Измеритель скорости звука в жидких средах

 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для измерения скорости звука в естественных водоемах. Предложен импульсный цифровой измеритель скорости звука, содержащий обратимый акустический преобразователь и отражатель, отстоящий от преобразователя на фиксированное расстояние. Преобразователь подключен к импульсному генератору и последовательно соединенным приемному усилителю, временному селектору k-го принятого импульса (k= 1, 2, ...m), аналого-цифровому преобразователю, схеме памяти, цифровому вычислительному устройству и блоку выдачи данных. Цифровое вычислительное устройство содержит блок определения экстремума, блок определения временных интервалов и блок определения скорости звука. В предложенном измерителе уменьшено влияние флуктуации амплитуды принятых ультразвуковых импульсов на результаты измерений временных интервалов. 3 ил.

Изобретение относится к области импульсной акустической измерительной техники и может быть использовано для измерения скорости звука в естественных водоемах.

Известны [1] стр. 55-73 импульсные измерители скорости звука, основанные на определении временного интервала t между моментами излучения и приема акустических импульсов при фиксированном пути l их распространения. Скорость звука С при этом находится из соотношения C = l/t.

В большинстве импульсных измерителей скорости звука временной интервал t определяется с использованием осциллографа - непосредственно по калибровочным меткам, подаваемым от специального генератора на вертикальные отклоняющие пластины или на управляющий электрод электронно-лучевой трубки, либо наблюдая на ее экране за процессом прихода на акустический приемник прямых и отраженных импульсов, добиваются их полного визуального совмещения, изменяя или частоту следования излучаемых импульсов, или скорость развертки осциллографа.

Достоинством импульсных осциллографических измерителей скорости звука являются сравнительная простота их реализации с возможностью использования стандартной измерительной аппаратуры при достаточно высокой точности определения временных интервалов, а значит и скорости звука в исследуемой среде.

Однако недостатками являются громоздкость аппаратуры, практически неосуществимость автоматизации процесса измерений и невозможность его проведения в средах с быстроменяющейся скоростью звука.

Известны [2] стр. 100, 108 автоматизированные импульсные измерители скорости звука, в которых временной интервал t определяется цифровым способом. Суть этого способа заключается в формировании из излучаемого импульса стартового импульса, а из принятого акустического импульса - стопового импульса. Стартовый импульс открывает электронный счетчик, на вход которого подается последовательность опорных импульсов с периодом следования во много раз меньшим измеряемого временного интервала t. Стоповый импульс останавливает счет опорных импульсов.

Количество опорных импульсов, поступивших в счетчик за временной интервал t, индицируется непосредственно в единицах времени на цифровом табло.

Достоинствами импульсных цифровых измерителей скорости звука являются автоматическое функционирование, удобство отображения результатов измерений временных интервалов и возможность их выдачи в электронно-вычислительную машину.

К недостаткам импульсных цифровых измерителей следует отнести повышенную погрешность измерения скорости звука при наличии амплитудных флюктуации принятых импульсов вследствие того, что амплитудный дискриминатор (компаратор), который используется в этих измерителях для формирования стопового импульса, имеет фиксированный порог срабатывания.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является устройство для измерения времени распространения ультразвуковых колебаний по авторскому свидетельству [3], содержащее передающий тракт, состоящий из последовательно соединенных импульсного генератора и акустического преобразователя-излучателя и приемный тракт, состоящий из последовательно включенных акустического преобразователя-приемника, приемного усилителя, селектора первого полупериода ультразвуковых колебаний и схемы памяти, а также измерителя временных интервалов, вход сброса которого соединен с выходом импульсного генератора и амплитудного дискриминатора, пороговый вход которого подключен к выходу схемы памяти, временной селектор k-го импульса (k=2,3,...,m), счетный вход которого соединен с входом амплитудного дискриминатора, вход синхронизации подключен к выходу генератора, выход соединен со входом отсчета измерителя временного интервала, а сигнальный вход амплитудного дискриминатора подключен к выходу приемного усилителя.

В данном устройстве уменьшено влияние флюктуации амплитуды принятых ультразвуковых импульсов на результаты измерений временных интервалов за счет формирования фиксированного порога срабатывания амплитудного дискриминатора пропорционально амплитуде первого полупериода первого принятого импульсного сигнала в отдельной последовательности из k принятых импульсов. Для разных последовательностей этот порог имеет свой уровень.

Такое техническое решение повышает точность измерений при относительно небольших (несколько процентов) флюктуациях амплитуды принятых импульсов. При более сильных флюктуациях амплитуды, которые возможны при измерениях, например, в интенсивном турбулентном водном потоке, пороговый уровень, найденный по амплитуде первого полупериода первого принятого импульса, не будет соответствовать амплитуде первого полупериода k-ого принятого импульса, что приведет к недопустимому увеличению динамической погрешности измерений и даже к кратковременному прекращению функционирования измерительного устройства.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения скорости звука в жидких средах.

Для решения поставленной задачи в известный измеритель скорости звука, содержащий импульсный генератор, приемо-излучающий акустический преобразователь, приемный усилитель и схему памяти дополнительно введены акустический отражатель, расположенный на фиксированном расстоянии от приемоизлучающего преобразователя, вывод которого подключен к выходу импульсного генератора и входу приемного усилителя, тактовый генератор, блок управления, аналого-цифровой преобразователь, блок выдачи данных и цифровое вычислительное устройство, содержащее последовательно соединенные блоки определения экстримума, блок определения временных интервалов и блок определения скорости звука, выход временного селектора через аналого-цифровой преобразователь подключен к входу схемы памяти, выход которой через цифровое вычислительное устройство соединен с блоком выдачи данных, а тактовый генератор через блок управления соответствующими выходами его подключен к входам импульсного генератора, временного селектора k-ого принятого импульса, аналого-цифрового преобразователя и оперативного запоминающего устройства.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1, 2 и 3. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого импульсного цифрового измерителя скорости звука в жидких средах. На фиг.2 изображены эпюры напряжений сигналов на выходе приемного усилителя U(t), где t - текущее время. На фиг.3 представлена блок-схема алгоритма работы цифрового вычислительного устройства.

Измеритель скорости звука в жидких средах содержит (фиг.1) импульсный генератор (ИГ) 1, выход которого подключен к приемоизлучающему акустическому преобразователю (АЛ) 2, отстоящему на фиксированном расстоянии d от акустического отражателя (АО) 3. Акустический преобразователь 2 подключен также к входу приемного усилителя (УП) 4, выход которого подключен к последовательно соединенным временному селектору k-го принятого импульса (ВС) 5, аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 6, схеме памяти (СП) 7, цифровому вычислительному устройству (ЦВУ) 8, содержащему последовательно соединенные блоки определения экстремума (БОЭ) 9, временных интервалов (БОВИ) 10 и скорости звука (БОСЗ) 11. Информационный выход ЦВУ 8 подключен к входу блока выдачи данных (БВД) 12. Блок БОСЗ 11 через управляющий выход ЦВУ 8 подсоединен к входу управления блока управления (БУ) 13, вход синхронизации которого подключен к выходу тактового генератора (ТГ) 14. Соответствующие выходы блока управления 13 подсоединены к входам управления импульсного генератора 1, временного селектора k-гo импульса 5, аналого-цифрового преобразователя 6 и схеме памяти 7.

Предлагаемый измеритель скорости звука в жидких средах функционирует следующим образом.

По команде блока управления 13 импульсный генератор 1 формирует короткий видеоимпульс, который подается на обратимый акустический преобразователь 2 и ударно возбуждает его. Соответствующий акустический радиоимпульс из нескольких неодинаковых по амплитуде полупериодов несущей частоты, равной резонансной частоте преобразователя 2, неоднократно распространяется от него в исследуемой среде до акустического отражателя 3 и обратно к акустическому преобразователю 2.

Соответственно на выходе усилителя приема 4 имеют место (фиг.2) ограниченные, но значительной амплитуды U₀ сигналы импульсного генератора 1 и принятые k-e импульсы, где k - номер принятого импульса при одном излученном.

Одновременно с импульсом излучения по командам блока управления 13 запускается временной селектор k-го импульса, который начинает пропускать на вход аналого-цифрового преобразователя 6 сигналы с выхода усилителя приема 4 через промежуток времени T_min = 2kd/C_max и прекращает пропускать их при наступлении момента времени T_max = 2kd/C_min.

Здесь k - номер выбранного для дальнейшей обработки принятого импульса (на фиг.2 k=2), C_max и C_min - соответственно максимальное и минимальное возможные значения скорости звука в исследуемой среде.

Аналого-цифровой преобразователь 6 оцифровывает все сигналы с выхода усилителя приема 4, пропущенные временным селектором 5 в окне от момента времени T_min до момента времени Т_mах. Полученные дискретные цифровые отсчеты, соответствующие мгновенным значениям пропущенных сигналов, поступают в схему памяти 7, из которой они считываются в блок определения экстремума 9 - значения амплитуды выбранного полупериода k-го принятого импульса цифрового вычислительного устройства 8. Одновременно блок определения временных интервалов 10 ЦВУ 8 вычисляет временное положение _c найденного экстремального значения выбранного k-го принятого импульса относительно момента излучения соответствующего ему импульса.

Полученные значения Т_c из блока определения временных интервалов 10 считываются в блок определения скорости звука 11, в котором производится расчет значений скорости звука в исследуемой среде по формуле C = 2kd/T_c.

Полученные значения скорости звука в цифровом виде через блок выдачи данных 12 поступают внешним потребителям измерительной информации о скорости звука в исследуемой жидкой среде.

После окончания процесса вычисления временного интервала Т_c через некоторый промежуток времени блок определения скорости звука через управляющий выход ЦВУ 8 выдает команду в блок управления 13 на установку всех функциональных цифровых блоков в исходное состояние и на излучение следующего акустического импульса через промежуток времени _и от момента излучения предыдущего.

При определении скорости звука в мощном турбулентном потоке жидкости импульсным измерителем на его приемный акустический преобразователь кроме акустического давления принятых импульсных сигналов воздействует также низкочастотное "псевдозвуковое" давление турбулентных вихрей. В результате суммирования воздействующих на акустический преобразователь 2 давлении на выходе усилителя приема 4 будут иметь место низкочастотные колебания по оси U положения принятых k-x импульсов (на фиг.2 эти колебания без соблюдения масштаба обозначены пунктирной линией).

В предлагаемом измерителе скорости звука в жидкой среде эти колебания принятых сигналов не ухудшают точности измерений по сравнению с измерениями в неподвижной среде, так как в нем определение временного интервала Т_c не связано с фиксированным порогом срабатывания аналоговой схемы. Важно в данный момент относительное превышение амплитуды выбранного полупериода k-го принятого импульса над уровнем посторонних импульсных сигналов, прошедших через окно временного селектора. Причем определение уровней сигналов, нахождение временного положения выбранного полупериода производятся цифровыми схемами с возможно большей точностью.

Инструментальная погрешность предлагаемого импульсного цифрового измерителя скорости звука в основном определяется значением и стабильностью частоты следования импульсов на выходе тактового генератора.

Был разработан и изготовлен экспериментальный образец импульсного измерителя скорости звука в воде по предлагаемому изобретению. Измеритель выполнен в основном на современных больших интегральных цифровых микросхемах, которые позволяют объединить в одном корпусе несколько функциональных элементов структурной схемы. Так были в одной микросхеме объединены функции временного селектора и АЦП. Цифровое вычислительное устройство выполнено на основе однокристальной микроЭВМ. Блок-схема алгоритма его работы представлена на фиг.3. Функции блока выдачи данных выполняет адаптер интерфейса, функции схемы памяти - оперативное запоминающее устройство и т.д.

Лабораторные испытания изготовленного экспериментального образца показали высокую точность измерения скорости звука, стабильность и надежность его работы. При частоте следования импульсов тактового генератора 40 МГц пороговая чувствительность по скорости звука имеет значение 0,02 м/с в диапазоне измерения скорости звука от 1400 м/с до 1600 м/с.

Таким образом, создан высокоточный, стабильный и надежный импульсный цифровой измеритель скорости звука в жидких средах с быстроменяющимися гидрофизическими параметрами.

ЛИТЕРАТУРА 1. Колесников А. Е. Ультразвуковые измерения, М.: Изд-во стандартов. 1970, 238 с.

2. Смирнов А.Д. Импульсная ультразвуковая измерительная аппаратура, М.: Энергия, 1967, 192 с.

3. Авторское свидетельство СССР 640221, МПК 2 G 01 S 11/00, заявл. 19.04.71, опубл. 30.12.78, БИ 48.

Формула изобретения

Измеритель скорости звука в жидких средах, содержащий импульсный генератор, приемоизлучающий акустический преобразователь, приемный усилитель, выход которого соединен с входом временного селектора, и схему памяти, отличающийся тем, что в него введены акустический отражатель, расположенный на фиксированном расстоянии от акустического преобразователя, выводы которого соединены с выходом импульсного генератора и входом приемного усилителя, тактовый генератор, блок управления, аналого-цифровой преобразователь, блок выдачи данных и цифровое вычислительное устройство, содержащее последовательно соединенные блок определения экстремума, блок определения временных интервалов и блок определения скорости звука, причем выход временного селектора подключен через аналого-цифровой преобразователь ко входу схемы памяти, выход которой через цифровое вычислительное устройство соединен с блоком выдачи данных, а тактовый генератор через блок управления соответствующими выходами его подключен к управляющим входам импульсного генератора, временного селектора, аналого-цифрового преобразователя, схемы памяти, а управляющий выход цифрового вычислительного устройства соединен со входом блока управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3