Измеритель скорости звука
Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения скорости звука в жидких средах. Целью изобретения является расширение диапазона измеряемых скоростей. 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. Новым является введение поддиапазонов, в каждом из которых сохраняется высокая точность измерения. 3 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 6 01 Н 5/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1610308 (21) 4887317/28 (22) 12.09.90 (46) 30.08.92. Бюл. hh 32 (71) Научно-производственное объединение космических исследований (72) А,М. Измайлов, Ф.M. Аллахвердов, Е.В. Митрофанова и Н.А. Насибов (56) Авторское свидетельство СССР
М 1610308, кл. 6 01 Н 5/00, 1988. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА (57) Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения скорости звука в жидких средах, Целью изобретения является расширение
Изобретение относится к технике акустического контроля, может быть использовано для измерения скорости распространения звука в жидких средах и является усовершенствованием измерителя по авт. св. М 1610308.
Известен измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные электроакустический генератор возбуждающих импульсов, акустический преобразователь с и ротектором и отражателем, ограничитель импульсов и компаратор, управляемый ключ, выход которого подключен к входу интегратора, последовательно соединенные управляемый генератор, делитель частоты и распределитель импульсов, первым выходом подключенный к входу генератора возбуждающих импульсов, регистратор, подключенный к выходу управляемого генератора, первые параллельные цепи, состоящие из последовательно соединенных первого управляемого
5U 1758561 А2 диапазона измеряемых скбростей. 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. Новым является введение поддиапазонов, в каждом из которых сохраняется высокая точность измерения. 3 ил, RS-триггера, второго интегратора и первого сумматора, второй компаратор, RS-триггер, счетный триггер, линию задержки и элемент
ИЛИ. S u R-входы первого, второго управляемых RS-триггеров объединены и соответственно подключены к прямому и инверсному выходам RS-триггеров. С-вход счетного триггера подключен к выходу первого компаратора, второй стробирующий вход которого через линию задержки подключен к первому выходу распределителя импульсов, второй, третий выходы котрого соответствен но подключены к S u R-входам счетного триггера. Прямой выход последнего подключен к управляющему входу управляемого ключа, информационный вход которого подключен к шине "Земля". Выход первого интегратора подключен к входу второго компаратора, выход которого подключен к S-входу RSтриггера, R-вход которого через элемент
ИЛИ подключен к второму, четвертому выходам распределителя импульсов. Вторые
1758561 входы первого, второго сумматоров подключены к первому, второму источникам постоянного напря>кения соответственно.
Выход первого сумматора подключен к второму опорному входу второго компаратора, выход второго сумматора подключен к входу управляемого генератора, управляющие входы первого, второго управляемых RSтриггеров подключены к пятому и третьему выходам распределителя импульсов соответственно, Принцип работы измерителя основан на следящем уравновешивании информативного времени распространения акустических колебаний в контролируемой среде длительностью опорного интервала, Уранновешиваемые временные интервалы преобразуются в напря>кения и сравниваются компаратором, который управляет зарядом конденсатора интегратора, Выходное напряжение V интегратора подается на варикапы управляемого LC-генератора, изменяя пропорционально его частоту собственных колебаний, Недостатком такого измерителя является высокая крутизна ф/Ь U преобразования напряжения в частоту управляемого генератора, что приводит к большой пульсации выходного сигнала измерителя в установившемся режиме работы, Стремление
- снизить крутизну преобразования 5f/Л U с целью уменьшения пульсаций приводит к сужению диапазона изменения частоты выходного сигнала. Это противоречие тормозит развитие измерителей скорости звука, работающих в условиях широкого изменения диапазона измеряемых скоростей звука, например универсального измерителя скорости звука в различных жидкостях, Цель изобретения — расширение диапазона измеряемь1х скоростей звука при сохранении точности измерения посредством стабилизации пульсаций частоты выходного сигнала в установившемся режиме paGoты.
Поставленная цель достигается тем, что измеритель скорости звука снабжен третьим компаратором, вход которого подключен к выходу второго сумматора, и цепями, каждая из которых сОстОит из двух источников напряжений, последовательно соединенных первого ключа, компаратора, сигнальный вход которого связан с выходом второго сумматора, и RS-триггера, второго ключа, сигнальный вход которого обьединен с вторым входом управляемого генератора, конденсатора, включенного между выходом второго ключа и третьим входом управляемого генератора, третьего ключа, выход которого соединен с опорным входом компаратора и инвертора, выход которого подключен к R-входу Rs-триггера, инверсным выходом связанного с управляющими
5 входами второго и третьего ключей, прямой выход RS-триггера подключен к управляющему входу первого ключа. Источники напряжений соединены соответственно с сигнальными входами первого и третьего
10 ключей, вход инвертора первой цепи подключен к выходу третьего компаратора, а вход инвертора каждой последующей цепи связан с выходом компаратора предыдущей цепи.
15 На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого измерителя; на фиг. 2 — график зависимости частоты управляемого генератора от управляющего напряжения; на фиг.
3 — электрическая схема управляемого гене20 ратора, Измеритель скорости звука (фиг, 1) содержит последовательно электроакустически соединенные генератор 1 возбуждающих импульсов, акустический
25 преобразователь 2 с протектором 3 и отражателем 4, ограничитель 5 импульсов и компаратор 6, управляемый ключ 7, выход которого подключен к входу интегратора 8, соединенного выходом с компаратором 9, 30 выход которого подключен к S-входу RSтриггера 10, прямой и инверсный выходы которого соединены соответственно к объединенным S- u R-входам управляемых RSтриггеров 11 и 12, последовательно
35 соединенных через интеграторы 13 и 14 соответственно с входами сумматоров 15 и 16, вторыми входами соединенными с источниками напряжений +Uc и +U< . Выходы сум1 маторов 15 и 16 подключены
40 соответственно к второму входу компаратора 9 и входу управляемого генератора 17, выход которого подключен к обьединенным входам регистратора 18 и делителя 19 частоты, соединенного выходом с входом рас45 пределителя 20 импульсов, Первый выход последнего, подключеннь1й к входу генератора 1, соединен также через линию 21 задержки с вторым входом компаратора 6, выход которого соединен со счетным вхо50 дом триггера 22, S u R-входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам распределителя 20, ) и
К-входы триггера 22 подсоединены к положительному напряжению питания+ Ол. Вы55 ход триггера 22 подсоединен к управляющему входу ключа 7, информационный вход которого заземлен. Вход триггера 10 соединен с выходом элемента ИЛИ 23, входы которого подключены к второму и четвертому выходам распределителя 20. Уп1758561 равляющие входы триггеров 11 и 12 подкл ючены соответственно к пятому и третьему выходам распределителя 20. Компаратор 24 и и цепей (где п — количество частотных поддиапазонов управляемого генератора) каждая I-ая цепь иэ которых (i = 1 - и) включает компаратор 25-I, RS-триггер 26-i, инвертор 27-!, управляемые ключи 28-f, 29-i, 30-i и конденсатор CI, Управляющие входы ключей 28-! и 29-! подключены к инверсному и прямому выходам RS-триггера 26-i соответственно, выходы ключей 28-i, 29-i объединены и подключены к опорному входу компаратора 25-i, соединенного с S-входом
RS-триггера 26-i, R-вход которого подключен к выходу инвертора 27-i. Инверсный выход RS-триггера 26-i подключен также к управляющему входу ключа ЗО-I, выход которого соединен с конденсатором CI, другая обкладка которого соединена с аналогичными обкладками конденсаторов всех и цепей и подключена к второму входу управляемого генератора 17, третий вход которого подсоединен к объединенным информационным входам ключей 30-i. Первый вход управляемого генератора подключен также к объединенным вторым входам компараторов 25-i и первому входу компаратора 24, выход которого подсоединен к входу инвертора 27-1. Выход компараторов
25-i каждой !-ой цепи, кроме последней, 25и, подключен к входу инвертора 27-(i + 1) следующей (i + 1)-ой цепи. Информационные входы управляемых ключей 28-i, 29-i (начиная с 28-i, 29-! no 28-п, 29-n) подсоединены соответственно к источникам напряжений +Ц! и Ul, второй.опорный вход компаратора 24 подключен к источнику напряжения +Uo, Электрическая схема управляемого генератора 17, приведенная на фиг. 3, имеет дополнительные входы 2 и 3, необходимые для введения частотных поддиапазонов в схему генератора.
Измеритель работает следующим образом.
Пусть в исследуемой среде значение скорости звука С> таково, что ему соответствует значение выходной частоты измерителя, равное fyrx. В момент включения схемы напряжение на выходе интеграторов измерителя, в том числе и интегратора 14, равны О. Напряжение на выходе сумматора 16 равно + Uo < Uo.
Напряжения, подаваемые на опорные входы компараторов 24 и 25-!, имеют следующую взаимосвязь;
Uo < U1 < Uz « ... Ul < ... U„, Ut Таким образом, в начальный момент работы измерителя на выходах компараторов 25 и 24-I действуют сигналы логического "О", которые через инверторы 27-! устанавливают RS-триггеры 26-i в нулевое состояние. 5 При этом управляемые ключи 30-I открыты и все конденсаторы С! подключены параллельно варикапам управляемого генератора Значение начальной частоты fyr>i управляемого генератора определяется 10 следующим известным выражением: 1 угн 2 тч в и Ч1+ +Сд+Х Сl Ux l=1 40 2 X (— == + сд + y 1+u. +u...тх Графически это изменение 1уг будет происходить по кривой 1 (фиг. 2), соответствующей начальному (нулевому) частотному 45 поддиапазону управляемого генератора 17. При достижении управляющим напряжением U значения U1 (фиг..2), поступаюI щего через ключ 28-! на опорный вход компаратора 25-i, последний сработает, 50 триггер 26-! установится в состояние логической "1", закроет ключ 30-i, отключая конденсатор CI от входа генератора 17 и устанавливая новое значение U1 порогового напряжения, поступающего через ключ 29-i 55 на опорный вход компаратора 25-!. Отключение конденсатора CI при значении управляющего напряжения U = U1 на I входе генератора 17 приводит к скачкообгде L— - индуктивность LC-контура управляемого генератора; С вЂ” изменяемая емкость варикапов; 20 Сд — дополнительная емкость (см. фиг. 3); ! 4 — контактная разность потенциалов р - п области варикапа. Значение начальной частоты fyrH управляемого генератора выбирается таким, что25 бы минимальное значение 1угцнн диапазона изменения выходной частоты измерителя было равно тугмин = гугн(1 + к) . где к = 0,1 - 0,2 — коэффициент запаса, не30 обходимый для преодоления температурной нестабильности варикапов, При увеличении выходного напряжения 0ннг интегратора 14 управляющее напряжение U генератора 17, поступающее с выхода 35 сумматора U = 0о + U«», вызывает изменеI ние частоты fyr управляемого генератора 17 в соответствии с выражением 1 уг 1758561 разному изменению частоты последнего на значение fór 2л Св 1+ — +С+Х Cl U» 1=1 Таким образом, осуществляется перескок частоты управляемого генератора 17 на кривую 1 (фиг. 2), соответствующую первому частотному поддиапазону. Теперь изменение частоты fyr при изменении управляемого напряжения U будет идти по кривой 2, пока при значении U = Ux не будет достигнут установившийся режим работы измерителя. Если теперь произойдет изменение скорости звука в исследуемой среде на значение С>, которому будет соответствовать 1 значение fyrx частоты управляемого гене1 ратора 17, то частота fyr первоначально снизится по кривой 2 (фиг. 2) до значения, соответствующего U = Uo, при котором сработает компаратор 24 и через триггер 26-1 и ключ 30-1 вновь подключит к входу генератора 17 конденсатор С1. Тем самым осуществится перескок работы генератора 17 на кривую 1 (фиг. 2) и переключение его частотных поддиапазонов. Далее изменение частоты fyr будет идти по кривой 1 (фиг. 2), пока не будет достигнут установившийся режим работы измерителя при fyr = fyrx Таким образом, предлагаемый измеритель позволяет измерять скорость звука в различных жидкостях в широких диапазонах ее измерения с высокой точностью, Так, при использовании прототипа (имеющего диапазон измерения скорости звука от 1400 до 1600 м/с и абсолютную погрешность «+0,13 м/с) для измерения скорости звука в различных жидкостях в диапазоне от 920 до 1923 м/с погрешность измерения возрастает до - 0,3 мlc в то время, как пред5 лагаемая схема поддиапазонного измерителя позволяет сохранить ее равной ч-0,13 м/с. Формула изобретения 10 Измеритель скорости звука по авт, св. М 1610308, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых скоростей, он снабжен третьим компаратором, вход которого подключен к выходу 15 второго сумматора, и цепями, каждая из которых состоит из двух источников напряжений, последовательно соединенных первого ключа, компаратора, сигнальный вход которого связан с выходом второго сумматора, и 20 Rs-триггера, второго ключа, конденсатора, включенного между выходом второго ключа и вторым входом управляемого генератора, третий вход которого объединен с сигнальным входом второго ключа, третьего ключа, 25 выход которого соединен с опорным входом компаратора, и инвертора, выход которого подключен к R-входу RS-триггера, инверсным выходом связанного с управляющими входами второго и третьего ключей, прямой 30 выход RS-триггера подключен к управляющему входу первого ключа, источники напряжений соединены соответственно с сигнальными входами первого и третьего ключей, вход инвертора первой из цепей 35 подключен к выходу третьего компаратора, а вход инвертора каждой последующей цепи связан с выходом компаратора предыдущей цепи. 1758561 1758561 Редактор С. Лисина Заказ 2997 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 фГл ФИ Т Гугpg Составитель А. Измайлов Техред М. Моргентал ° Корректор Т. Палий
