Устройство для измерения скорости звука

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 Н 5/00

ЬЭ

1Ор о 4

М1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4827111/28 (22) 17.05.90 (46) 23.04.92. Бюл. М 15 (71) Научно-производственное объединение космических исследований (72) А.М. Измайлов, Е.B. Митрофанова, А.А, Камилов и Б.А. Наджафов (53) 620.179.16 (088.8) (56) Патент Великобритании

N. 1291181, кл. G 01 Н 5/00, 1972.

Исмаилов T.Ê., Измайлов А.М. и Аллахвердов Ф,М. Состояние и некоторые перспективы развития средств измерения гидрологических параметров Мирового океана. Измерения, контроль, автоматизация.

Научно-технический сборник обзоров. Вып.

4 (56). — М., 1985, с. 34.

Авторское свидетельство СССР

N 1208505,,кл. G 01 N 29/00, 1986, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА (57) Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано в гидрофизических исследованиях океана. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет устранения неидентичности задержек сигналов в измерительных каналах. Принцип работы измерителя состоит в уравновешивании

Изобретение относится к технике акустического контроля и может быть использовано для измерения скорости распространения звука в жидких средах.

Известен измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединен. Ж 1728672 А1 длительности временного интервала зондирования акустическим импульсом исследуемой среды опорным временным интервалом, длительность которого определяется суммой длительностей четырех последовательных выходных импульсов распределителя и дополнительного временного интервала. Формирование дополнительного временного интервала, равного суммарному времени паразитных временных задержек сигналов в конструктивных элементах акустических преобразователей и электронных блоках устройства, осуществляется посредством дополнительного возбуждения акустического преобразователя и приема сигнала, отраженного от границы протектор-среда. Помехозащищенность приемных трактов устройства обеспечивается формированием напряжений, поступающих на опорные входы компараторов информативного и дополнительного приемных сигналов, обеспечивающих компарацию только полезных сигналов. Симметричность приемных трактов информативного и дополнительного приемных сигналов позволяет выравнивать временные задержки сигналов и повысить эффективность компенсации паразитного времени задержки длительностью дополнительного временного интервала. 2 ил, ные генератор, делитель, триггер, возбу, дитель, приемопередающий электроакустический преобразователь, усилитель, пороговый детектор, первый и второй фазовые детекторы и компаратор, переключатель селекторный, логический блок, 1728672 вентильный пиковый детектор и второй усилитель-компаратор, измеритель амплитуды, индикатор.

Принцип работы такого измерителя состоит B сравнении временного интервала зондирования исследуемой среды с временным интервалом следования семи счетных импульсов генератора, Сравнение осуществляют первый и второй фазовые детекторы, которые через компаратор подают управляющее напряжение на генератор, изменяя его частоту так, чтобы временной интервал следования его семи импульсов совпадал со временем акустического зондирования.

При этом частота свободных колебаний генератора пропорциональна скорости звука в среде.

Недостатком такого измерителя является низкая точность измерения, обусловленная наличием во временном интервале зондирования паразитного времени задержки полезного сигнала в электрическом и акустическом каналах измерителя, Известен частотно-временной измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов, первичный преобразователь, включающий пьезоэлектрический преобразователь и отражатель, ограничитель импульсов, компаратор, RSтриггер, дискриминатор, выполненный в виде RS-триггера, коммутатор, интегратор, управляемый генератор, формирователь, делитель частоты и распределитель импульсов, Принцип работы измерителя заключается в уравновешивании временного интервала зондирования длительностью импульса на выходе распределителя. Сравнение временных интервалов осуществляется дискриминатором длительности, которым через ключевой элемент переключаются шины питания интегратора, изменяя

его выходное напряжение, регулирующее частоту управляемого генератора, значение которой в установившемся режиме пропорционально скорости звука в контролируемой среде.

Недостатком известного измерителя является низкая точность измерения, обусловленная наличием во временном интервале зондирования паразитного времени задержки информативного сигнала в конструктивных элементах акустического преобразователя и электронных блоках измерителя.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее последовательно электроакустически сое10

55 диненные генератор возбуждающих импульсов, излучающий и приемный пьезопреобразователи, ограничитель, компаратор, блок управления, RS-триггер, дискриминатор, коммутатор, управляющий вход которого подключен к выходу RS-триггера, интегратор, управляемый генератор и регистратор, последовательно соединенные делитель частоты, входом подключенный к выходу управляемого генератора, распределитель импульсов, первым входом подключенный к R-входу RS-триггера, последовательно соединенные второй ограничитель, входом подключенный к выходу генератора возбуждающих импульсов, и второй компаратор, последовательно соединенные инвертор, входом подключенный к второму выходу распределителя импульсов, одновибратор, схему И, второй вход которой подключен к выходу второго компаратора, второй RS-триггер, S-входом подключенный к выходу первой схемы И, а выходом — к второму входу дискриминатора, и схему ИЛИ, выходом подключенную к входу генератора возбуждающих импульсов, причем блок управления выполнен в виде последовательно соединенных второго инвертора, входом подключенного к второму выходу делителя частоты, второй схемы И, третьего RS-триггера и третьей схемы И, вторым входом подключенной к выходу первого компаратора, а выходом — к S-входу первого RS-триггера, третьего инвертора, входом подключенного к первому выходу делителя частоты, а выходом — к второму входу второй схемы И, третий вход которой подключен к третьему выходу распределителя импульсов, соединенного с первым входом схемы ИЛИ, четвертой схемы И, первым входом подключенной к выходу второго инвертора, вторым входом — к первому выходу делителя частоты, третьим входом — к второму выходу распределителя импульсов, соединенного и с вторым входом схемы

ИЛИ, Принцип работы устройства состоит в формировании дополнительного. временного интервала, компенсирующего паразитное время задержки. Для этого в устройстве формируется отраженный от границы "протектор — исследуемая среда" дополнительный импульс, посредством которого формируется дополнительный временной интервал. Последний, суммируясь с длительностью выходного импульса распределителя, создает опорный временной интервал, уравновешивающий время зондирования исследуемой среды акустическим сигналом, включающее как информативное время распространения в среде

1728672

40 третьему выходам распределителя импульсов, второй вход первого элемента ИЛИ связан с третьим выходом распределителя 45

50 акустических колебаний, так и паразитное время задержки.

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения, вызываемая неполной компенсацией паразитного времени задержки, длительностью дополнительного временного интервала вследствие неидентичности временных задержек в приемных трактах информативного зондирующего и дополнительного отраженного сигналов.

Цель изобретения — повышение точности измерения посредством уменьшения неидентичности временных задержек в электронных блоках, формирующих информативный и дополнительный приемные сигналы.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для измерения скорости звука, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор возбуждающих импульсов, излучающий и приемный акустические преобразователи, первый ограничитель импульсов и первый компаратор, последовательно соединенные второй ограничитель импульсов, подключенный входом к излучающему акустическому преобразователю, и второй компаратор, первый и второй RS-триггеры, последовательно соединенные дискриминатор, входы которого подключены к выходам RS-триггеров, коммутатор, управляющий вход которого связан с выходом первого RS-триггера, интегратор, управляемый генератор, делитель частоты, распределитель импульсов и первый элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом генератора возбуждающих импульсов, и регистратор, подключенный к выходу управляемого генератора, снабжено вторым элементом ИЛИ, выход которого подключен к опорному входу второго компаратора, а входы — к первому, второму и импульсов, четвертый выход которого подключен к R-входам RS-триггеров, выходы компараторов подключены соответственно к S-входам RS-триггеров, а выход первого элемента ИЛИ соединен с опорным входом первого компаратора.

На фиг, 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу блок-схемы, Устройство для измерения скорости звука содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 возбуждающих импульсов, излучающий акустический преобразователь 2, содержащий пьезоэлемент 3 и протектор 4, прием5

35 ный акустический преобразователь 5, включающий пьезоэлемент 6 и протектор 7, ограничитель 8 импульсов и компаратор 9, соединенный с S-входом RS-триггера 10, последовательноо соединенные ограничитель

11 импульсов, подключенный входом к излучающему акустическому преобразователю

2, и компаратор 12, соединенный с S-входом

RS-тригера 13, выходы RS-триггеров 9 и 13 подключены соответственно к первому и второму входам дискриминатора 14, соединенному первым, вторым выходом с одноименными входами коммутатора 15, третий вход которого подключен к выходу RS-триггера 10, выход коммутатора 15 подключен к последовательно соединенным интегратору

16, управляемому генератору 17, делителю

18 частоты, объединенному входом с входом регистратора 19, и распределителю 20 импульсов, первым выходом через схему ИЛИ

21 подключенный к входу генератора 1 возбуждающих импульсов, второй вход схемы

ИЛИ 21 соединен с вторым, выходом распределителя 20, вторые входы компараторов 9, 12 подключены соответственно к выходам схем ИЛИ 21 и 22, первый, второй, третий входы схемы ИЛИ 22 подключены к первому, второму, третьему выходу распределителя, S-входы RS-.òðèããåðîâ 10 и 13, подключены к четвертому выходу распределителя 20 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Выходные импульсы управляемого генератора 17 с частотой следования f через делитель 18, уменьшающий частоту в k раз, поступает на вход распределителя 20, импульсы на выводах микросхемы которого представлены на временных диаграммах

23 — 29 фиг. 2. По переднему фронту импульса 23 с первого выхода распределителя 20. через схему ИЛИ 21 генератор 1 формирует импульс 30 — 1, возбуждающий акустический преобразователь. Пьезоэлемент 3 излучает акустические колебания, которые после прохождения протектора 4 частично проходят в исследуемую среду, а частично, отразившись от границы "протектор — среда", вследствие различия акустических импедансов материала протектора и среды, возвращаются обратно к пьезоэлементу 3 и преобразуются им в электрический импульс

35 — 2, фиксируемый на выходе ограничителя

11. Акустические колебания, излучаемые боковыми поверхностями пьезоэлемента 3, распространяются по металлоконструкции измерителя и принимаются акустическим преобразователем 5 — импульс 31 — 1 на выходе ограничителя 8. Акустические колебания, прошедшие исследуемую среду и

1728672 протектор 7, принимаются пьезоэлементом

6, преобразующим их в электрический сигнал.

Последний через ограничитель 8(31-2) поступает на компаратор 9, на второй вход которого в это время подается уровень логического "0", что позволяет получить.на выходе компаратора 9 импульс 33. Импульсы 23 и 27, поступающие через схему ИЛИ

21 с первого и второго выходов распределителя 20 на опорный вход 2 (сигнал 32) компаратора 9, предотвращают его срабатывание от неинформативных импульсов

31-1 и 31-3. Выходной импульс 33 компаратора 9 устанавливает RS-триггер 10 в состояние логической "1". Сброс RS-триггера 10 будет осуществлен при поступлении на его

R-вход импульса 29. Выходной импульс 34

RS-триггера 10 представляет собой информативный приемный импульс. Временный интервал, отсчитываемый между передними фронтами импульсов 23 и 34, представля ющий собой время хзсяд зондирования, равен Хзоид = Хис + хИиз, где хис — информативное время распространения акустических колебаний в исследуемой среде, хпз — суммарное паразитное время задержки в тракте формирования и приема информативного сигнала в конструктивных элементах акустических преобразователей и электронных блоках устройства;

Хпз =,г TI = Х21 + Х1 + ХЗ + Хи + Х7 +

+ хб + х8 + х8 + х1 О

tI — временная задержка 1-го блока, где i — номер блока или конструктивного элемента по фиг. 1.

Импульсом 27 второго выхода распределителя 20 через схему ИЛИ 21 производится повторный запуск генератора 1, формирующего возбуждающий импульс

30-2, Пьезоэлемент 3 излучает акустические колебания, распространяющиеся в протекторе 4 и далее частично — в исследуемой среде, а частично — вновь по протектору 4 поступают обратно на пьезоэлемент 3 вследствие отражения от границы "протектор — среда". Отраженные акустические колебания преобразуются пьезоэлементом 3 в электрический сигнал, фиксируемый на выходе ограничителя 11 как импульс 35-4.

Из серии импульсов 35, возникающих на вЬ1ходе ограничителя 11, полезным является только импульс 35-4, остальные импульсы сопровождаются одновременным с их появлением поступлением сигнала 36 логической "1" с выхода элемента ИЛИ 22 на опорный вход компаратора 12. B момент

55 поступления на вход компаратора 12 сигнала 35-4 на его опорном входе присутствует сигнал логического "0". На выходе компаратора 12 формируется импульс 37, устанавливающий RS-триггер 13 в состояние логической "1" (импульс 38).

Временной интервал между передними фронтами импульсов 23 и 28 представляет собой длительность опорного временного интервала хоп =4хри+тпз, где Х и — длиЛI тельность выходного импульса распределителя 20, 4з — суммарное паразитное время

1I задержки в тракте формирования и приема дополнительного отраженного импульса:

Хпз = g Х1 = Х21 + Х1 + Х3 + Х4 + Хи +

1I

+ ХЗ + Х1 1 + Х12 + Х13

Временные интервалы хоп и хзснд имеют общее начало отсчета — передний фронт импульса 23 с первого выхода распределителя 20, но разные концы — передние фронты дополнительного приемного импульса 38 и информативного импульса 34. Дискриминатор 14 осуществляет анализ временного взаиморасположения передних фронтов импульсов 34 и 38.

Если передний фронт импульса 34 опережает первый фронт импульса 38, как показано на фиг. 2, D-триггер дискриминатора

14 устанавливается в состояние "1", При этом управляемый RS-триггер коммутатора

15 также устанавливается в состояние "1", Напряжение на выходе интегратора 16 увеличивается, что вызывает увеличение частоты f следования импульсов на выходе управляемого генератора 17 и уменьшение длительности хри выходных импульсов распределителя 20, в результате передние фронты импульсов 34 и 38 будут сближаться.

Если передний фронт импульса 34 будет отставать от переднего фронта импульса 38, дискриминатор 14 будет находиться в состоянии "0". На выходе коммутатора 15 будет также присутствовать сигнал логического

"0". Выходное напряжение интегратора 16 будет уменьшаться, что вызовет уменьшение частоты f импульсов на выходе управляемого генератора 17 и увеличение длительности хпи выходных импульсов распределителя, вследствие чего передние фронты импульсов 34 и 38 будут сближены, В установившемся режиме работы устройства передние фронты импульсов 34 и 38 совпадут, что свидетельствует об уравновешивании временных интервалов Хзсид и

Хоп:

Х30нд ХОп I

11

Хис + na = 4 Хри + пз, хис + 4 хри, при пз = in, 1 1I

1728672

55 что будет соблюдаться при условии ta = ta;

Т4 = О 8 = T 11 9 = т12 10 = <13 °

Частота f-управляемого генератора 17; фиксируемая регистратором 19, будет определяться следующим выражением: 5

4КС

L где К вЂ” коэффициент деления делителя 18 частоты: С вЂ” скорость звука в исследуемой среде; L — акустическая база устройства. 10

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости звука, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор воз- 15 буждающих импульсов, излучающий и приемный акустические преобразователи, первый ограничитель импульсов и первый компаратор, последовательно соединенные второй ограничитель импульсов, подклю- 20 ченный входом к излучающему акустическому преобразователю, и второй компаратор, первый и второй RS-триггеры, последовательно соединенные дискриминатор, входы которого подключены к выходам RS-триггеров, коммутатор, управляющий вход которого связан с выходам первого RS-триггера, интегратор, управляемый генератор, делитель частоты, распределитель импульсов и первый элемент ИЛИ, выход которого соединен с входом генератора возбуждающих импульсов, и регистратор, подключенный к выходу управляемого генератора; о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено вторым элементом

ИЛИ, выход которого подключен к опорному входу второго компаратора, а входы — к первому, второму и третьему выходам распределителя импульсов, второй вход первого элемента ИЛИ связан с третьим выходом распределителя импульсов, четвертый выход которого подключен к R-входам RS-триггеров, выходы компараторов подключены соответственно к S-входам RS-триггеров, а выход первого элемента ИЛИ соединен с опорным входом первого компаратора.

1728672

12

23

2Ф

26

27

8S

29

_#_

31

52

Я

М

37

58

59

Составитель Е.Митрофанова

Редактор В.Бугренкова Техред М.Моргентал Корректор И.Муска

Заказ 1399 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101