Измеритель скорости звука

 

Изобретение относится к измерительной и экспериментальной технике и может быть использовано для измерения абсолютной скорости звука и ее малых приращений в жидких средах с большим коэффициентом поглощения звука, например морской воде или глицерине. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет компенсации температурной деформации крутизны фронтов ультразвуковых импульсов . Это достигается за счет конструкции измерителя скорости звука, содержащего корпус, электронный блок, протектор, электроакустический преобразователь, термобарокомпенсационное устройство, базовую плиту с закрепленными на ней параллельно одна другой двумя термобарокомпенсационными штангами, основание, закрепленное одним концом на нижней штанге, две разновысокие герметичные опоры, установленные на другом конце основания, два электрозку стических преобразователя с протекторами размещенными в торцах опор таким образен, что протекторы параллельны протектору s стического преобразователя, ус новлен в торце корпуса, закрепленного на верхней штанге. 3 ил. |СЛ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s G 01 N 29/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4844285/28 (22) 03.05.90 (46) 30.10.92. 5 юл, ¹ 40 (71) Донецкий государственный университет (72) С.п Клопенко (56) Гидрофизические измерения, Сборник научных трудов, M;: Изд.НП0 ВНИИНТРИ, 1989, 122 с., с, 92-95.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1654676, кл. G 01 К 29/02, 1989. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА (57) Изобретение относится к измерительной и экспериментальной технике и может быть использовано для измерения абсолютной скорости звука и ее малых приращений в жидких средах с большим коэффициентом поглощения звука, например морской воде или глицерине. Цель изоИзобретение относится к измерительной и экспериментальной технике и может быть использовано для прецизионных измерений абсолютной скорости звука и ее малых приращений в жидких средах с большим коэффициентом поглощения звука, например, морской воде или глицерине.

Известны устройства для прецизионных измерений скорости ультразвука, в которых измеряется время пробега ультразвукового зондирующего импульса на мерном отрезе акустической базы с использованием обратимого электроакустического преобразователя и двух отражателей, размещенных на известном расстоянии друг от друга, Недостатком известного устройства является присущая ему большая погрешность, . ".Ж 1772722 А1 бретения — повышение точности измерений за счет компенсации температурной деформации крутизны фронтов ультразвуковых импульсов. Это достигается за счет конструкции измерителя скорости звука, содержащего корпус, электронный блок, протектор, электроакустический преобразователь, термобарокомпенсационное устройство, базовую плиту с закрепленными на ней параллельно одна другой двумя термобарокомпенсационными штангами, основание, закрепленное одним концом на нижней штанге, две разновысокие герметичные опоры, установленные на другом конце основания, два электроакустических преобразователя с протекторами. размещенными в торцах опор таким образом, что протекторы параллельны протектору а" стического преобразователя, ус:. :новлен. в торце корпуса, закрепленного на верхней штанге. 3 ил. обусловленная уходом геометрической длины мерного отрезка акустической базы вследствие изменения температуры и деформации крутизны фронтов импульсов от излучателей.

Наиболее близким по технической сущ" ности является измеритель скорости звука, содержащий корпус, электронный блок, протектор, электроакустический преобразователь, термобарокомпенсационное устройство.

Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная не" компенсированной паразитной задержкой в электронном блоке, неучтенность скорости звука s протекторе и отсутствие второго акустического канала.

1772722

20 предлагаемое устройство.

Устройство содержит герметичный корпус 1 с электронным блоком 2. В торце кор- 25

40

50 электрический импульс, возбуждающий излучающий электроакустический преобразо- 55

Цель изобретения — повышение точности измерений за счет компенсации температурной деформации крутизны фронтов ультразвуковых импульсов.

Это достигается тем, что известное устройство, содержащее корпус, электронный блок, протектор, электроакустический преобразователь, термобарокомпенсационное устройство, снабжено базовой плитой, закрепленными на ней параллельно одна другой двумя термобарокомпенсационными штангами, основанием, закрепленным одним концом на нижней штанге, двумя разновысокими герметичными опорами, установленными на другом конце основания, двумя злектроакустическими преобразователями с протекторами, размещенными в торцах опор таким образом, что протекторы параллельны протектору акустическо! о преобразователя, установленного в торце корпуса, закрепленного на верхней штанге.

На фиг. 1-3 схематически изображено пуса размещен. протектор 3, к его внутренней поверхности прилегает излучающий электроакустический преобразователь 4, Проекторы 5 с прилегающими к их внутренней поверхности приемными электроакустическими преобразователями 6 размещены на торцах разновысоких герметичных первой 7 и второй 8 опор, размещенных равноудаленно от оси распространения ультразвуковых импульсов на основании 9. Основание 9 закреплено на первой компенсационной штанге 10, параллельной второй компенсационной штаге 11.

Корпус 1 соединен с первой компенсацион ной штангой 10 опорой 12. Обе компенсационные штанги 10 и 11 соединены фиксирующими опорами 13 с базовой плитой 14, На приемные электроакустические преобразователи 6 напылены наружные 15 и внутренние 16 контакты. Внутренний контакт 16 прилегает к металлическому токои одводу 17. Герметич н ые разновысокие опоры.7 и 8 внутри заполнены звукопоглощающим компаундом 18.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Электронный блок 2 времяпролетного измерителя скорости звука генерирует ватель 4, который излучает ультразвуковой зондирующий импульс, проходящий через протектор 3 и исследуемую среду,„принимается последовательно приемными электроакустическими преобразователями 6, 5

10 пройдя путь 4+ 1в. При измерении разности времени пробега погрешности, вносимые элементами измерителя, участвующими в приеме ультразвукового зондирующего импульса, компенсируются и не влияют на точность измерений. В электронном блоке 2 происходит обработка информации о времени прохода ультразвуковыми импульсами мерного участка акустической базы!в. Так как температура исследуемой среды извест- . на с большой точностью и расстояние между плоскостями протекторов 5 тоже, то по этим данным определяется величина скорости звука в данной исследуемой среде при данной температуре (давление и концентрация примесей считаются постоянными и определены заранее). Затем цикл измерений повторяется при другой температуре.

Так как для точной работы измерителя необходимо выдерживать постоянство величины мерного участка акустической базы

lg, огра . иченного плоскостями протекторов

5 прие 4ных электроакустических преобразователей 6, необходимо применение компенсационного устройства, устраняющего дестабилизирующее воздействие на величину мерного участка акустической базы рабочих.значений температур и давлений.

Например, температурный прирост длины мерного участка акустической базы составил, при диапазоне изменения рабочих температур 35ОС вЂ” 350 мк, при этом прирост длины базы в 61 мк уже приводит к изменению скорости звука в морской воде на 0,03-0,04 м/с.

Термобарокомпенсатор, представляющий собой разновысокие герметичные опоры 7. и 8, размещенные на общем основании

9, выполненные иэ материалов с такими

ТКЛР и величинами модулей Юнга, что приращения их длин при воздействии температуры и давления одинаковы, относительно плоскости их установки на основании, дают погрешность длины мерного участка акустической базы, не.превышающей 10 м/с, что обусловлено отклонениями конкретных величин а и Е примененных материалов от паспортных значений. Обычно они не превышают 1-2 7,. паспортной величины.

Важное значение для обеспечения заданной точности имеет выполнение условия постоянства крутизны фронтов ультразвуковых импульсов, проходящих на приемные злектроакустические преобразователи 6, так как изменение температуры исследуемой жидкости вызывает температурную деформацию крутизны их фронтов. Обычно частота заполнения ультразвукового зондирующего импульса неизменна, в этом случае параметром, влияющим на

1772722 температурную деформацию фронтов первого или второго полупериодов пакета, которые вызывают появление на приемных электро. акустических преобразователях импульсов управляющего счетчиком временных интер- 5 валов напряжения — температурный коэффициент поглощения ультразвука, Р особенно для жидкостей, коэффициент поглощения ультразвука в которых велик, Поэтому даже небольшое изменение коэффициента затуха- 10 ния ультразвука при изменении температуры приводит к недопустимо большому падению величины амплитуды ультразвукового зондирующего импульса на приемных электроакустических преобразователях. 15

Для практических целей зависимость величины коэффициента затухания от температуры, например, в морской воде, принимается в виде уравнения прямой, Для температурного интервала 0 — 40 С, приняв, 20 приближенно, линейную зависимость величины от температуры для морской воды, где при 0 С Ро =70.10 с /см; при 40 С вЂ” 20" к10 с /см, определим в виде Р= kt+ В:

P = -1,25t+ 70. 25 учитывая, что в известном уравнении а„= ао е неизменность значения величины ах определяется из условия 2 j3I =

=const, где Ро при 0 С, на исходном расстоянии 4 отражателя от излучателя определяло Io ет величину константы - = const.

2 тогда в общем виде! = ,а для

43 морской воды:

Ро Io

27: 1, лт+ то)

В этом случае необходимо приращение длины пробега ультразвукового зондирую- 40 щего импульса A I = I - 4= — 4(2 I +В 1)

Для конкретного материала компенсатора необходимое температурное приращение его длины определяется из зависимости:

Л1темо= 1т Ata,, тогда, из условия равенства приращений длин 50

Ь!темп =A I = 1т A 1 О т =Io( откуда Iò

ht.ат где Ь вЂ” длина компенсатора,м;

Iо — величина пробега ультразвукового зондирующего импульса в исследуемой среде, м;

P 0 — коэффициент затухания ультразвука при минимальной температуре исследований, с2/см;

k — коэффициент линейной зависимости

j3 от температуры;

 — свободный член линейной зависимости Р от температуры;

A t — диапазон температурных исследо-, ваний, С;

cT — ТКЛР материала компенсатора, 1/град.

Например для морской воды мор т м; где Ро=7010 с /c ;t»«.=40 A т=емакс.—

-17 2 о

Тмин = 40 — 0 = 40 С, откуда

lt Р= 1,875 10 —; м, а

Например, при 1о = 10 мм длина IT xoMпенсатора, выполненного из фторопласта—

4, у которого ат = 28,2 10 1/град: I> >= 66,5

-5 см; если компенсатор выполнен из полиэтилена высокого давления с ттт = 50 10

1/град, то при 4 =10 мм, Ь = 37,5 см.

Для жидкостей с большим коэффициентом затухания длина компенсатора на порядок и более меньше, чем для морской воды.

Использование предлагаемого изобретения позволит с высокой чувствительностью измерять абсолютную скорость зву..а и малые ее приращения в различных жидкостях, без существенного усложнения конструкции и увеличения габаритных размеров измерителя скорости звука.

Формула изобретения

Измеритель скорости звука, содержащий корпус, электронный блок, протектор, электроакустический преобразователь, термобарокомпенсационное устройство, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет компенсаций температурной деформации фронтов ультразвуковых импульсов, он снабжен базовой плитой, закрепленными на ней параллельноо одна другой двумя термобарокомпенсационными штангами, основанием, закрепленным одним концом на нижней штанге, двумя разновысокими герметичными опорами, установленными на доугом конце основания, двумя электроакустическими преобразователями с протекторами, размещенными в торцах опор так, что протекторы параллельны протектору акустического преобразователя, установленного в торце корпуса, закрепленного на верхней штанге, 1772722

1772722

Составитель С,Клопенко

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Т.Палий

Редактор

Заказ 3842 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СCCP

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

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