Измеритель скорости звука

 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано в гидрофизических исследованиях океана. Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения случайной и систематической погрешности. Принцип работы измерителя основан на следящем уравновешивании информативного времени распространения акустических колебаний в контролируемой среде длительностью опорного временного интервала . Уравновешиваемые временные интервалы преобразуются в напряжения и сравниваются компаратором, который управляет выходным напряжением интегратора , изменением которого осуществляется коррекция частоты управляемого генератора . Ступенчатообразное исполнение отражателя акустических колебаний позволяет получить два приемных сигнала практически равной амплитуды, первый из которых служит для формирования следящего за величиной амплитуды порогового уровня компарации второго приемного сигнала, вследствие чего достигается исключение случайной погрешности измерения, вызываемой нарушением акустической прозрачности среды. Компенсация паразитного времени задержки информативного сигнала в конструктивных элементах акустического преобразователя и электронных блоках измерителя исключает систематическую погрешность измерения. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 Н 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4886791/28 (22) 29.11.90 (46) 30.08.92. Бюл. ¹ 32 (71) Научно-производственное объединение космических исследований (72) А.M.ÈçìàéëîB, Е.B.Mèòðîôàíîâà, Н,А.Насибов и Г.П.Казарова (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1319696, кл, G 01 N 29/02, 1985.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1587345, кл. С 01 Н 5/00, 1988. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА (57) Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано в гидрофизических исследованиях океана.

Целью изобретения является повышение точности измерения за счет уменьшения случайной и систематической погрешности.

Принцип работы измерителя основан на следящем уравновешивании информативного времени распространения акустических колебаний в контролируемой среде

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

Известно устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор возбуждающих импульсов. акустический преобразователь с отражателем и ограничитель импульсов, компаратор, последовательно соединенные первый триггер, дискриминатор и коммутатор, последовательно соединенные первый интегратор, управляемый генератор и регистратор, 5U 1758444 А1 длительностью опорного временного интервала, Уравновешиваемые временные интервалы преобразуются в напряжения и сравниваются компаратором, который управляет выходным напряжением интегратора, изменением которого осуществляется коррекция частоты управляемого генератора. Ступенчатообразное исполнение отра>кателя акустических колебаний позволяет получить два приемных сигнала практически равной амплитуды, первый из которых служит для формирования следящего за величиной амплитуды порогового уровня компарации второго приемного сигнала, ° вследствие чего достигается исключение случайной погрешности измерения, вызываемой нарушением акустической прозрачности среды. Компенсация параэитнаго времени задержки информативного сигнала в конструктивных элементах акустического преобразователя и электронных блоках измерителя исключает систематическую погрешность измерения. 2 ил. делитель частоты, вход которого связан с регистратором, распределитель импульсов, выход которого соединен с входом генератора возбуждающих импульсов. первый ключ, выход которого подключен к входу первого интегратора, последовательно соединенные второй ключ, второй интегратор и регулируемая линия задержки. выходом соединенная с вторым входам дискриминатора. два элемента 3 И-НЕ. первыми входами подключенные к второму выходу делителя частоты, третий выход которого подключен к второму входу первого элемента 3 И-НЕ, подключенного третьим входом к второму

1758444 входу второго элемента 3 И-НЕ и первому выходу распределителя импульсов, вторым выходом подключенного к третьему входу второго элемента 3 И-НЕ, первый элемент

ИЛИ-НЕ, подключенный входами к выходам первого и второго элементов 3 И-НЕ, а выходом — к второму входу регистрируемой линии задержки, элемент И, первый вход которого подключен к выходу компаратора, а выход — к первому входу первого триггера, одновибратор, входом подключенный к выходу элемента И, а выходом — через коммутатор — к первым входам первого и второго ключей, последовательно соединенные первый элемент НЕ, входом подключенный к входу распределителя импульсов, элемент

И-НЕ, подключенный вторым входом к первому выходу распределителя импульсов, второй элемент НЕ, второй триггер, подключенный выходом к второму входу элемента И, третий триггер, соединенный выходом с вторым входом второго ключа, четвертый триггер, выход которого подключен к второму входу первого ключа, элемент

ИЛИ, соединенный выходом с вторым входом первого триггера, и элемент задержки, включен н ый между первым выходом распределителя импульсов и первыми входами второго и третьего триггеров, третий выход распределителя импульсов подключен к второму входу второго триггера и к первым входам четвертого триггера и элемента

ИЛИ, а выход второго элемента НЕ соединен с вторыми входами третьего и четвертого триггеров и элемента ИЛИ. .Принцип работы устройства основан на автоматической коррекции частоты импульсов управляемого генератора до значения, при котором обеспечивается равенство длительности периода импульсов на выходе делителя частоты времени зондирования звуковым импульсом контролируемой среды на заданной акустической базе, Это осуществляется коррекцией систематической погрешности путем вычитания из длительности временного интервала зондирования (интервал, отсчитываемый от момента запуска генератора возбуждающих импульсов до момента регистрации приемного сигнала) длительности паразитной временной задержки в электрических цепях и акустических элементах акустического преобразователя.

Длительность паразитной временной задержки zn3 при этом равна временному интервалу, отсчитываемому от момента запуска генератора возбуждающих импульсов до момента регистрации приемного сигнала, вызванного отражением на границе протектор — контролируемая среда.

Регулируемая линия задержки, запускаемая первый раэ импульсом с первого выхода распределителя, одновременно с запуском генератора возбуждающих импульсов вырабатывает и запоминает импульс, длительность которого равна т„,.

Во втором запуске от второго выходного импульса распределителя линия задержки производит импульс длительностью, которая вычитается из временного интервала зондирования.

Положительной стороной устройства является постоянная, ежецикличная корректировка длительности временной задержки и учет ее изменения от температуры, старения радиоэлементов и других факторов.

Недостатком известного устройства является наличие случайной погрешности измерения, обусловленной изменением амплитуды приемного сигнала вследствие нарушения акустической прозрачности исследуемой среды газовыми пузырьками и различного рода взвесями, Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является измеритель скорости звука, содержащий последовательно электроа кустически соединен н ые генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с протектором и со ступенчатым отражателем, ограничитель импульсов и компаратор, последовательно соединенные дискриминатор, коммутатор, интегратор, управляемый генератор, делитель частоты и распределитель импульсов, первым выходом подключенный к входу генератора возбуждающих импульсов, а вторым выходом — к С-входу дискриминатора, RS-триггер, регистратор, подкл ючен н ый .к выходу управляемого генератора, последовательно соединенные второй RS-триггер и линия задержки, пиковый детектор, вторым входом подключенный к выходу ограничителя импульсов, и аттенюатор, подключенный выходом к информационному входу первого управляемого ключа, выход которого, обьединенный с выходом второго управляемого ключа, подключен к второму входу компаратора, выход которого подключен к С-входу второго распределителя импульсов. первый. второй выходы которого подключены к S-входам второго и первого RS-триггеров соответственно, а третий выход — к D-входу дискриминатора и управляемому Е-входу коммутатора, прямой и инверсный выходы первого RS-триггера подключены к управляющим входам первого и второго ключей соответственно.

1758444 информационный вход второго ключа соединен с положительным напряжением питания, R-входы первого, второго RS-триггеров и второго распределителя подключены к третьему выходу первого распределителя.

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

Цель изобретения — повышение точности измерения посредством компенсации паразитного времени задержки информативного сигнала, Поставленная цель достигается тем, что измеритель скорости звука, содержащий последовательна соединенные дискриминатор, коммутатор, интегратор, управляемый генератор, делитель частоты, первый распределитель, генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с протектором и ступенчатым отражателем, ограничитель импульсов, первый компаратор, второй распределитель, первый RSтриггер, линию задержки, пиковый детектор, второй вход которого связан с выходом ограничителя импульсов, аттенюатор и первый ключ, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, второй

RS-триггер, S-вход которого соединен с вторым выходом второго распределителя, источник питания и подключенный к нему сигнальным входом второй ключ, управляющий вход которого связан с инверсным выходом второго RS-триггера, а выход — с вторым входом первого компаратора, второй выход первого распределителя подключен к управляющему входу второго распределителя и к R-входам первого и второго RS-триггеров, а выход второго RS-триггера связан с управляющим входом второго ключа, снабжен последовательно соединенными опорным элементом, первым источником тока, третьим ключом и вторым компаратором, выход которого подключен к второму входу дискриминатора, последовательно соединенными вторым источником тока, вход которого связан с выходом опорного элемента и четвертым ключом, .выход которого подключен к второму входу второго компаратора, пятым и шестым ключами, первым и шестым ключами, первым и вторым конденсаторами и третьим и четвертым

RS-триггерами, сигнальные входы пятого и шестого ключей предназначены для заземпения, их выходы подключены саответстВ8ННо к первому и второму входам второга компаратора и предназначены для заземления соответственно через первый и второй

5 конденсаторы, третий и четвертый выходы второго распределителя подключены к Sвходам третьего и четвертого RS-триггеров соответственно, выход третьего триггера связан с вторым входом дискриминатора и

10 управляющим входом коммутатора, выход четвертого RS-триггера подключен к управляющему входу четвертога ключа, первый выход первого распределителя соединен с управляющим входом третьего ключа, а вто15 рой выход первого распределителя подключен к R-входам третьего и четвертого

RS-триггеров и к управляющим входам пятого и шестого ключей.

В изобретении формирование опорного

20 временного интервала посредством увеличения длитепьноститрп выходного импульса распределителя на время г„, осуществляется в течение одного цикла, что повышает точность уравновешивания времени зон25 дирования опорным временным интервалом.

На фиг. 1 изображена блок-схема заявляемого устройства; на фиг. 2 — временные диаграммы. поясняющие работу блок-схе30 мы, Измеритель скорости звука. блок-схема которого приведена на фиг. 1. содержит последовательно эпектроакустически соединенные генератор 1 возбуждающих

35 импульсов, акустический преобразователь 2 с протектором 3 и со ступенчатым отражателем 4, ограничитель 5 импульсов. компаратор 6, распределитель 7 импульсов, RS-триггер 8, инверсным выходом соеди40 ненный с линией 9 задержки. пиковый детектор 10, вторым входом подключенный к выходу ограничителя 5 импульсов. аттенюатор 11, подключенный выходом к сигнальному входу управляемого ключа 12, выход

45 которого абьединен с выходом управляемого ключа 13 и вторым входом кампаратора

5, последовательно соединенные дискриминатор 14, коммутатор 15, интегратор 16, управляемый генератор 17. делитель 18

50 частоты, обьединенный входом с входом регистратора 19, распределитель 20 импульсов, первым выходом подключенный к входу генератора 1 возбуждающих импульсов, опорный элемент 21, подключенный пер55 вым, вторым выходами к источникам 22, 23 тока, выходы которых соединены с информационными входами управляющих ключей

24, 25 соответственно, выход ключа 24 объединен с выходом управляемого ключа 26, 1758444 первым входом компаратора 27 и конденсатором 28, вторая обкладка которого зазем.лена, выход ключа 25 объединен с выходом управляемого ключа 29, вторым входом компаратора 27 и конденсатором 30, вторая обкладка которого заземлена, информационные входы ключей 26, 29 заземлены, второй, третий, четвертый выходы распределителя 7 подключены к S-входам RS-триггеров 31-33 соответственно, R-входы которых объединены с R-входами распределителя 7 и RS-триггера 8, а также управляю-щими входами ключей 26, 29, и соединены с вторым выходом распределителя 20, первый вход которого подключен также к управляющему входу ключа 24, прямой выход триггера 31 соединен с управляющим входом ключа 25, прямой и инверсный выходы триггера 32 подключены к управляющим входам ключей 12, 13 соответственно, информационный вход последнего из которых подключен к положительному напряжению питания 1.4, прямой выход триггера 33 подключен к объединенным управляющему входу коммутатора 15 и D-входу дискриминатора 14, С-вход которого подключен к выходу компаратора 27.

Измеритель скорости звука работает следующим образом, В исходном состоянии распределитель

7, RS-триггеры 8, 31-33 установлены в состояние "лог. "0", конденсаторы 28, 30, а также конденсатор пикового детектора 10 разряжены.

Частота f следования импульсов на выходе управляемого генератора 17 (фиг. 2, 34) посредством делителя 18 уменьшается в К раз (фиг. 2, 35) и поступает на вход распределителя 20 импульсов, импульсы на выходах . 1, 2 которого представлены на временных диаграммах 36, 38, фиг. 2.

По переднему фронту импульса 36 первого выхода распределителя 20 генератор 1 формирует импульс 39, возбуждающий акустический преобразователь 2, который начинает. излучать акустические колебания.

На выходе ограничителя 5 возбуждающий импульс преобразуется в импульс (фиг. 2, 40-1), Распространяясь в толще протектора 3, акустические колебания частично проходит в исследуемую среду, частично отражаются от границы протектор 3 — среда вследствие различия их акустических импедансов и возвращаются обратно по толще протектора 3 к акустическому преобразователю 2, где преобразуются в электрический импульс первого приемного сигнала, который, пройдя ограничитель 5, преобразуется в импульс

40-2 (фиг, 2).

Распространяясь в исследуемой среде, акустические колебания достигают отражателя 4 и, отражаясь от ступенек последнего, возвращаются к акустическому преобразователю 2. Двухуровневый ступенчатый отражатель 4 позволяет разделить во времени отраженные от его поверхностей акустические колебания и получить на выходе ограничителя 5 импульсы 40-3 и 40-4 (фиг. 2), 10 возникающие вследствие прохождения аку.стическими колебаниями расстояний 1 и 2 соответственно.

Рассмотрим прохождение импульсов, изображенных на диаграмме 40 (фиг, 2), в

50 схеме измерителя. В исходном состоянии с инверсного выхода RS-триггера 32 сигнал

"лог, "1" поступает на управляемый V-вход ключа 13, через информационный X-вход которого на опорный вход компаратора 6 подается постоянное напряжение Uo.

Поступающие с выхода ограничителя импульсы 40-1, 40-2 и 40-3 (фиг. 2) принимаются компаратором 6 на пороговом уровне Uo, импульс 40-4 принимается на следящем эа амплитудой импульса 40-3 пороговом уровне; формирование которого будет рассмотрено ниже.

На диаграмме 41 (фиг. 2) представлены импульсы на выходе компаратора 6, поступающие далее на С-вход распределителя 7, временные диаграммы 42 — 45 импульсов на выходах которого представлены на фиг. 2.

Следящий пороговый уровень Unop формируется иэ импульса 40-3 (фиг. 2) с помощью пикового детектора 10, который в течение времени т, (фиг. 2, 40) удерживается в закрытом состоянии импульсом (не показан) с выхода линии 9 задержки. При поступлении на вход пикового детектора 10 импульса 403 (фиг. 2) на выходе детектора формируется уровень напряжения, пропорциональный максимальному значению амплитуды импульса 40-3. Аттенюатор 11 производит деление выходного напряжения пикового детектора в Кт раз.

Коэффициент деления аттенюатора определяется соотношением

К т = Кпд .de, где Кпд — коэффициент усиления пикового детектора 11, Зс — постоянная компарации (соотношение амплитуды приемного сигнала к желаемому уровню порогового напряжения компаратора, как правило, выбирается dc=

=5 — 10).

С выхода аттенюатора 11 напряжение

V >p через ключ 12 s течение длительности импульса 34 (фиг. 2) с третьего выхода распределителя 7 поступает на опорный вход 2

1758444

10 компаратора 6, Таким образом, прием импульса 40-4 (фиг, 2) осуществляется компаратором 6 на пороговом уровне напряжения Unop. Принимая во внимание достаточно малые величины расстояния

Ь L = L2 - L1 и времени тг прохождения акустическими колебаниями этого расстояния для изменения амплитуды импульса 404 по сравнению с импульсом 40-3, считаем их амплитуды практически равными Ао (40, фиг, 2), Прием информативного для измерения скорости звука сигнала 40-4 (фиг. 2) на пороговом уровне, следящем за величиной амплитуды принимаемого сигнала, позволяет устранить случайную погрешность измерения, вызываемую нарушениями акустической прозрачности исследуемой среды.

Отформированный компаратором 6 (фиг. 2, 41-4) информативный сигнал через четвертый выход распределителя 7 (фиг. 2, 45) поступает на RS-триггер 33, на прямом выходе которого формируется импульс 50 (фиг. 2).

Временной интервал между передними фронтами импульсов 35 и 50 (фиг, 2) представляет собой время тренд зондирования исследуемой среды, включающее информативное время гие прохождения акустическими колебаниями исследуемой среды и паразитное время тле задержки информативного приемного сигнала в конструктивных элементах акустического преобразователя, протектора и электронных блоках измерителя тзонд = тпз ие

Причем время т определяется временным интервалом между передними фронтами импульсов 36 и 47 (фиг. 2), где импульс 47 (фиг. 2) — выходной сигнал триггера 31, а время тие определяется временным интервалом между передними фронтами импульсов 47 и 50 (фиг. 2), при идентичности временных задержек триггеров 31 и 33, поскольку

7 пз = <1 + 2 + <3 + <3 + т2 + <5 + <6 +

+ +т 3: тз онд = 1 + <2 + 73 + 7 ие + тз + 2 +

+ <5 + <6 + 7 + <33 . где zi — временная задержка информативного сигнала в i-м блоке или конструктивном элементе измерителя по блок-схеме фиг. 1.

Процесс компенсации паразитного времени тпрр задержки состоит в следующем, По переднему фронту импульса (фиг. 2, 36) с первого выхода распределителя 20 открывается управляемый ключ 24 и конденсатор 28 начинает заряжаться от источника

22 тока (фиг. 2, 46). Заряд конденсатора 28 продолжается в течение длительности

5 Tpg импульса 36 до некоторого значения напряжения и1, сохраняющегося на обкладках до появления на выходе 2 распределителя

20 импульсов 38 (фиг, 2).

По переднему фронту импульса (фиг. 3, 10 43) с второго выхода распределителя 7 через триггер 31 и управляемый ключ 35 от источника 23 тока начинается заряд конденсатора 30, который длится в течение длительности импульса 47 (фиг. 2) на выходе

15 триггера 31.

B момент достижения на обкладках конденсатора 30 значения напряжения U< срабатывает компаратор 27, выходной импульс

49 (фиг. 2) которого завершает формирова20 ние опорного временного интервала, длительность Топ которого отсчитывается между передними фронтами импульсов 36 и

49 (фиг. 2). При идентичности источников

22, 23 тока и равенстве постоянных време25 ни заряда конденсаторов 28, 30 длительность теп складывается из длительностей

xpg выходного импульса 36 (фиг. 2) распределителя 20 и. тпрр — паразитного времени задержки

Импульсы 49 и 50 (фиг. 2) поступают на входы дискриминатора 14, анализирующего временное взаиморасположение их передних фронтов.

35 Если передний фронт импульса 50, поступающего на D âõoä дискриминатора 14, опережает передний фронт импульса 49 (как показано на фиг. 2) на его С-входе, D-триггер дискриминатора 14 устанавливается в

40 состояние "лог ."1", При этом через коммутатор 15 на интегратор 16 поступает уровень "лог."1":, выходное напряжение последнего (фиг. 2, 51) возрастает, что вызывает увеличение частоты f следования импульсов на выходе управляемого генератора 17 и уменьшение длительности

sp< выходных импульсов распределителя

20, в результате чего передние фронты импульсов 49 и 50 будут сближаться, 50 Если передний фронт импульса 50 будет отставать от переднего фронта импульса 49, дискриминатор 14 будет находиться в состоянии "0". На выходе коммутатора 15 будет также присутствовать сигнал "лог ."0". Вы55 ходное напряжение интегратора 16 будет уменьшаться, что вызовет уменьшение частоты f импульсов на выходе генератора 17 и увеличение длительности rpn выходных импульсов распределителя 20, вследствие чего

1758444

12 передние фронты импульсов 49 и 50 сблизятся.

В установившемся режиме работы измерителя передние фронты импульсов 49 и

50 совпадут, что будет свидетельствовать об уравновешивании временных интервалов

Тзонд и топ. тзонд = Топ тие +

Частота f управляемого генератора 1 "( будет определяться следующим выражениkC L k ем; f=,тк. тие = и три=, где k

L2 С коэффициент деления частоты делителем

18; L — длина пути, пройденного информативным акустическим сигналом в исследуемой среде; С вЂ” скорость звука в исследуемой среде, При численном равенстве значений Lz u

k значение частоты f, фиксируемое регистратором 19, численно равно скорости звука в исследуемой среде.

Таким образом, предлагаемый измеритель скорости звука позволяет повысить точность измерения за счет исключения систематической составляющей погрешности, вызываемой наличием паразитного времени задержки информативного сигнала в конструктивных элементах акустического преобразователя и электронных блоках.

Систематическая абсолютная погрешность прототипа, равная 0,20 м/с, может быть снижена в предлагаемом измерителе до 0,12 м/с.

Формула изобретения

Измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные дискриминатор, коммутатор, интегратор, управляемый генератор, делитель частоты, первый распределитель, генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с протектором и ступенчатым отражателем. ограничитель импульсов, первый компаратор, второй распределитель, первый RS-триггер, линию задержки, пиковый детектор, второй вход которого связан

40 с выходом ограничителя импульсов, аттенюатор и первый ключ, выход которого подключен к второму входу первого компаратора, второй RS-триггер, S-вход которого соединен с вторым выходом второго распределителя, источник питания и подключенный к нему сигнальным входом второй ключ, управляющий вход второго ключа связан с инверсным выходом второго

RS-триггера, а выход связан с вторым входом первого компаратора, второй выход первого распределителя подключен к R-входу второго расп ределителя и к R-входам первого и второго RS-триггеров, а прямой выход второго RS-триггера связан с управляющим входом первого ключа, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен последовательно соединенными опорным элементом; первым источником тока, третьим ключом и вторым компаратором, выход которого подключен к второму входу дискриминатора, последовательно соединенными вторым источником тока, вход которого связан с выходом опорного элемента, и четвертым ключом, выход которого подключен к второму входу второго компаратора, пятым и шестым ключами, первым и вторым конденсатором и третьим и четвертым RS-триггерами, сигнальные входы пятого и шестого ключей предназначены для заземления, их выходы подключены соответственно к первому и второму входам второго компаратора и предназначены для заземления соответственно через первый и второй конденсаторы, третий и четвертый выходы второго распределителя подключены к S-входам третьего и четвертого RS-триггеров соответственно, выход третьего триггера связан с вторым входом дискриминатора и управляющим входом коммутатора, выход четвертого RS-триггера подключен к управляющему входу четвертого ключа, первый выход первого распределителя соединен с управляющим входом третьего ключа, а второй выход первого распределителя подключен к R-входам третьего и четвертого RS-триггеров и к управляющим входам пятого и шестого ключей.

1758444

1758444

Составитель M. Измайлова

Техред M.Moðãåíòàï Корректор А, Долинич

Редактор А.Маковская

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

Заказ 2991 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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