Способ измерения параметров жидких сред по затуханию ультразвука

 

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в приборах и системах контроля физико - химических параметров жидких сред. Оно позволяет преодолеть влияние помех и увеличить скорость изменения за счет того, что высокочастотные колебания, проходящие через исследуемую среду, модулируют по амплитуде, а о затухании ультразвука судят по взаимной корреляционной функции между величинами продетектированного сигнала приемного пъезоэлемента и переменной составляющей модулирующего сигнала. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может найти применение в приборах и системах контроля физико-химических параметров жидких сред, например концентрации взвешенных веществ в шахтных и сточных водах. В особенности использование изобретения может оказаться уместным в тех случаях, когда для проведения измерений и обработки результатов предусмотрено применение вычислительной техники.

Известен способ определения наличия в жидкости твердых включений, реализованный в устройстве [1] в соответствии с которым генерируют электрические колебания высокой частоты, возбуждают ими излучающий пьезоэлемент, преобразуя тем самым электрические колебания в ультразвуковые, пропускают последние через исследуемую жидкость, преобразуют их с помощью приемного пьезоэлемента вновь в колебания электрические, которые пропускают последние через фильтр верхних частот, усиливают и детектируют. В этом способе создают условия для модуляции ультразвуковых волн движущимися частицами и измеряют вызванные этой модуляцией изменения напряжения на выходе детектора, по которым судят о величине и концентрации частиц.

Однако глубина модуляции, обусловленной движущимися частицами, сравнительно невелика и действие этой полезной модуляции может оказаться соизмеримым с влиянием паразитной модуляции, порожденной, например, нестабильностью амплитуды генерируемых колебаний, которая с не меньшим успехом фиксируется детектором.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному является способ измерения концентрации взвешенных веществ по затуханию ультразвука, реализованный в пульпомере УИКП-1 [2] В соответствии с этим способом генерируют электрические колебания высокой частоты, возбуждают излучающий пьезоэлемент, преобразуя тем самым электрические колебания в ультразвуковые, пропускают последние через исследуемую жидкость, преобразуют их с помощью приемного пьезоэлемента вновь в колебания электрические, усиливают и детектируют (выпрямляют) электрические сигналы приемного пьезоэлемента, а также электрические сигналы, действующие в цепи излучающего пьезоэлемента, после чего определяют разность между величинами продетектированных сигналов, по которой судят о коэффициенте затухания ультразвука, зависящем от концентрации взвешенных частиц.

Рассматриваемый способ создает определенные предпосылки для подавления значительной части помех, так как в разности величин сигналов исчезают помехи, носящие аддитивный характер и являющиеся одинаковыми для обоих сравниваемых сигналов. Но это оказывается недостаточными для измерения малых концентраций взвешенных веществ. Действительно, шумы на выходах детекторов коррелированы лишь частично и полностью взаимоуничтожиться не могут. Сам уровень шумов может оказаться значительным за счет его низкочастотных составляющих (фликкер-шумов), спектральная плотность которых с уменьшением частоты все увеличивается. Несколько уменьшить влияние их в рамках данного способа можно путем усреднения сигналов детекторов за довольно значительный промежуток времени. Однако путь этот не дает желаемого результата, поскольку фликкер-шумы не являются стационарными. К тому же увеличение времени измерения нежелательно, либо лишает возможности следить достаточно подробно за изменениями измеряемого параметра и затрудняет использование измерителя в системе автоматического регулирования.

Кроме того, в устройствах, реализующих данный способ, неизбежен дрейф нуля усилителей, который можно рассматривать как разновидность низкочастотных шумов. Влияние на результат измерения могут оказать и механические вибрации, поскольку степень воздействия их на каналы усиления не одинакова. Наконец, особенно значительные погрешности обусловлены обычно наводками, порожденными напряжением сети 50 Гц и его гармониками, а также индустриальными помехами от других источников. Действие их на каналы оказывается также неодинаковым.

При наличии мешающих факторов дифференциальный способ измерения становится малоэффективным. В самом деле, вклад аддитивных помех в уровень выходного сигнала, частично компенсируясь, хотя и уменьшается, но погрешность, обусловленная этим частично скомпенсированным вкладом, выражается его отношением к разности сравниваемых величин сигналов, которая обычно меньше или гораздо меньше величин ее составляющих, и далеко не всегда дифференциальный способ обеспечивает существенный выигрыш в точности измерений. Во всяком случае, как показывает практика, дифференциальный способ сравнения выпрямленных напряжений не дает желаемого результата при измерениях, требующих высокой чувствительности.

Цель изобретения повышение точности измерений за счет уменьшения влияния низкочастотных шумов и наводок, а также увеличение скорости измерений.

Цель достигается тем, что в способе, в соответствии с которым генерируют электрические колебания высокой частоты, возбуждают ими излучающий пьезоэлемент, преобразуя тем самым электрические колебания в ультразвуковые, пропускают последние через исследуемую среду, преобразуют их с помощью приемного пьезоэлемента вновь в колебания электрические, усиливают и детектируют электрические, усиливают и детектируют электрические сигналы приемного пьезоэлемента, а также преобразуют сигнал, действующий в цепи излучающего пьезоэлемента, затем сравнивают преобразованные излучаемый и принятый сигналы и по результатам сравнения с учетом эталонных значений судят о коэффициенте затухания ультразвука, зависящем от параметров жидких сред, согласно изобретению, высокочастотные колебания модулируют по амплитуде, а о затухании судят по взаимной корреляционной функции между величинами протедектированного сигнала приемного пьезоэлемента и переменной составляющей модулирующего сигнала.

На чертеже изображена структурная схема одного из вариантов устройства, реализующего предложенный способ.

Устройство содержит генератор 1 электрических колебаний высокой частоты, формирователь 2 модулирующего сигнала, модулятор 3, ультразвуковую измерительную ячейку 4 с излучающим и приемным пьезопреобразователями 5 и 6, усилитель 7, детектор 8, задерживающее звено 9, подключенное к выходу формирователя модулирующего сигнала. В устройстве предусмотрена также микроЭВМ, реализующая встроенную программу вычисления значений взаимной корреляционной функции между сигналами, снимаемыми с выхода детектора 8 и переменной составляющей сигналов, снимаемых с выхода задерживающего звена 9.

Способ реализуется следующим образом.

На входы модулятора 3 подают электрические импульсы достаточно высокой частоты (порядка 1 мГц), снимаемые с выхода генератора и модулирующие импульсы, поступающие с выхода формирователя 2 сигнала, частота которых равна, например, 50 кГц. Модулируемые по определенному закону колебания, образующиеся на выходе модулятора 3, подводят к электродам излучающего пьезопреобразователя 5 и возбуждают в нем ультразвуковые модулированные колебания и, если пьезопреобразователь 5 обладает достаточно широкой полосой пропускания с равномерной амплитудно-частотной характеристикой, то сгибающая модулированных колебаний повторяет форму модулирующего сигнала. Проходя через исследуемую среду, ультразвуковые волны, возбуждаемые пьезопреобразователем 5, частично поглощаются, причем степень поглощения зависит от концентрации, например, растворенных солей или взвешенных в жидкости частиц, а также от частоты ультразвуковых колебаний. Но так как между несущей частотой колебаний и частотой модулирующего сигнала имеет место соотношение ω_o> > Ω и, следовательно, все основные составляющие результирующего модулированного колебания группируются вблизи частоты ω_о, коэффициенты поглощения каждой из указанных составляющих примерно равны. Поэтому для любой из составляющих ультразвуковых колебаний, воздействующих на приемный пьезоэлемент 6 справедливо соотношение А_i A_oie^-α κo (1) где А_i амплитуда какой-либо составляющей модулированного колебания, воздействующего на приемный пьезоэлемент 6; A_oi амплитуда этой же составляющей на границе жидкости с излучающим пьезоэлементом 5; α коэффициент поглощения (затухания) ультразвука; κ_o расстояние между пьезоэлементами.

Под действием ультразвуковых колебаний (1) на электродах приемного преобразователя 6 появляются электрические колебания, которые усиливаются усилителем 7. При этом, если амплитудно-частотная характеристика усилителя и пьезоэлементов 5 и 6 равномерна в полосе частот, примыкающих к ω_о (а также пьезопреобразователи, без ярко выраженных резонансных свойств, существуют), то имеет место соотношение А_oi K₁U_i; ϕ_i K₂A, (2) где U_i амплитуда i-й составляющей модулированного электрического сигнала, подаваемого на электроды излучающего пьезопреобразователя; ϕ_i амплитуда i-й составляющей напряжения, выделяемого на выходе усилителя 7; К₁, К₂ коэффициенты преобразований, которые можно считать не зависящими от номера составляющей.

Из (2) и (1) следует, что ϕ_i K˙U_i e^- α κo (3) где К К₁К₂. Так как величина Ke^- α κo не зависит от номера составляющей модулированного колебания, форма огибающей сигнала, снимаемого с выхода усилителя, подобна модулирующему сигналу и для этих сигналов справедливо соотношение, аналогичное выражению (3). Однако между этими сигналами имеется временной сдвиг, вызванный, например, конечной скоростью распространения ультразвука. Поэтому ϕ(t) K ˙e^- α κo U(t-τ), (4) где ϕ(t) огибающая сигнала, снимаемого с выхода усилителя 7;
U(t) модулирующий сигнал;
t время;
τ временной сдвиг между рассматриваемыми сигналами (между фазами этих сигналов).

Временной сдвиг τ регулируют с помощью задерживающего звена 9 и устанавливают желаемое значение. В частности, величину τ приводят к нулю. Тогда
ϕ(t) K ˙e^- α κo ˙U(t), (5) где U(t) представляет собой модулирующий сигнал, снимаемый с выхода задерживающего звена 9.Кроме полезного сигнала (5), содержащегося в модулированном колебании, на вход детектора 8 могут проникать наводки, порожденные напряжением сети 50 Гц и его гармониками, а также другие индустриальные помехи и шумы. При этом усилительный тракт может оказаться открытым еще и для влияния сторонних механических вибраций приемного пьезоэлемента на выходной сигнал усилителя 7. Сигнал, действующий на входе детектора 8, может быть представлен в виде суммы модулированного полезного сигнала и напряжения помехи. Если считать для определенности, что детектирование является синхронным, то оба слагаемых проходят через детектор 8 и преобразуются им независимо друг от друга. При этом насущая частота, а также высокочастотные составляющие помехи задерживаются фильтром детектора. В результате напряжение на выходе детектора имеет вид
ϕ_g(t) K₃ϕ (t) + ϕ _п(t), (6) где ϕ_g(t) напряжение на выходе фильтра детектора;
К₃ коэффициент, зависящий от параметров детектора;
ϕ_п(t) напряжение помех на выходе детектора, являющееся результатом действия низкочастотных шумов и наводок. В спектре ϕ_п(t) отсутствуют высокочастотные составляющие. Во многих случаях оказывается, что наиболее сильные мешающие воздействия исходят от помех, спектр частот которых занимает область, расположенную на значительном удалении от частоты модулирующего сигнала и "примыкающую" к нулевой частоте. В соответствии с этим под ϕ_п(t) можно подразумевать смесь низкочастотных наводок и шумов, частотный диапазон которой составляет 0-5 кГц. Преодоление такого рода помех обычно встречает значительные трудности и связано в основном с увеличением времени измерения. Обусловлено это тем, что время корреляции случайных процессов с низкочастотным спектром велико и для того, чтобы, например, при усреднении проявилась случайность, измерения приходится проводить со значительной временной выдержкой. Между тем в описываемом способе, как будет видно из дальнейшего, подавление помех тем эффективнее, чем меньше "выдержка".

Напряжения ϕ_g(t) и U(t), снимаемые с выходов детектора 8 и задерживающего звена 9, преобрузуют в цифровую форму и направляют в микроЭВМ, встроенная программа которой позволяет определить значение функции взаимной корреляции между ϕ_g(t) и переменной составляющей модулирующего сигнала U(t), а именно величины, определяемой формулой
R U(t)-U ϕ_д(t)dt (7) где R значение функции корреляции междуU(t) U_cp} и ϕ_g(t) при временном сдвиге, равном нулю;
U_ср среднее значение величины U(t), определяемое как
U_ср= U(t)dt; T время интегрирования, определяющее время измерения. Из соотношений (5) и (6), следует, что
ϕ_g(t) K₃ ˙ K ˙e^- α κo ˙U(t) + ϕ_п(t) Это выражение можно представить также в виде
ϕ_g(t) K₄˙e^-ακξU(t) U_cp} + K₄˙e^- ακξ ˙ U_cp + ϕ_п(t), (8)где К₄ K₃ ˙K
После подстановки выражения (8) в соотношение (7) последнее приобретает следующий вид:
R K₄e U(t)-Udt + U(t)-U ×
× (K₄eU_ср+ϕ_п)dt (9)
Так как помехи ϕ_п(t) занимают полосу низких частот ω, для которых справедливо соотношение ω<< Ω то скорость изменения ϕ_п(t) невелика. Поэтому в течение промежутка времени, соизмеримого с периодом модулирующего колебания, величина ϕ_п(t) изменяется незначительно и в этом интервале времени ее можно считать приблизительно постоянной и с тем большим основанием, чем меньше время интегрирования. В этом случае второе слагаемое
U(t)-U (K₄eU_ср+ϕ_п)dt=(K₄eU_ср+ϕ_п) ×
× U(t)-U dt выражения (9) можно переписать следующим образом:
U(t)-U (KU_ср+ϕ_п)dt=(KU_ср+ϕ_п) ×
× U(t)-U dt Но, очевидно, что U(t)-U dt 0, т.е. все второе слагаемое выражения (9) обращается в нуль, если пренебречь изменением величины ϕ_п(t) за промежуток времени Т. Таким образом, влияние напряжения помех ϕ_п(t) на значение функции корреляции может проявиться только через изменения величины ϕ_п(t) за промежуток времени Т, которые малы. Сама же величина ϕ_п(t), т. е. среднее ее значение за промежуток Т, которое, очевидно, в основном значительно превышает указанные изменения, полностью выпадает из игры.

Кроме того, так как корреляционная функция R содержит операцию интегрирования, то и высокочастотные составляющие спектра шума, будучи в значительной степени уже подавленными фильтром детектора 8, встречают в своем стремлении повлиять на результат измеренеия еще и дополнительный барьер.

Итак, если пренебречь вторым слагаемым выражения (9), то
R K₄e U(t)-Udt или R K₄ σ²e^-ακo где σ²≡ U(t)-Udt дисперсия модулирующего сигнала. Величина σ² зависит от закона модуляции, от времени Т, которое фиксировано, и от значения модулирующей функции U(t) в начальный момент t 0, которое приобретает определенность при синхронизации. Однако, если время T равно или кртатно периоду модулирующих колебаний, то безразлично, в каком состоянии начало измерения застанет модулирующую функцию, и синхронизация становится излишней.

Таким образом,
R A˙e^-ακo где А K₄ σ² константа. В программе микроЭВМ предусматривают вычисление логарифма и получают линейную зависимость результата от коэффициента затухания α
ln R ln A ακ_o. (10)
В рамках предложенного способа осуществляют также сравнение коэффициента затухания α исследуемой жидкости с коэффициентом затухания жидкости "эталонной". Для этого погружают измерительную ячейку в "эталонную" жидкость и проделывают предусмотренные способом операции. В результате получают
ln R_э ln A˙α_эκ_o (11) где R_э значение корреляционной функции, соответствующее эталонной жидкости;
α_э коэффициент затухания эталонной жидкости.

Затем из выражений (10) и (11) получают
ln κ_o(α-α_э).

При этом, так как влияние помех в значительной мере снижено и на результаты измерений можно положиться, то измерения эталонной жидкости проводят заблаговременно. Результат записывают в запоминающее устройство микроЭВМ и лишь время от времени его корректируют. Таким образом, предложенный способ позволяет преодолеть влияние помех и увеличить наряду с этим скорость измерения, которая определяется главным образом быстродействием используемого вычислительного устройства. При этом само это быстродействие в предложенном способе способствует преодолению помех.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ СРЕД ПО ЗАТУХАНИЮ УЛЬТРАЗВУКА, заключающийся в том, что возбуждают пьезоэлемент преобразованными высокочастотными электрическими колебаниями, преобразованные ультразвуковые колебания пропускают через исследуемую среду, принимают их на заданном расстоянии, преобразуют в электрические, усиливают и детектируют, сравнивают преобразованные излучаемый и принятый сигналы и по результатам сравнения с учетом эталонных значений судят о коэффициенте затухания ультразвука в исследуемой среде, отличающийся тем, что высокочастотные колебания модулируют по амплитуде, а о затухании судят по функции взаимной корреляции между принятыми сигналами и переменной составляющей модулирующего сигнала.

РИСУНКИ

Рисунок 1