Измеритель скорости звука в жидкой среде

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для определения скорости звука в жидкостях и воде при исследованиях Мирового океана на движущихся объектах, а также в текущих жидкостях и сыпучих средах. Предложенный измеритель содержит акустический приемопередающий преобразователь, один отражатель, усилитель мощности и предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом усилителя мощности и подключен к преобразователю. Дополнительно введены второй отражатель, генератор, генератор строба, компаратор, микроконтроллер, датчик температуры и дисплей. Причем первый, второй и третий входы генератора соединены соответственно с выходом компаратора, первым выходом микроконтроллера и первым выходом генератора строба, второй выход которого подключен к одноименному входу компаратора, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, первый вход генератора строба соединен одновременно со вторым выходом генератора и одним из входов микроконтроллера, другой его вход подключен к датчику температуры, второй вход генератора строба соединен со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого подключен ко входу дисплея. Первый и второй отражатели выполнены в виде пластин, жестко закрепленных на одном основании с приемопередающим преобразователем и параллельно ему, перпендикулярно плоскости основания и симметрично относительно линии на плоскости основания, параллельной оси диаграммы направленности. При этом площадь отражения второго отражателя превышает по высоте первый отражатель не менее чем в два раза. Технический результат: повышение точности измерения скорости звука в жидкостях за счет введения общего основания, на котором жестко закреплены акустический приемопередающий преобразователь и два отражателя. 2 ил.

 

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для определения скорости звука в жидкостях и воде при исследованиях Мирового океана на движущихся объектах, а также в текущих жидкостях и сыпучих средах.

Известно устройство измерения скорости звука (ИСЗ) [1, с.83-84], основанное на том, что при излучении акустического сигнала в исследуемую жидкую среду между преобразователем и отражателем, находящимся на расстоянии L₁, устанавливают стоячую звуковую волну на частоте f, после чего перемещают отражатель на расстояние l_k и отсчитывают при этом N максимумов или минимумов стоячей волны, а скорость звука определяют по формуле

Недостатком этого устройства является необходимость поиска и установки отражателя в положение, при котором наблюдается максимум или минимум стоячей звуковой волны при каждом измерении, что не дает возможности применить цифровые методы обработки измерений скорости звука и автоматизировать процесс, а также снижает производительность и точность процесса измерения.

Наиболее близким по структуре устройством является ИСЗ, основанный на кольцевом методе измерения частоты следования импульсов F, Гц, определяемой по формуле [2, с.107]

где L - расстояние между излучателем-приемником и отражателем, м;

С - скорость звука в жидкой среде, м/с;

τ_з - временная задержка импульсов в электрических цепях измерителя скорости звука, с.

Недостатком этого устройства-прототипа является наличие дополнительной временной задержки τ_з, которая вносит погрешность в значение скорости звука и приводит к нелинейной зависимости частоты следования импульсов от скорости звука.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения скорости звука в жидкой среде.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в ИСЗ, выбранный в качестве прототипа и содержащий акустический приемопередающий преобразователь, первый отражатель, усилитель мощности и предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом усилителя мощности и подключен к преобразователю, дополнительно введены второй отражатель, генератор, генератор строба, компаратор, микроконтроллер, датчик температуры и дисплей, причем первый, второй и третий входы генератора соединены соответственно с выходом компаратора, первым выходом микроконтроллера и первым выходом генератора строба, второй выход которого подключен к одноименному входу компаратора, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, первый вход генератора строба соединен одновременно со вторым выходом генератора и одним из входов микроконтроллера, другой его вход подключен к датчику температуры, второй вход генератора строба соединен со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого подключен ко входу дисплея.

Первый и второй отражатели выполнены в виде пластин, жестко закрепленных на одном основании с приемопередающим преобразователем и параллельно ему, перпендикулярно плоскости основания и симметрично относительно линии на плоскости основания, параллельной оси диаграммы направленности, при этом площадь отражения второго отражателя превышает по высоте первый отражатель не менее чем в два раза.

На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого измерителя скорости звука, где приняты следующие обозначения:

1 - усилитель мощности;

2 - акустический приемопередающий преобразователь;

3 - первый отражатель;

4 - предварительный усилитель;

5 - второй отражатель;

6 - основание;

7 - генератор;

8 - генератор строба;

9 - компаратор;

10 - микроконтроллер;

11 - датчик температуры среды;

12 - дисплей.

На фиг.2 приведена функциональная схема измерителя скорости звука - прототипа изобретения, где приняты следующие обозначения:

1 - усилитель мощности;

2 - акустический приемопередающий преобразователь;

3 - отражатель;

4 - предварительный усилитель;

5 - ключ;

6 - мультивибратор.

Работа измерителя скорости звука включает три этапа.

На первом этапе при подаче питания с микроконтроллера 10 на генератор 7 поступает команда программного запуска, а на генератор строба 8 - команда, определяющая длину строба, т.е. по какому отражателю будет происходить автоциркуляция. Генератор 7 вырабатывает зондирующий импульс с высокочастотным заполнением и запускает генератор строба 8. Зондирующий импульс поступает на усилитель мощности 1 и далее на преобразователь 2 для излучения в исследуемую среду. Акустический сигнал от преобразователя 2 проходит путь до первого отражателя 3 и, отразившись от него, поступает на преобразователь 2 и на предварительный усилитель 4 для фильтрации и усиления. Усиленный сигнал поступает на компаратор 9, стробированный импульсом с генератора строба 8. Компаратор 9 сравнивает амплитуду сигнала с опорным напряжением и, когда она превысит опорное напряжение, переключается и тем самым запускает формирование зондирующего сигнала в генераторе 7. Далее снова происходит излучение и устанавливается процесс автоциркуляции. Выходной сигнал с генератора строба 8 разрешает прохождение сигнала с компаратора 9 на генератор 7 только после ожидаемого времени прихода сигнала и тем самым не дает помехам и многократно отраженным сигналам нарушить процесс автоциркуляции.

Ожидаемое время прихода сигнала Т_ож, с, определяется по формуле

где L₁₍₂₎ - расстояние от преобразователя 2 до отражателя 3(5) (первого или второго), м;

С_зв.мах - максимальное заданное значение скорости звука в среде, м/с.

После установления процесса автоциркуляции микроконтроллер вычисляет период зондирующих импульсов по частоте автоциркуляции по первому и второму отражателю.

При отражении от первого отражателя (первый этап)

где t_L1 - время распространения акустического сигнала в среде от излучателя до первого отражателя и далее до приемного преобразователя;

τ_з - время задержек во всех электрических цепях и устройствах ИСЗ.

Далее на втором этапе микроконтроллер программирует генератор строба на автоциркуляцию по второму отражателю и подобно описанному выше процессу происходит измерение периода зондирующего импульса при автоциркуляции по второму отражателю Т₂

Т₂=Т_L2+τ_з

где Т_L2 - время распространения акустического сигнала в среде от излучателя до второго отражателя и далее до приемного преобразователя.

На третьем этапе микроконтроллер начинает вычисление скорости звука. Расстояние между первым и вторым отражателем (акустическая база L) измерено и его величина занесена в память микроконтроллера. Разница между периодами зондирующего импульса при автоциркуляции по первому и второму отражателям зависит только от параметров среды, т.е. от скорости звука в ней.

Т=Т₂-Т₁=Т_L2-T_L1

Задержки в электрических цепях кольца автоциркуляции вычитаются и исключаются из расчетной формулы скорости звука С_зв

где L - расстояние от первого отражателя до второго отражателя.

Так как материал базы подвержен линейному расширению вследствие колебания температуры, то на третьем этапе микроконтроллер получает информацию от датчика температуры о температуре исследуемой среды и вычисляет ее. Поэтому с учетом температуры среды формула расчета скорости звука С_зв, м/с, принимает вид

где α - коэффициент линейного раширения материала базы, 1/°С;

t - температура среды, °С;

К - температура, при которой измерялась длина акустической базы, т.е. расстояние между первым и вторым отражателем, °С.

После вычисления скорости звука микроконтроллер выводит ее значение на дисплей.

Усилитель мощности 1 выполнен традиционно [4, с.28, рис.1.22, 1.23].

Акустический преобразователь 2 представляет собой колебательную конструкцию с плоской пьезокерамической пластиной [3, с.104-109].

Первый и второй отражатели 3, 5 выполнены в виде пластин, жестко установленных плоско-параллельно на одном основании 6 с приемопередающим преобразователем 1.

Предварительный усилитель 4 содержит усилитель с полосовым фильтром и выполнен традиционно [4, с.219, рис.7.12].

Генератор 7 содержит генератор импульсов, высокочастотный генератор для заполнения импульсов, выполненные традиционно [4, с.134, рис.4.5, с.147, рис.4.15].

Генератор строба 8 выполнен традиционно [5, с.274, рис.6.83].

Компаратор 9 выполнен традиционно [4, с.159, рис.5.5].

Микроконтроллер 10 представляет собой микросхему типа 80С51 фирмы Intel или аналогичную, являющуюся однокристалльной микроЭВМ с набором различных интерфейсов.

Датчик температуры 11 имеет частотный выход и выполнен на микросхеме ТМР04 фирмы Analog Devices.

Дисплей 12 представляет собой традиционный ЖКИ.

Использование предлагаемого измерителя скорости звука позволяет исключить влияние погрешности в измерении скорости звука, вызванное временной задержкой в электрических цепях ИСЗ. Точность измерения скорости звука зависит только от точности установки и измерения расстояния между первым и вторым отражателями.

Предлагаемый ИСЗ позволяет исключить процесс калибровки изделия и снизить трудоемкость обслуживания во время эксплуатации.

Отсутствие влияния времени задержек в электрических цепях τ_з позволяет выбрать более низкую рабочую частоту ИСЗ, чем в ИСЗ, работающем по кольцевому методу, и тем самым увеличить допустимую длину кабеля между преобразователем и аппаратной частью ИСЗ без потери полезного сигнала.

Предлагаемый ИСЗ можно эксплуатировать на подвижных объектах или измерять скорость звука в текущих жидкостях, так как исключается влияние эффекта Доплера на точность измерения.

Автоматический процесс измерения позволяет дистанционно и программно управлять работой ИСЗ.

Литература

1. Носов В.А. Проектирование ультразвуковой измерительной аппаратуры. Москва, Машиностроение, 1972 г.

2. Ю.Ф.Тарасюк, Г.Н.Серавин. Гидроакустическая телеметрия. Ленинград, Судостроение, 1973 г.

3. Подводные электроакустические преобразователи. Под ред. В.В.Богородского. Справочник. Ленинград, Судостроение, 1983 г.

4. А.Г.Алексеенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб. Применение прецизионных аналоговых микросхем. Москва, Радио и связь, 1985 г.

5. Ю.Н.Ерофеев. Импульсная техника. Москва, Высшая школа, 1984 г.

Измеритель скорости звука в жидкой среде, содержащий акустический приемопередающий преобразователь и первый отражатель, усилитель мощности и предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом усилителя мощности, который подключен к преобразователю, отличающийся тем, что в него введены второй отражатель, генератор, генератор строба, компаратор, микроконтроллер, датчик температуры и дисплей, причем первый, второй и третий входы генератора соединены соответственно с выходом компаратора, первым выходом микроконтроллера и первым выходом генератора строба, второй выход которого подключен к одноименному входу компаратора, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, первый вход генератора строба соединен одновременно со вторым выходом генератора и одним из входов микроконтроллера, другой его вход подключен к датчику температуры, второй вход генератора строба соединен со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого подключен ко входу дисплея, первый и второй отражатели выполнены в виде пластин, жестко закрепленных на одном основании с приемопередающим преобразователем и параллельно ему, перпендикулярно плоскости основания и симметрично относительно линии на плоскости основания, параллельной оси диаграммы направленности, при этом площадь отражения второго отражателя превышает по высоте первый отражатель не менее чем в два раза.