Способ бесконтактного определения длины волновода и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения столба жидкого и газообразного вещества, содержащегося в трубчатой полости. Цель изобретения - повышение точности и упрощение процесса измерения. Измерение амплитуды колебаний осуществляют на торце волновода со стороны возбуждения, дополнительно изменяют частоту возбуждения до возникновения стоячей волны с частотой f_и, а длину L волновода определяют из выражения L = Cσ/[2(f_ц-f_п)] , где C - скорость распространения волны; σ - число возникновения стоячей волны в интервале частот f_п-f_ц. Акустические или электромагнитные колебания возбуждают с открытой полости. 2 с. и 16 з.п.ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения длины волновода, в том числе высоты столба жидкого или газообразного веществ.

Известен способ определения размеров контролируемых тел. С этой целью контролируемое тело помещается в высокочастотную (ВЧ) камеру, где устанавливаются колебания двух частот, которые являются резонансными частотами контролируемого тела, размеры которого должны быть определены. На основе известных соотношений могут быть установлены размеры контролируемого тела. В качестве иллюстративного примера рассматривается определение коэффициентов теплового расширения для материала, из которого выполнено контролируемое тело [1] Однако нельзя сделать никакого вывода о том, как определить длины полости, заполненной газом или жидкостью, или длину стержня посредством возбуждения стоячей волны и установления последовательных максимумов (или двух минимумов и одного максимума, за которым следует минимум).

Известен способ использования стоячей волны для установления наличия объекта в контролируемом пространстве и определения перемещения этого объекта [2] Однако частота не изменяется, никакого определения расстояния не производится, а предполагается, что пьезокерамический резонатор волновода движения установлен на определенном расстоянии от контролируемого тела.

Известен способ измерения толщины металлических деталей, в котором стоячая волна возбуждается между двумя антеннами, а контролируемое тело помещается между ними. Частота остается постоянной и не делается попытка использования стоячей волны с изменяющейся длиной волны тела для измерения толщины этого тела [3] Цель изобретения повышение точности и упрощение процесса измерения.

На фиг. 1 представлена общая схема осуществления предлагаемого способа для случая с одним закрытым концом волновода; на фиг. 2 функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 3 схема устройства для измерения высоты столба жидкости; на фиг. 4 блок-схема блока регулировок для устройства; на фиг. 5 и 6 графики амплитуды А в зависимости от частоты f соответственно при отсутствии и наличии дополнительных отражений в корпусе.

Предлагаемое устройство содержит звуковой генератор 1 (громкоговоритель), корпус 2 резонансной камеры, звукопроводящий промежуточный элемент 3, связанный с громкоговорителем 1, волновод 4 с открытым торцом 5, приемный микрофон 6, установленный на части 7 элемента 3, расположенной напротив конца волновода 4, контрольный микрофон 8, установленный в корпусе 2, блок 9 регулятора давления, соединяющий контрольный микрофон 8 с громкоговорителем 1.

Промежуточный элемент 3 может содержать распорный стержень 10, кольцо 11 с радиальными отверстиями и штыри 12. Блок 9 содержит генератор 13 синусоидальных колебаний. Блок-схема регулировки устройства содержит предусилитель 14, цифровой фильтр 15, выпрямитель 16, амплитудный модулятор 17, выходной усилитель 18, кварцевый генератор 19, умножитель 20 частоты, преобразователь.

Способ заключается в следующем.

В волноводе 4 с заданными физико-механическими свойствами с одного из торцов возбуждают колебания акустические или электромагнитные, измеряют амплитуду колебаний на торце 5 волновода 4, изменяют частоту возбуждения колебаний до возникновения стоячей волны с частотой f_n, амплитуду измеряют со стороны возбуждения, изменяют частоту возбуждения до возникновения другой стоячей волны с частотой f_n, а длину L волновода определяют из выражения L=Cσ/[2(f_u-f_n)] где С скорость распространения волны; σ- число возникновений стоячей волны в интервале частот от f_n до f_u.

При контроле жидкого и газообразного волноводов, образованных заполнением трубчатой полости, стоячую волну возбуждают с открытого торца 5 полости.

В случае регистрации двух соседних экстремумов (n и n-1) длину звукопровода определяют из соотношения L C/[2(f_n f_n-1)] Длину λ акустической волны при максимальной частоте возбуждения выбирают больше, чем поперечный размер контролируемого волновода. Изменение частоты производят с минимальной разностью dF частот возбуждения и тогда рассчитывают из соотношения dF≅C/[K(2L_max)] где К количество точек измерения между двумя экстремумами ( ≥12); L_max максимальная длина волновода 4.

Минимально заданный интервал времени dt между возбуждением и приемом выбирают из соотношения
dt ≥ 2L_max/C.

Максимальную частоту f_min выявления экстремума определяют из соотношения
f_min C/[4L_min].

Устройство работает следующим образом.

В волноводе 4 с открытого конца 5 возбуждают с помощью громкоговорителя 1 стоячую волну через звукопроводящий промежуточный элемент 3. Длину акустической волны при максимальной частоте возбуждения выбирают больше, чем поперечный размер контролируемого волновода.

Приемный микрофон 6 закреплен на части 7 промежуточного элемента 3 и регистpирует акустическое давление на открытом конце 5. Контрольный микрофон 8 закреплен в корпусе 2 резонансной камеры и связан через блок 9 регулятора давлений с громкоговорителем. С помощью блока 9 достигается постоянство акустического давления в резонансной камере.

Конструкция промежуточного элемента 3 обеспечивает исключение интерференционных помех. Необходимость его вызвана тем, что при его использовании обеспечивается заданное расстояние от открытого торца 5 волновода 4.

На фиг. 5 показана амплитуда А стоячей волны на открытой с одной или двух концов 4 в зависимости от частоты. Точность измерений зависит от точности, с которой может быть установлено место максимума или минимума. Максимум, показанный на фиг.5, является однозначно измеряемым, и поэтому обеспечивает получение точного результата. Точность также зависит непосредственно от номера максимума или минимума в измеряемом ряду. При большем количестве измеренных максимумов или минимумов вносится наименьшее значение процента ошибки при определении места максимума или минимума.

На фиг. 6 показан случай, когда амплитуда А уменьшается за счет дополнительных стержней. Максимум, следующий за Δf, имеет место при отражениях, вызывающих уменьшение звукового объема. Снижение звукового объема, следующее за Δf, может производиться при учете отражений в корпусе или через непосредственную связь.

Формула изобретения

1. Способ бесконтактного определения длины волновода, заключающийся в том, что в волноводе с заданными физико-механическими свойствами с одного из торцов возбуждают колебания, измеряют амплитуду колебаний на торце волновода, изменяют частоту возбуждения колебаний до возникновения стоячей волны с частотой f_n, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и упрощения процесса измерения, измерение амплитуды колебаний осуществляют на торце волновода со стороны возбуждения, дополнительно измеряют частоту возбуждения до возникновения стоячей воды с частотой f_и, а длину L волновода определяют из выражения
L=cσ/[2(f_и-f_п)],
где c скорость распространения волны;
σ число возникновений стоячей волны в интервале частот f_n - f_и.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждают акустические колебания.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что возбуждают электромагнитные колебания.

4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что при контроле жидкого и газообразного волноводов, образованных заполнением трубчатой полости, стоячую волну возбуждают с открытого торца полости.

5. Способ по пп.1 4, отличающийся тем, что в случае регистрации двух соседних экстремумов n, n 1 длину звукопровода определяют из соотношения
L c/[2(f_n f_n-1)]
6. Способ по пп.1, 2, 4 и 5, отличающийся тем, что длину акустической волны при максимальной частоте возбуждения выбирают больше, чем поперечный размер контролируемого волновода.

7. Способ по пп. 1, 2, 4 6, отличающийся тем, что изменение частоты производят с минимальной разностью dF частот возбуждения, при двух ближайших экстремумах значение амплитуд принятого сигнала определяют из соотношения
dF ≅ c[k(2L_max)]
где k ≥ 12 количество точек измерения между двумя экстремумами;
L_max максимальная длина волновода.

8. Способ по пп. 1, 2, 4 6, отличающийся тем, что минимально заданный интервал времени dt между возбуждением и приемом выбирают из соотношения
dt ≥ 2L_max/c.

9. Способ по пп. 1, 2, 4 6, отличающийся тем, что минимальную частоту f_min выявления экстремума определяют из соотношения
f_min c/[4L_min]
где L_min наименьшая длина контролируемого волновода.

10. Способ по пп.1, 2, 4 9, отличающийся тем, что при измерении изменение частоты производят уменьшением значения от максимально возможной частоты.

11. Устройство для бесконтактного определения длины звукопровода, содержащее резонансную камеру, установленный в ней громкоговоритель и связанный с ней приемный микрофон, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения области применения, оно снабжено звукопроводящим промежуточным элементом, связанным с громкоговорителем и контактирующим в процессе измерения с контролируемым волноводом.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что оно снабжено полым звукопроводом, широким основанием закрепленным на громкоговорителе.

13. Устройство по пп.11 и 12, отличающееся тем, что звукопровод выполнен в виде усеченного конуса.

14. Устройство по пп.11 13, отличающееся тем, что оно снабжено контрольным микрофоном, связанным через блок регулятора давления с громкоговорителем.

15. Устройство по пп.11 14, отличающееся тем, что промежуточный элемент выполнен в виде кольца с радиальными отверстиями и установленными в этих отверстиях с возможностью перемещения и фиксации штырями, а элемент установлен перпендикулярно продольной оси звукопровода.

16. Устройство по пп.11 15, отличающееся тем, что поверхности кольца и штырей, обращенные к контролируемому звукопроводу, выполнены выпуклыми.

17. Устройство по пп. 11 16, отличающееся тем, что приемный микрофон связан с громкоговорителем через блок регулятора давления.

18. Устройство по пп. 11 17, отличающееся тем, что оно снабжено слоем поглощающего материала, нанесенного на свободном конце промежуточного элемента.

Приоритет по пунктам:
16.01.89 по пп.1 5;
16.10.89 по пп.11 18.