго реверсивного счетчика 22 — с выходом первой схемы 16 совпадения, а управляющий вход—

50 с выходом первого счетного триггера

8 и первым входом второй схемы 17 совпадения, выход которой соединен с вторым входом сумматора 15, а второй вход второй схемы совпадения 17 с прямым выходом второго счетного триггера 9, управляющим входом первого реверсивного счетчика 12, входами

05. 2 записи первого 13 и второго 20 буферных регистров и вторым входом первой схемы 16 совпадения, первый вход которой соединен с первым входом третьей схемы 18 совпадения, счетным входом первого реверсивного счетчика 12 и выходом четвертой схемы 19 совпадения, первый вход которой соединен с выходом генератора 5, а второй вход — с выходом таймера 7, третьим счетчиком 23, выходы которо(го соединены с входами второго буферного регистра 20, счетный вход — с выходом третьей схемы 18 совпадения, второй вход которой соединен с инверсным выходом второго счетного триггера 9 и третьим входом сумматора 15, выход фазового детектора 6 соединен с управляющим входом генератора 5, входы установки в нуль счетчика 12, 22 и 23 соединены с выходом дифференцирующей цепи 11.

Сумматор 15 обеспечивает суммирование сигналов, поступающих íà его входы. Коэффициент суммирования по третьему входу в,цва раза меньше коэффициента суммирования по второму входу. Реверсивные счетчики 12 и 22 выполняют суммирование и вычитание числа. периодов сигналов, поступающих на счетные входы. Суммирование происходит при единичном, а вычитание при нулевом уровнях на управляющих входах счетчиков. Третий счетчик 23 имеет на входе счетный триггер. Этот триггер выполняет функцию деления на два.Схема 21 отображения обеспечивает вывод на индикацию значений, поданных на ее вход.

Буферные регистры 13 и 20 запоминают на выходах входные коды, соответствующие моменту появления на входе записи каждого регистра переднего фронта сигнала. Дифференцирующая цепь 11 формирует короткий им пульс, соответствующий переднему фронту поступающего на ее вход сигнала.

Таймер 7 формирует цифровой сигнал, высокий и низкий уровни которого по длительности строго фиксированы. Высокий уровень определяет интервалы счета Т,ц частоты, а низкий превышает время установления переходного процесса в акустической камере (фиг.3)

Способ реализуется с помощью устройства следующим образом, Измерительную камеру 1 заполняют растворителем с известными значениями

3 1265605 4

Устройство работает по циклам, задаваемым с помощью сигнала Т„ на прямом выходе второго счетного триггера 9. Сигнал Т формируется путем деления частоты сигнала модуляции фаз + о Ч, поступающего с выхода первого счетного триггера 8.

При низком логическом уровне сигнала Т запрещается прохождение сигнала + 3Ч с выхода первого триггера 8 на второй вход сумматора 15, на третий вход которого в это время с инверсного выхода второго триггера 9 подается единичный логический уровень, который суммируется с коэффициентом 0,5 по отношению к сигналам, поступающим на второй вход сумматора 15. Система ФАПЧ, отслеживая сигналы с выхода сумматора 15, настраивает генератор 5 последовательно на три точки ФЧХ измерительной камеры

1: на опорную с фазой P,, соответствующую нулевому состоянию второго триггера 9; на Ч вЂ” —, соответст1Т вукицую интервалу совпадения единичных уровней обоих триггеров; на

Ч + 7 вЂ, соответствующую совпадео нию единичного состояния второго триггера 9 с нулевым состоянием первого триггера 8. Частоты генератора

f (V,), f (е ) и f (Ч + ), соответствующйе фазам у, 1 — — и

q + 1-, являются исходнйми для вью 4 числения величины S f пропорциональной коэффициенту поглощения уль25

Коэффициент поглощения в исследуемой среде d определяют в соответ- . ствии с выражением (2) 30 где  — постоянная, характеризующая потери энергии в измерительной камере 1, не связанные с поглощением ультразвука в исследуемом растворе. 35

1 р ы. с

В = — —— (8 f р1 (Ч) р тГ (3) р о

Величину В определяют один раз для конкретной измерительной камеры 1 по величинам девиации частоты, частоты опорной фазы и известным табличным величинам с(и С для растворителя р (в данном случае — воды), залитого в измерительную камеру 1 °

Устройство работает следующим образом.

Напряжение генератора 5 возбуждает излучающий. ультразвуковой преобра-50 зователь 2, который излучает ультразвуковые волны, распространякициеся.в исследуемой среде, заполняющей измерительную камеру 1. Ультразвуковые волны преобразуются в электрические .коле55 бания приемным ультразвуковым преобразователем 3 и поступают на первый вход фазового детектора 6, на второй скорости распространения С и коэф- вход которого подается сигнал генеP фициента поглощения Ы ультразвука. Ратора 5, сдвинутый по фазе фаэовраР

Для биологических сред в качестве щателем 4. растворителя как правило, используют

С выхода фазового детектора 6 дистиллированную воду, в которой скосигнал уровня, пропорционального разрость распространения ультразвука С ности фаз входных сигналов, поступает иа вход генератора 5 в качестве фициент поглощения ot равен 3.10 Пп/м. с сигнала отрицательной обратной связи, Записывают установившиеся значения обеспечивающей фаэовую автоматическую частоты опорной фазы Й (У ) и депостройку частоты (ФАПЧ), которая виации частоты Ь и . Затем измерисводит к нулю разность фаз тельную камеру 1 заполняют исследу1, 2. сигналов, поступающих на входы фазоемым раствором .и по установившимся .вого детектора 6. Фазовращатель 4 значениям частоты опорной фазы f (Ч) периодически по сигналам + р пери девиации частоты 3 Й„ определяют 15 вого счетного триггера 8 (фиг.3), скорость распространения и коэффиципоступающим через вторую схему 17 ент поглощения ультразвука для исслесовпадения и сумматор 15 на управляюцуемого раствора. Ъ щий вход фаэовращателя 4, генерируСкорость ультразвука С„ в исслеет скачки фазы величиной + —, кодуемом растворе определяется из сле- 20

1 торые компенсируются sa счет передующего выражения: стройки частоты генератора 5 по цеf (У ) — К (Т ) 1 пи ФАПЧ.

С С (1 + - — - — — е — -з. (1) и р (u )

P a

12656

5 тразвука и величины д f, пропорциональной шагу подстройки устройства.

Величина дй формируется в первом реверсивном счетчике 12, на счетный вход которого поступает сигнал с генератора 5, совпадающий с еди- ничным уровнем сигнала Т,„, поступающего на второй вход схемы 19 совпадения с выхода таймера 7. При по10 ступлении на управляющий вход перво-

1 го реверсивного счетчика 12 единичного уровня он производит суммирование частот f (, — †- ) и f (Ч + †), соответствующих первому и второму интервалам счета (фиг.3). Частота

К (Ч ), соответствующая третьему и о четвертому интервалам счета, будет дважды вычтена из кода, накопленного за первые два интервала. Вычитание обеспечивается поступлением ну20 левого уровня на управляющий вход первого реверсивного счетчика 12 с выхоца второго триггера 9..

Код девиации частоты Я f формиру25 ется на выходе второго реверсивного счетчика 22 за счет того, что на .,счетный вход этого счетчика поступает сигнал с выхода первой схемы 16 совпадения, на первый вход которой поступает сигнал с выхода четвертой схемы совпадения, а на второй вход— сигнал с выхода второго триггера 9, который единичным уровнем разрешает прохождение сигналов частоты (V — †) и f (- + ), соответо р 4 ствующих единичному и нулевому уровням сигнала + оУ . Сигнал, поступающиИ на управляющий вход второго реверсивного счетчика 22 с выхода первого триггера 8, обеспечивает суммирование кода f (p — — ) и вычитание

ЧТ о кода Е (р + — ). о

Величина 1 (y ) формируется на о счетчике 23 за счет поступления на

его счетный вход сигнала частоты re-, 45 нератора 5, прошедшего через схему

19 совпадения на первый вход схемы

18 совпадения, на второй вход которой поступает сигнал единичного уровня, совпадающий с третьим и четвертым интервалами счета.

По окончании каждого цикла с помощью фронта сигнала Т, поступившего с прямого выхода второго триггера 9 на входы записи буферных регистров

13 и 20, коды, сосчитанные на счетчиках 12, 22 и 23, переписываются в соответствующие буферные регистры. Спустя задержку, нео;:ходимую для переписи кодов, сигналом R поступившим на входы установки в нуль счетчиков

12, 22 и 23 с прямого выхода второго триггера 9 через элемент 10 задержки и дифференцирующую цепь 11, производится сброс накопленных в счетчиках кодов. Коды Б Г и f(v ), записанные о в буферный регистр 20, поступают на вход схемы 21 отображения. Величина д Й, записанная в буферный регистр

13, в цифроаналоговом преобразователе 14 преобразуется в аналоговую величину и через первый вход сумматора 15 поступает на управляющий вход фазовращателя 4 в качестве сигнала отрицательной обратной связи, обеспечивающей подстройку фазы сигнала, поступающего на второй вход фазового детектора 6.

В процессе подстройки за счет перемещения точки Ч ФЧХ в точку симметрии разность частот дй сводится до нуля. Процесс подстройки поясняет фиг.4. При смещении опорной фазы относительно центра симметрии о вправо (в центре симметрии y = nTf)

1Д средняя частота модуляции Е р оольше

Р(ч,) и разность частот д Е>0,что показано на фиг.4а. При смещении М, влево относительно фазы ч", = nil (фиг.4б) частота f меньше f(9, ), а a fc 0. При 9, =. п ТГ (фиг. 4в) величина д и равна нулю. За счет данной цепи подстройки компенсируют малые смещения М, а грубые смещения устраняют при настройке устройства с помощью выбора режима работы фазовращателя, при котором P лежит в окрестности фазы q = пТГ, что

1,2 контролируют rro величине f. Малые отклонения У приводят к пропорциональному изменению аf которые и компенсируются с помощью рассматриваемой цепи подстройки фазовращателя 4.

Преимущества предлагаемых способа и устройства объясняются следующими обстоятельствами.

Повышение точности измерений обусловлено высокой чувствительностВю величины разности частот af, выделяемой в качестве сигнала отрицательной обратной связи в цепи подстройки фазовращателя к отклонению опорной фазы от центра симметрии ФЧХ, соответствующего середине резонанса.

Как видно из фиг.1, на которой пока7 1265605 8

20 зана примерная форма ФЧХ, если р соответствует центру симметрии ФЧХ— измеряемая разность частот дЕ равна нулю. Отклонение частоты .опорной фазы на df приводит к появлению не нулевой разности частот д Е, равной

2(k — 1)df „

d4 (d Ч где k = — (<+gy:

df o df характеризует отношение приращений частоты в точках Р, + Я у по отношению к приращению частоты в центре, ФЧХ при смещении опорной фазы на величину Й .

В известном способе отклонение частоты, соответствующей средней фазе модуляции, от центральной частоты

ФЧХ на малую величину df не приводит к изменению девиации частоты 8 f в результате того, что обе частоты

f(V -8V ) и f(V. +8+) получают одинаковые по знаку и величине приращения. Теоретически предлагаемое техническое решение имеет бесконечно большую чувствительность по сравнению с известным. Практически величина k равна 2,6, поэтому отклоне,ние частоты опорной фазы на + О,З Гц приводит к появлению разности частот лЙ = + t Гц. Для известного способа отклонение частоты опорной фазы,приводящее к выявлению разности девиации частоты S f в 1 Гц, соответствует величине df = 20 — 40 Гц, которая сильно зависит от коэффициента поглощения. Для предлагаемого способа подстройка осуществляется за один цикл измерения и только то да, когда а f не равна нулю.

Формула изобретения

1. Способ измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука, заключающийся в соз-, дании стоячих волн в акустической камере с исследуемой средой и дискретной модуляции разности фаз между сигналом на входе и сигналом на выходе акустической камеры, о т л и ч а ю " шийся тем, что, с целью повышения точности, сокращения времени и упрощения измерений, осуществляют трехуровневую модуляцию разности фаз, измеряют разность между суммой двух частот, соответствующих фазам крайних уровней модуляций, и удвоенной

55 частотой, соответствующей фазе сред. него уровня модуляции, изменяют полученную разность частот до нуля и получают фазу, по частоте которой су дят о скорости распространения ультразвука, а по девиации этой частоты судят о коэффициенте поглощения ультразвука.

2. Устройство для осуществления способа измерения скорости распрост- ранения и коэффициента поглощения ультразвука, содержащее измерительную камеру постоянной длины с излучающим-и приемным ультразвуковыми преобразователями, фазовращатель, генератор, выход которого соединен с излучающим ультразвуковым преобразователем и входом фазовращателя, фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом приемного ультразвуково го преобразователя, а второй вход — с выходом фазовращателя, о т л и ч а ющ е е с я тем, что оно снабжено последовательно соединенными таймером, первым и вторым счетными триггерами, элементом задержки и дифференцирующей цепью, последовательно соединенн. ми первым реверсивным счетчиком, первым буферным регистром, цифроаналоговым преобразователем и сумматором, выход которого соединен с управляющим входом фазовращателя, четырьмя схемами совпадения, последовательно соединенными, вторым буферным регистром и блоком отображения, вторым реверсивным счетчиком, выходы которого соединены с входами второго буферного регистра, счетный вход соединен с выходом первой схемы совпадения, а управляющий вход с выходом первого счетного триггера и первым входом второй схемы совпадения, выход которой соединен с вторым входом сумматора, а второй вход — с прямым выходом второго счетного триггера, управляющим входом первого реверсивного счетчика, входами записи первого и второго буферных регистров и первым входом первой схемы совпадения, второй вход которой соединен с первым входом третьей схемы совпадения, счетным входом первого реверсивного счетчика и выходом четвертой схемы совпадения, первый вход которой соединен с выходом генератора, а второй вход — с выходом таймера, третьим счетчиком, выходы которого соединены с входами второго буферного регистра, счетный вход — с выходом

9 1265605 10 третьей схемы совпадения, второй вход тектора соединен с входом генератора, которой соединен с инверсным выходом входы установки в нуль всех счетчиков второго счетного триггера и третьим соединены с выходом дифференцирующей ,входом сумматора, выход фазового де- цепи.

Фиг.2 нтердалы усаанойения

1265605 у Ю о

q X г/щ // у л

g 0//

0 п7

Редактор Н.Яцола

Заказ 5654/38 Тираж 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий.

113035,Москва,Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие,г.Ужгород,ул.Проектная,4

4 7

Составитель А.Елкин

Техред В.Кадар Корректор .В.Синицкая