Устройство для измерения акустических параметров веществ

ОП ИСАН ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик(22) Заявлено 24,02,76 21) 2326609/1 0 присоединен заявки-Государственный комет Совета Мнннстроа ССС по делам изобретений н открытий(43) Опублико о 25.03.78. Бюллетень 1 45) Дата опубликования описания 2. 2) Автор изобретени А. Сукацкас Каунасский политехнический институт им, Антанаса Спечк 71) Заяви(54 ТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ Изобретение относится к устройствам, предназначенным для одновременного измерения основных акустических параметров веществ: скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука, основанных на интерференции прямых и отраженных ультразвуковых волн в образцах твердого, жидкого или газообразного веществ, имеющих фиксированную длину. Устройство может быть использовано для исследования веществ в научно-исследовательских и заводских лабораториях или для 10 определения физико-химических параметров ве. шеств или полуфабрикатов в производстве по табулированным значениям скорости и поглощения в соответствующей среде.Известно устройство для измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука в образцах вещества постоянной длины, содержащее диапазонный генератор с. блоком настройки частоты, исследуемый образец твердого вещества с двумя пьезопреобразователями, один из которых подключен к генератору, другой - к входу детектора и усилителя, и индикатор 1. Однако указанное устройство не является прямопоказываюшим измерительным прибором, поскольку скорость и поглощение ультразвука определяются ручной обработкой записи (или изображения на 2 б экране осциллографа ) частотнои зависимости модуля напряжения пьезоприемника.Йаиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, измеряющее и непосредственно показывающее в цифровой форме скорость и поглощение ультра звука в исследуемом веществе 21.Устройство содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо интегрирукнцую цепь, генератор высокочастотного напряжения, камеру постоянной длинь 1 с двумя преобразователями, усилитель, схему определения уровня 0,707 максимального выходного напряжения, мультивибратор и триггер, гетеродин и смеси- тель канала измерения поглощения, а также блок цифровой индикации скорости ультразву Однако в таком устройстве возникает погрешность измерения поглощения, связанная с относительным изменением скорости ультразвука (и частоть акустического резонанса, поскольку длина акуст ческого пути постоянна).Целью изобретения является увеличение точности измерений.Указанная цель достигается тем, что схема определения уровня 0,707 максимального выходного напряжения через мультивибратор, триггер и ключ соединена с интегрирукпцей5 )О 15 20 25 30 М 40 45 50 55 60 цепью, канал измерения поглощения вьполцен в виде счетчика, соединенного с блоком оазы ВРСМЕНИ И ЧЕРЕЗ КЛЮЧ -- С ВЫХОДОМ СхЕСИтЕЛЯ, а генератор высокочастотного напряжения через блок подстройки частоты соелинен с гстеродином, выход которого соединен с входом блока цифровой индикации скорости ультразвука и через ключ - с блоком базы времени ка нала измерения поглощения, при этом все три ключа соединены с мультивибратором.На фиг.изображена структурная схема предложенного устройства; на фиг. 2 - эпюры напряжения и частоты в разных точках устройства.Генераторвысокочастотного напряжения подключен к пьезоизлучателю 2, встроенному в камеру 3 постоянной длины с исследуемым веществом. Пьезоприемник 4 подключен к входу усилителя 5, выход которого подкл)очен к входу схемы 6 определения уровня 0,707 максимального выходного напряжения, а выход ес -- на Вход запуска мультивибратора 7. Выход мультивибратора 7 соединен со счетным входом триггера 8, а его выход -- через ключ 9 и интегрирующую цепь 10, 11с входом электронной настройки генератора 1. На вход управления состоянием кгноча 9 подключен выход мультивибратора 7,Выход генератора 1 так же через блок подстройки частоты 12 соединен с входом электрон ной настройки гетеролина 13. Выход гетероди) на 13 подключен к входу смесителя 14, ко второму входу которого подключен выход генератора 1, блок 15 цифровой индикации скорости ультразвука и вход ключа 16. Елок 15 состоит, например, из счетчика с инликацией и блока, управляющего пересчетом периодов входного напряжения (т. е, напряжения гете- родина 13) в течение заданной базы .времени, и индикации результата. Смеситель 14 через ключ 17 соединен с входом счетчика 18, связанного с блоком 19 базы времени, к которомутак же подсоединен выход ключа 6. Блоки 1419 составляют канал измерения ц)глоп(ения.На фиг. 2 обозначена зависимость частотыгенератора 1 от времени (а), изменение огибающей выходного напряжения усилителя 5 (б), выходные импульсы схемы 6 оцрелеления уровня О, 707 (в), импульсы мультивибратора 7 (г), частота выходного сигнала ключа 17 (д).Устройство работает следующим образом, Генератор 1 вырабатывает высокочастотноенапряжение, возбуждающее пьезоизлучатель 2, Он излучает ультразвуковые волны, распространяющиеся в исслслуемом веществс в камере 3 в направлении цьезоприемцика 4. Ультразвук частично отражается от пьезоприсмника, частично преобразуется им в высокочастотное напряжение, усиливаемое блоком 5. Выходное напряжение поступаег ца Вход схемы оцрелслецця уровня 0,707 максималыОго В 1 х)лцс)го напряжения.Р 61)Оту устройств 1 алло)Но ц,)с,слить с х 10- мента окончания очерелцог) импульса мультивибратора 7. За;(ним фронОм со цсреорсывается триггер 8 и замыкасгся к,)юч 9. Б 1.1 хс)лное напряжение интегрирук)шей цепи О, 1 начинает изменяться в зависимости от состоя-, ния триггера 8, и, так как оцполключено к входу электронной настройки гсцсратора 1, перестраивает частоту генератора 1. Чс)стотгс приближается к частоте акустического резонанса столбика срелы между пьезопрсобразователями 2 и 4 в камере 3, в силх чего увеличивается Вьгхолное апряжение гЬезоцриемника 4 и усилителя 5. В тот момент, когл частота генератораравна частоте акусти еского резонанса, напряжение усилителя 5 максимально и цри дальнейшем изменении частоты начинает уменьц)аться. Процесс прололжастся до тех пор, пока частота генератораИе окажется расстроенной от резонансного значения на полоВцну ИОлОсы пропускани 51 камсры 3 с исследуемым веществом и пьезопрсооразователями 2 и 4, действу)ошей как акустический резонатор, а огибаю)цая выхолцого напряжения усилителя 5 не уеньшится ло ) ровня 0,707 от максимального (резонансного) значения. В этот момент срабатывает схема 6 сиНлелеция уровня 0,707 максимального выхолцого напряжения, состоящая, напрцмер из обь)чно)о и пикового детекто- рОВ противопо.Ожнои О,151 рОсти, цагрмжснных лелителем с соотношением плеч, 1:0,707, и схемы сравнения. Выходной импульс схемы 6 запускает мультивибратор 7, а его выхолцой сигнал размыкает ключ 9. Прекращается изменение выхолцого нацряжецця цепи О,и и а с т О ты сс ц е р а т 0 ) 1 1, а т а к ж с и ц д и р я ж . ц 15 усилгТел 51 5. ПО окоцчаии ихПульса мх,ьтиВибратора 7 опять замыкается ключ 9, а триггер 8 персорасывается В лугое устойчивое СОСТОЯНИС. ГСгцс)Ь ПОВТОр 5 ЕТС 5 ОПИСаиНЫИ ВЫШЕ процес.с с той разцццей, что частота гсцр;тораприближается к резонансном) ее значению с противоположной стороны.В рез,)ь 1 атс частота генератора качается симметрично с)тноситсльно резонИсного зца- ени 5. 31 к)ц измсчц.1 ия 1 стоть ).Пз)к к тра- ПЕЦЕИЛВЛ 15 НОМ) (СХ 1. фпг. )с ). С)10 ЮСая ВЫХОЛ- ного напряжения усилителя 5 имеет вил ряда вершин резонацсчой кривой камсры 3 с вс)цеством (резонансного пика), разлсленных постоянным напряжение 1, ц 1),717 раза меньцим, ЧЕМ МВКСИМВЛЬНОЕ Нацряжг ц)с рЕЗОНаНСНОГО пика (см. фиг. 2 о). На фиг. 2 В изображены импульсы схемы 6, возникаюцгие каждый раз,к)глмодуль выхолного напряжения усилителя 5 уменьшается на 0,707 от максимального своего значения. К 1 жлцй цз этих импульсов запускает мультивибратор. Импульсы мультивибратора изображены ца фиг. 2 г.Напряжение генератора 1 поступает так 5 ке на блок подстройки частоты 12, составленный, например, из схем, осуществляю 1 цих сравненце частот генератораи гетеродина 3 и осу 1 цествляющих подстройку частоты гетеродица 13 так, чтобы она равнялась срелцей частоте генератора, т. е. частоте акустического резо- Панса . Напряжение гетеролица 13 поступает на блок 15 цифровой индикации скорости ультразвука, г,се периоды напряжения подсчитываются в течение базы Времени, выбран: ой с таким расчетом, чтобы количество сосчитанных импульсов равнялось пцфровому:Иа)сник) скоросги улыразвука в исследуемой срслс. ль599204, временно напряжение гетеродина 13 смешивается в смесителе 14 с напряжением генератора 1, а разностное напряжение поступает на вход ключа7. Ключи 16 и7 замыкаются только на длительность импульса мультивибратора 7.5Напряжение гстеродина 13 поступает через замкнутый ключ 16 на вход блока базы времени 9. Он вырабатывает импульс, в течение которого счетчик 18 подсчитывает периоды рдзностной частоты смесителя 4. Этот импульс равен по длительности заданному количеству 10 периодов гетеродина 13. Естественно, к этой длительности прибавляются и промежутки между импульсами мультивибратора 7, в течение которых ключ 16 разомкнут. Но между импульсами мультивибратора 7 разомкнут и ключ 17, т. е. подсчет периодов разностной частоты счетчиком 18 не происходит. Показания счетчика 18 по истечении базы времени, выработанной блоком 19, прямо пропорциональны максимальному значению разноснов частоты смесителя 14.т. е. полосе пропускдния резонирующей камеры 3 с исследуемым веществом, и обратно пропорциональны частоте гетеродина 13, т. е. частоте акустического резонанса. и носят информацию о поглощении ультразвука в исследуемойсреде.25Зависимость частоты сигнала, поступающего на вход счетчика 18, изображена на фиг. 2 г.Таким образом, погрешность измерения скорости устраняется тем, что на вход блока цифровой индикации скорости поступает напряже ние, не имеющее частотной модуляции. Погрешность измерения поглоцения устраняется тем, что девиация частоты непосредственно преобразуется в цифровую форму, минуя промежуточную обработку. Кроме того, из процесса измерения исключаются те участки, в течение которых перестраивается частота ультразвука и которые являются трудноучитываемыми ввиду нелинейности и изменения по времени модуляционной характеристики генератора. На конец, исключается погрешность измерения поглощения, связанная с изменениями скорости улы развука в среде и частоты акустического резонанса, так кдк время пересчета рдзностной частоты обратно пропорционально частоте акустиче.кого резонанса.Формула изобретенияУстройство для измерения акустических параметров веществ, содержащее последовательно соединенные интегрирующую цепь, генератор высокочастотного напряжения, камеру постоянной длины с двумя пьезопреобразователями, усилитель, схему определения уровня 0,707 максимального выходного напряжения, мульти- вибратор и триггер, гетеродин и смеситель канала измерения поглощения, а также блок цифровой индикации скорости ультразвука, отличаюшееся тем, что, с целью повышения точности измерений, схема определения уровня 0,707 максимального выходного напряжения через мультивибрдтор, триггер и ключ соединена с интегрирующей цепгио, канал измерения поглощения выполнен в виде счетчика, соединенного с блоком базы времени и через ключ с выходом смесителя, а генератор высокочастотного напряжения через блок подстройки частоты соединен с гетеродином, выход которого соединен с входом блока цифровой индикации скорости ультразвука и через ключ - с блоком базы времени канала измерения поглощения, при этом все три ключа соединены с мультивибратором.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Вое Р 1. апс 1,1.Ре Кего, 5 огпе Сои 1- пцоэ ване есйп 1 дцеэ ог Фе гпеавцгегпеп 1 о чеос 11 у апс аИеппа 1 оп о и 1 газопс ъ аез веЪееп 1 апс 1 1000 МС, 1963, х. О, Л 1, р. 9-26.2. Кундротас К., Сукацкас В., Яронис Э Цифровой ультразвуковой интерферометр постоянной длины. Трулы ВУЗов Лит. ССР, Ультразвук, 1973.599204 г иг Е. Артамоноваговая Корректор А. ГрипенПодписное комитета Совета бретений и откр 35, Раугиская н г. Ужгород, ул