Способ определения скорости ультразвука и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социапистических Респубпик(11) 599205 1) Дополнительное к авт. саид-ву2) Заявлено 22.03.76 (21) 2335824/10присоединением заявки % Кл 01 Н 29/0001 н 5/1 т 0 вввдврвтввввяб кввввтвВвввта Мввввтрав СОВРав авааве взвбрвтввайв втврмтвй 3) Прио УДК 534. 614(43) Опубликовано 25.03,78.6 толлетень Уй 1 45) Дата опублт вания описания 0703,7 72) Авторы изобретения И. Куш(71) Заявите Ленинградский институт авиационного приборостроения СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯИзобРетение относится к ультразвуковой измерительной технике и может найти применение при .непрерывном контроле состана и свойств веществ, например при автоматизации технологических процессов в химической и медицинской промышленности.Известны способы и устройства для определения скорости ультразнука, заключающиеся в возбуждении в исследуемой среде ультразвукового сигнала, приеме его на Фиксированном расстоянии и измерении сдвигов Фаз принятого сигнала 11 . Эти способы и устройстна наряду с нестабильной картиной акустического поля имеют неудобный выход выходной информации. Эти недостатки устранены в способах и устройствах, работающих на стабилизации длины волны колебаний путем изменения их частоты 12), При этом стабилизация картины акустического поля в измерительном акустическом преобразователе достигается при возникновении автоколебаний в замкнутой цепи за счет изменения параметров линии задержки в цепи обратной связи измерительного акустического преобразователя. Недостатком этого способа являетсясравнительно низкочастотный диапазонрежима автоколебаний, что снижает точность измерений.Наиболее близким по технической.сущности к предлагаемоМУ является способ определения скорости ультразвука,основанный на возбуждении в исследуемой среде амплитудно-модулированного 0 сигнала, приеме его на фиксированномрасстоянии и измерении сдвигов Фаэпринятого сигнала по модулирующей инесущей частотам, при этом по сдвигуФазы модудирующей частоты определяют 8 часть времени распространения, равнуюцелому числу периодов колебаний несущей частоты, а по сдвигу фа."ы несущейчастоты - часть времени, меньшую од-.ного периода колебаний несущей часто ты, и по сумме этих времен судят ополном времени распространения ультразвукового сигнала в среде. При постоянной акустической базе это время однозначно определяет скорость ультразву 5 ка в исследуемой среде 31 .Устройство, реализующее указанныйспособ, содержит генераторы ультразвуковой и модулирующей частот, модулятор, измерительный акустический преоГ раэователь, первый усилитель, контуризмерения Фазы по несущей частоте, состоящий из последовательно соединенных первого фазового детектора, второго усилителя первого исполнительного двигателя и первого фоэовращателя, при 5 этом вход первого фазового детектора соединен с выходом первого усилителя, вход первого фазовращателя - с выходом модулятора, а выход первого Фазовращателя - со вторым входом первого . 10 фазового детектора"контур измерения Фазы по модулирующей частоте, состоящий из последовательно соединенных второго амплитудного детектора, второго фазового детектора, третьего усилителя, второго исполнительного двигателя и второго фазовращателя, при этом вход второго фазовращателя соединен с выходом модулятора через первый амплитудный детектор, вход второго амплитудного детектора подключен к выходу первого усилителя, а выход второго Фаэовращателя соединен со вторым входом второго фазового детектора 41.Недостатком известного способа и устройства является вносимая вследствие изменения реверберационной картины нестабильность акустическОго поля н измерительном акустическом преобразователе, приводящая к значительным 30 погрешностям и снижению точности измерений.Цель изобретения - повышение точности измерений.Для этого по предлагаемому способу несущую и модулирующую частоты амплитудно-модулированного сигнала одновре" менно пропорционально изменяют до нулевой разности Фаэ по модулирующей частоте, Фиксируют Фазовый сдвиг по несущей частоте, после чего изменяют40 полученное значение несущей частоты до нулевой разности фаз по несущей частоте и по полученному значению несущей. частоты судят о скорости ультразвука.45для реализации предлагаемого способа в устройство для определения скорости ультразвука, содержащее последователь но соединенные генератор ультразвуковой частоты, модулятор, измери тельный акустический преобразователь, усилитель и первый фазовый детектор, а также подключенный к выходу модуля тора первый амплитудный детектор и подключенные к выходу усилителя после довательно соединенные второй амплитудный детектор и второй Фазовый детектор, внедены блок перестройки частоты, подключенный к входу генератора ультразвуковой частоты, частотомер и цлитель ф частоты, нходы которых подключены к выходу генератора ультразвуковой частоты, а выход делителя частоты подключен .ко второму входу модулятора, и коммутатор, входы которого подключены к выходам первого и второго Фазовых детекторов, а выход - к входу блока перестройки частоты, при этом выход модулятора подключен ко второму входу перного Фазового детектора, а выход первого амплитудного детектора подключенко второму входу второго фазового детектора.Сущность предлагаемого технического решения заключается в установке визмерительном акустическом преобразователе стабильной карты акустическогополя с постоянной длиной ультразвуковой волны путем изменения частоты генерируемых ультразвуковых частот,Установка постоянной длины волныосуществляется н два этапа, Первыйэтап - изменение несущей и модулирующей частот до установки наперед заданной длины волны модулирующего сигнала. При этом несущая частота принимает значение, при котором фазовыйдетектор по несущей частоте ныходитна требуемый участок характеристики.Второй этап - изменение несущейчастоты до устанонки наперед заданнойдлины волны несущей частоты. При выполнении условия постоянства и однозначности длины волны по несущей частоте скорость ультразвука будет прямо пропорциональна частоте ультразвуковых Колебаний,Диапазон изменения частоты генератора ультразвуковых колебаний в замкнутом контуре определяется, исходя изусловий однозначности работы Фазовогодетектора, по ФормулеЕмакс ф максмин миий(1)где и- максимальная и минимальная частоты при условии однозначной работыФазового детектора вдиапазоне Фазовыхсдвигов от Ч,а, доПрежде всего задаются величиной Фазового сдвига по модулирующей частоте Чм , при котором сигнал на выходе фазового детектора по модулирующей частоте равен нулю. При фиксированной базе измерительного акустического преобразователя ,величина фазового сдвига Ф оццозначно связана. со значением длины волны модулирующего сиг" нала Лм"- 2 Жм (2)При известном значении лм по полученному в ходе работы контура эначени. частоты модуляции )м можно приблизительно судить о скорости ультразвукаСпрнбл.Сюрибл, и 4 мСЗ)Пределы допустимых значений Фазового с вд ига Тмас и м , при кото 5992055 О 15 20 25 65 рых н контуре помодулирующей частоте однозначно устанавливается значение фазового сдвига 1 м, определяются по характеристике фазового детектора модулирующей частоты. По формуле (1), задаваясь одной из частот1 н макс или н Рассчитывают дРУгУючастоту. По этим частотам определяютдиапазон измеряемых скоростей ультразвукам.кс мм ма.кс мин н 1 и нви, ЯИС =ЛПоскольку в предлагаемом способечастоты и фаэоные сдвиги связаны отношениемЧ нес - Кнес = К,Ч,где 1 ес - значение несущей частоты;тнес - величина фазового сдвигапо несущей частоте;- коэффициент пропорциональности или коэффициент деления делителя частоты,то задаваясь К, можно по значению Фазового сдвига по модулирующей частотеФ,н определить значение фазовогосдвига по несущей частоте ес, которое неооходимо поддерживать спомощьюконтура по несущей частоте.Пределы допустимых значений Фазового сдвига по несущей частоте неси Чнвс нн:в котоРых должен работатьконтур, определяются по характеристике Фазового детектора несущей частоты.Целью работы контура по модулирующей частоте является получение значений модулирующей и несущей частот,при которых фазовый детектор по несущей частоте выйдет в диапазон Фазовыхсдвигов от Чудес до нес иннРабота контура по несущей частотесводится к установке тОчного значениявеличины фазового сдвига по несущейчастоте 1 ес, При этом на выходе Фаэового детектора несущей частоты установится нулевой сигнал Длина волныультразвуковых колебаний по несущейчастоте определяется как 30 35 40 45 50 55 60 нес КПри известном значении 3 ес по полученному в ходе работы конечному значению несущей частоты еможнонееточно определить скорость ультразвука в исследуемой среде. точм нес 1 несПри изменениИ скоростИ ультразвУ- ка С в среде, поддерживая стабильным фазовый сдвиг по несущей частоте, т.е. значение Хнес, по значению изменяющейся несущей частоты ес можно судить о скорости ультразвука С.На чертеже представлено устройство, реализующее предлагаемый способ.+Устройство состоит из последовательно соединенных генератора ультразвуковой частоты 1, модулятора 2, измерительного акустического преобразователя 3, усилителя 4 и первого Фазового детектора 5, первого амплитудного детектора 6, подключенного к выходу модулятора 2, подключенных к выходу усилителя.4 последовательно соединенных второго амплитудного детектора 7 и второго Фазового детектора 8, коммутатора 9, входы которого подидючены к выходам первого 5 и второго 8 фазовых детекторов, блока перестройки частоты 10, подключенного между выходом коммутатора 9 и генератором 1, делителя частоты 11 и частотомера 12, входы которых подключены к выходу генератора 1, а выход делителя подключен ко второму входу модулятора 2, при этом выход модулятора 2 подключен ко второму входу первого фазового детектора 5, а выход первого амплитудного детектора 6 подключен ко второму входу второго Фазового детектора 8.Устройство работает следующим образом. С помощью генератора ультразвуковых колебаний 1, делителя частоты 11 и модулятора 2 Формируют амплитудно- модулиронанный сигнал, который поступает на измерительный акустический преобразователь 3 и затем на усилитель 4. Сигнал модулирующей частоты выделяется на амплитудных детекторах 6 и 7 .и поступает на второй Фазовый детектор 8. Пусть при включении устройства на выходе второго фазового детектора 8 будет постоянный сигнал. Коммутатор 9 подключает выход второго фазового детектора к входу блока перестройки частоты 10, который, н частности, может врыть интегральным или пропорционально-интегральным звеном. При этом начинает работать контур калибровки по модулирующей частоте. Блок перестройки частоты 10 управляет частотой генератора и, следовательно, частотой модулирующего сигнала, получаемого на выходе делителя частоты 11. При .постижении нуля на выходе второго фаъового детектора 8 коммутатор 9 отключает его и подключает к вхбду блока перестройки частоты 10 выход первого фазового детектора 5. Блок перестройки частоты изменяет частоту генератора 1 до получения нуля на ныходе первого фазового детектора 5При этом значение несущей частоты, измеренное частотомером 12, будет пропорционально значению скорости ультразвука в веществе. Величина сигнала на выходе фазового детектора 8 изменяется незначительно.Дальнейшие изменения скорости ультразвука и вещестне устройство будет отслеживать, изменяя пропорционально599205 несущую и модулирующую частоты, причем будет работать контур по несущей частоте. Если вследствие резких внешних возмущений первый Фазовый детектор 5 переходит на другой рабочий участок своей характеристики, то появляется сигнал яа выходе второго Фазового детектора 8. Коммутатор 9 отключает цепь первого фазового детектора и подсоединяет к выходу блока перестройки частоты 10 выход второго Фазового детектора 8 и повторяется режим калибровки,Возможно также использование двух самостоятельных контуров по модулирующей и несущей частотам с раздельными перестраиваемыми генераторами. В этом случае добавляется контур сведения частот, осуществляющий пропорциональное изменение несущей и модулирующей частот. Но, в сущности, такая схема является модификацией делителя частоты 11. Формула изобретения Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе.:1. Авторское свидетельство СССР 40 Ф 373610, кл. б 01 К 29/ОО, 1973.2. Авторское свидетельство СССРМ 437008, кл. В 01 К 29/ОО, 1974.3. Авторское свидетельство СССР9 340958, кл. Ь 01 К 29/00, 1972.4, Сборник фНовая аппаратура иметодика ее применения в народном хозяйствеф, Красноярск, 19 бб, Германов С.К., Шитников Ш.Й., Приборы серии УФИ,с. 54,Патент,ул,Проектная,4 Филиал ППг,ужгород Предлагаемый способ позволяет устранить погрешность за счет нестабильности реверберационной картины в измерительном акустическом преобразователе и, следовательно повысить точность измерения скорости ультразвука,Диапазон измеряемых скоростей в предлагаемом способе не имеет принципйальных ограничений. 1. Способ определения скорости ультразвука, основанный на возбужде- . нии в исследуемои среде амплитудно- модулированного сигнала, приеме его на фиксированном расстоянии и измерении сдвигов Фаэ принятого сигнала по модулирующей и несущей частотам, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью ювышения точности измерений, несущую и модулирующую частоты амплитудно-моддулированного сигнала одновременно пропорционально изменяют до нулевой разности Фаэ по модулирующей частоте, фиксируют Фазовый сдвиг по несущей частоте, после .чего изменяют полученное значение несущей частоты до нуле вой разности Фаз по несущей частотеи по полученному значению несущей частоте судят о скорости ультразвука.2. Устройство для осуществленияспособа по п.1, содержащее последовательно соединенные генератор ультразвуковой частоты, модулятор, измерительный акустический преобразователь усилитель и первый фазовый детектор а также подключенный к выходу модулятора первый амплитудный детектор и подключенные к выходу усилителя после.довательно соединенные второй амплитудный детектор и второй фазовый детектор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в устройство введены блок перестройки частоты, подключенный к вхо" ду генератора ультРазвуковой частоты, частотомер и делитель частоты, входы которых подключены к выходу генератора ультразвуковой частоты, а выход 25 делителя частоты подключен ко второмувходу модулятора, и коммутатор, входы которого подключены к выходам первого и второго Фазовых детекторов, а выход в , к входу блока перестройки 30 частоты, при этом выход модулятораподключен ко второму входу первого фазового детектора, а выход первого амплитудного детектора подключен ко второму входу второго фазового детек тора. ИИПИ Заказ 1400/35раж 1112 Подписное