Цифровой измеритель скорости и коэффициента поглощения ультразвука

 

О П И С А Н И Е ...,., ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

»

>.>

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 11.05.73 (21) 1918214/18-10 с присоединением заявки № (23) Приоритет(51) М. Кл.

С 01т1, 29/00

Государственный комнтет

Совета Мнннстров СССР по делам нзобретеннй н аткрытнй

Опубликовано 25.07.75,Бтоллетень № 27 (53) УДК 534.c:. (088. 8) Дата опубликования описания 1 8 О6 75 (72) Авторы изобретения

А. Б. Рибикаускас, A. П. Болейшис и Э. П. Яронис (71) Заявитель

Каунасский политехнический институт (54) L(1! 4(OB0é И3."((:.РИ ГК,((1-. ОКОРО(..1И

И КОЭФФИ((И1.:НТА 1!ОГЛОЩГНИЯ УЛЬ ГРАЗБУКЛ

Изобретение относится к технике исследований физико-химических свойств жидкостей и газов с помощью ультразвуковых волн и может найти применение в научных лабораториях и промышленности. 5

Известны измерители скорости и коэффициента затухания ультразвука, содержащие генератор высокой частоты, измерительную камеру с излучателем и перемещаемым приемником ультразвука, усили- 10 тель радиоимпульсов с типовым детектором, схему дифференцирования, программный счетчик импульсов и датчик импульсов перемещения.

Однако известные устройства имеют ма- 15 лую производительность из-за отсутствия непосредственного отсчета результатов измерений.

Целью изобретения является повышение производительности устройства. 20

Указанная цель достигается за счет того, что устройство снабжено схемой форми» рования радиоимпульсов, цифровым частотомером с предварительным выбором, дополнительным пиковым детектором, блоком 25 автоматической регулировки амп:титуды> уферным усилителем, дифференциальным логарифмическим усилителем, амплитудным дискриминатором с источником опорного напряжения и быстродействующим цифровым вольтметром, измерительный вход которого через дифференциальный логарифмический усилитель соединен с выходом пикового д— тектора, который соединен с амплитудным дискриминатором и управляющим входом блока автоматической регулировки амплитуды, усилитель радиоимпульсов через буферный усилитель, дополнительный пиковый детектор и схему дифференцирования подключен к управляющему входу цифрового частотомера с предварительным выбором, измерительный вход последнего соединен с датчиком импульсов перемещения, который через программный счетчик подключен к запускающему входу цифрового вольтметра, генератор высокой частоты через схему формирования радиоимпульсов соединен с излучателем ультразвука и через блок автоматической регулировки амплитуды с входом дополнительного пикового детектора, источник опорного напряжения соединен со вторым входом дифференциального логариф-. мического усилителя и управляющим входом амплитудного дискриминатора, а выход последнего подключен к управляющему входу программного счетчика.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.

2 — эпюры напряжения в отдельных элементах устройства. l0

Устройство содержит: 1 — генератор высокой частоты, 2 —. схему формирования радиоимпульсов, 3 - измерительную камеру, 4 — излучатель, 5 - перемещаемый приемник ультразвука, 6 — усилитель ра- 15 диоимпульсов, 7 — пиковый детектор, 8— буферный усилитель, 9 — дополнительный пиковый детектор, 10 — схему дифференцирования, 11 — датчик импульсов перемещения приемника, 12 — частотомер с пред- 20 варительным выбором, 13 — дифференциальный логарифмический усилитель, 14— быстродействующий цифровой вольтметр, 1 5 — программный счетчик, 16 — амплитудный дискриминатор, 17 — регулируемый 25 источник опорного напряжения, 18 - блок автоматической регулировки амплитуды.

Устройство работает следующим образом.

Генератор высокой частоты (ВИ) 1 да- 3) ет синусоидальное напряжение, из которого схе.ла 2 формирует короткие радиоимпульсы, возбуждающие излучатель ультразвука 4, Он посылает ультразвуковые волны в исследуемую среду, помещенную в 35 измерительную камеру 3, которые прини;лаются приемником звука 5, преобразуются в электрические импульсы и поступают на вход усилителя 6, с выхода которого для измерения скорости ультразвука, при- 40

ыятый сигнал поступает на вход буферного усилителя 8, а затем на дополнительный пиковый детектор 9, на входе которого суммируется с синусоидальным напря>кением генератора ВЧ 1, подаваемым через 45 блок автоматического регулирования амплитуды 18. При перемещении приемника в исследуемой среде происходит изменение фазы принятых радиоимпульсов, поэтому суммарный сигнал может быть записан в 0 следующем виде (пренебрегая поглощением в среде и полагая равенство амплитуд обоих сигналов):

1.

0 = Up sin ppît+Uppih(?p(t p) 1 (11 з5

После преобразования получаем у c)i (UC 200СОЯ д 81 4 О P ) ) (2) где Ц вЂ” амплитуда сигнала;

М вЂ” угловая частота сигнала;

- перемещение приемника;

С,Д вЂ” скорость и длина волны ультразвука; — фазовый сдвиг, не зависящий от длины акустического пути.

Из выражения (1) следует, что амплитуда суммарного сигнала будет периодически принимать нулевое значение при перемещении пьезоприемника на расстояние, равное длине звуковой волны.

Для выделения перемещенной составляющей суммарный сигнал посредством пикового детектора 9 преобразуется в пульсирующее напряжение и подается в схему дифференцирования 10. Она фиксирует интерференционные экстремумы и выдает короткие импульсы напряжения, соответствующие минимумам пульсации, соответствук щие числу волн ультразвука, которые поступают на управляющий вход цифрового частотомера с предварительным выбором 12 и запускают его. Одновременно с поступлением первого импульса частотомер 12 начинает подсчитывать импульсы перемещения приемника звука 5, формируемые датчиком 1 1. Накопив заданное число экстремальных импульсов, частотомер

12 запирается и на цифровом табло фиксирует численное значение скорости ультразвука, равное числу подсчитанных импульсов перемещения. Частота ультразвука и число волн выбираются на основе выражения

1 E. (3) где -(мкм) - цена импульсов меток перемещения;

И, — их число;

1 (МГу) — частота ультразвука; — число волн.

При выполнении условия

= 10

) где P = 0,1, 2, 3, цифровой индикатор будет показывать значение скорости звука в см/с. (4) где () — текущее значение напряжения на выходе пикового детектора 7, ) — коэффициент пропорциональности, и в момент запуска цифрового вольтметра напряжение

Ц имеет амплитуду U а также учитывая, что lJ = U и, следовательно, 1

45 (5) выражение для амплитудного коэффициента поглощения ультразвука в среде будет иметь вид

Uz (д- " " (еп/ g

"2, 1 l (6) где u u U — амплитуды принятого .

1 2 сигнала на расстояниях 1 и (, со1 ответственно. Из (6) с учетом (5) и тоДля измерения поглощения принятые и усиленные импульсы с выхода усилителя 6 подаются на пиковый детектор 7, преобразуются им в постоянное напряжение и поступают на один вход дифференциального 5 логарифмического усилителя 13, параллельно которому включен амплитудный дискриминатор 16. Когда амплитуда )„на1 пряжения на его входе становится равной опорному напряжению U регулируемого 10

2 источника 17, дискриминатор выдает корот- кий импульс, запускающий программный. счетчик 15. Последний начинает подсчет импульсов перемещения приемника, поступающих с датчика 11. То же опорное напряжение подается на второй вход дифференциального логарифмического усилителя

13, на выходе которого появляется разностное напряжение, пропорциональное логарифму отношения амплитуды принятого сигнала с опорным напряжением. Счетчик

15, сосчитав заданное количество импульсов перемещения, запирается и выдает импульс, запускающий быстродействующий

:цифровой вольтметр 14. Последний замеряет мгновенное значение напряжения на выходе дифференциального усилителя 13, которое равно цифровому значению измеряемого коэффициента поглощения ультра- gp звука в исследуемой среде.

Поскольку напряжение на выходе дифференциального логарифмического усилителя 13 равно го, что L - 5 =fll E, следует (7) где щ — заданное число импульсов перемещения приемника звука.

Очевидно, что выбрав k = 10, где

"1 = О, 1, 2, 3, на индикаторе цифрового вольтметра можно получить абсолютное цифровое значение коэффициента поглоше ния в неп/см.

При измерениях в сильнопоглощающих средах, например в газах, амплитуда принятого сигнала значительно меняется с расстоянием от излучателя. Это затрудняет измерение скорости ультразвука. Для устранения этого явления служит схема автоматической регулировки амплитуды напряжения ВЧ, подаваемого с генератора 1 на вход пикового детектора 9. На управляющий вход схемы подается напряжение обратной связи с выхода детектора 7 таким образом, чтобы амплитуда напряжения ВЧ всегда была бы близка к амплитуде принятого сигнала.

На фиг. 2 изображены эпюры напряжений в отдельных элементах устройства, На фиг.

2 а показано пульсирующее напряжение на выходе дополнительного пикового детектора 9, на фиг. 2 б - импульсы на выходе схемы дифференцирования 10, на фиг. 2 вимпульсы перемещения на выходе датчика

11, на фиг. 2 r - импульсы перемещения, подсчитанные частотомером 12, на фиг.

2 д - напряжение на выходе пикового детектора 7, на фиг. 2 с - импульсы, сформированные программным счетчиком 15, на фиг. 2 ж — напряжение на выходе дифференциального логарифмического усилителя 13.

Предмет изобретения

Цифровой измеритель скорости и коэффициента поглощения ультразвука, содержащий генератор высокой частоты, измерительную камеру с излучателем и перемещаемым приемником ультразвука, усилитель радиоимпульсов с пиковым детектором, схему дифференцирования, программный счетчик импульсов и датчик импуль-. сов перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, он снабжен схемой формирования радиоимпульсов, цифровым частотомером с

4 8242 предварительным выбором, дополнительным пиковым детектором, блоком автоматической регулировки амплитуды, буферным усилителем, дифференциальным логарифмическим усилителем, амплитудным дискриминатором (пороговым устройством) с источником опорного напряжения и быстродействующим цифровым вольтметром, измерительный вход которого через дифференциальный логарифмический усилитель 1О соединен с выходом пикового детектора, который соединен с амплитудным дискриминатором и управляющим входом блока автоматической регулировки амплитуды, усилитель радиоимпульсов через буферный 15 усилитель, дополнительный пиковый детектор и схему дифференцирования подключен к управляющему входу цифрового частотомера с предварительным выбором, измерительный вход последнего соединен с датчиком импульсов перемещения, который через прОграммный счетчик подключен к запускающему входу цифрового вольтметра, генератор высокой частоты через схему формирования радиоимпульсов соединен с излучателем ультразвука и через блок автоматической регулировки амплитуды с входом дополнительного пикового детектора, источник опорного напряжения соединен со вторым входом дифференциального логарифмического усилителя и управляющим входом амплитудного дискриминатора, а выход последнего подключен к управляющему входу программного счетчика.