Устройство для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука

О П И С А Н И Е (и 655960ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВХОввСКОМу СВИдВТИЛЬСТВу Союз Соввтских Социалистицеских Республик29 заявкиосударстввиный квинт СССР ав делам изобретен и открытий3) Приоритет Опубликов ио 05,04,79.Бюллетень13 (53) УДК 534.232(71) Заявител ститут биологической физики АН ССС(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФфИЦИЕН ПОГЛОШЕНИЯ И СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКАИзобретение относится к области ультразвуковых измерений и может быть использовано в химической промыщленности; в научно-исследовательских и заводских лабораториях для анализа свойств и состава растворов по его акустическим параметрам, а также для непрерывной регистрации этих параметров.Известны устройства для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука, содержащие интерферометрическую измерительную камеру постоянной длины с приемным и излучающим пьезопреобраэователями, диапазощый генератор, усилитель, детектор и измерительный блок 11.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука, содержащее измерительную камеру с изттучающим и приемным пьезопреобразователями, диапаэонныйгенератор, подключенный ко входу излучающего пьезопреобразователя, частотомер и блок измерения девиации частоты, подключенныек выходу генератора, последовательно,подключенные к приемному пьезопреобразователю усилитель, линейный детектор,измерительный блок и блок настройкичастоты 2. Недостатком устройства является малая чувствительность к изменениям ско рости ультразвука и отсутствие достаточного временного разрещения при регистрации:быстропротекающих процессов. Чувствительность ограничена тем, что широкий диапазон качания частоты по резонансному пику обуславливает погрешность измерения как усредненной во времени частотът, так и ее - девиации, Низкое временное разрещение обусловлено необходимостью накапливать больщое число периодов качания частоты для достаточного усреднения.Целью изобретения является повышение чувствительности устройства и увеличение временного разрешения при регистрации быстропротекающих процессов.Поставленная пель достигается засчет туго, что в устройство для измерения коэффициента поглощения и .скорости ультразвука, содержащее измерительную камеру с излучающим и приемным пьеэопреобразователями, диапазонный генератор, подключенный ко входуизлучающего пьезопреобразователя,частотомер, подключенный к выходудиапазонного генератора, и подключенные последовательно к выходу приемногопьезопреобразователя усилитель и линейный детектор, введены низкочастотныйгенератор, операционный усилитель, пиковый детектор, блок установки опорного напряжения, два ключа и осциллографический индикатор, причем входы операционного усилителя подключены черезпервый ключ к выходам линейного детектора и блока установки опорного напряжения,вход диапазонного генератора через второй ключ подключен к выходам операционного усилителя и .низкочастотного генера 2 фтора, вход блока установки опорного напра.жения через пиковый детектор подключенк выходу усилителя, а вход оспиллографичеекого индикатора - к выходу пиней 36ного детектора.На чертеже изображена блок-схемапредлагаемого устройства для измерениякоэффициента поглощении и скорости распространения,ультразвука.Устройство содержит диапазоннай ге 35нератор 1 с управляемой частотой, измерительную интерферометрическую камеру 2 постоянной длины с пьезоизлучателем 3 и пьезоприемником 4, усилитель465, линейный детектор 6, пиковый детектор 7, блок 8 установки опорного напряжения, операционный усилитель 9, генератор 10 низкой частоты, осциллограф11, частотомер 12, первый 13, и второй 14 ключи. Блок установки опорно го напряжения включает делитель 15,нуль-индикатор 16, ключ 17, которыйможет быть кинематически связан с ключом 14, и резистор 18.50Устройство работает следующим об. рюомРучкой диапаэонного генератора 1. частоту подводят к значению, близкомук максимуму одного из резонансных пиков.В режиме настройки системы ключ14 устанавливают в положение, при котором генератор 10 соединен с управляюшим входом диапазонного генератора 1 и замкнута цепь нуль-индикатора 16 в блоке 8. При этом генератор 1 вырабатывает частотно-модулированное напряжение, возбуждающее пьезоизлучатель 3, который излучает ультразвуковые волны, распространяющиеся в исследуемой среде, находящейся в интерферометрической ка мере 2. Ультразвуковые волны преобразуются пьезоприемником 4 в электрические колебания. Электрические колебания на выходе пьезоприемника являются амплитудно-модулированными в соответствии с амплитудно-частотной характеристикой интерферометрической камеры 2. Эти копебания, усиленные усилителем 5, детектируются на пиковом детекторе 7, а полученное напряжение, соответствующее пиковому значению, подается на делитель устройства установки опорного напряжения, где оно делится в отношении (В + Кд ): К= 1: 0,707. Напряжение средней точки потенциометра цри помощи нудь-индикатора 16 устанавливаеч ся равным напряжению средней точки делителяеВ результате на один из входов операционного усилителя подается напряжеь ние, равное 0,707 от О,с,резонансного пика. Затем систему переводят в режим измерения.В режиме измерения цепь нуль-индикатора 16 разомкнута и управляющий вход генератора 1 соединен с выходом операционного усилителя 9. Сигнал с выхода усилителя 5, детектированный на линейном детекторе 6,: через ключ 13 подается на один из входов усилителя 9, на противофазный вход которого подано опорное напряжение с блока 8. Усилитель 9 является элементом цепи обратной связи и служит для сравнения напряжения с выхода линейного детектора 6 с опорным напряжением и для усиления полученного сигнала ошибки (разности двух напряжений). Сигнал ошибки с выхода операционного усилителя подается через ключ 14 на управляющий вход диапазонного генератора 1. Ключ 13 служит для перемены знака сигнала ошибки. При достаточном коэффициенте усиления операционного усилителя 9 автоматически устанавливается такая частота диапазонного генератора, что выполняется условие равенства напряжений на входах операционного усилителя, причем частота устанавливается на том склоне резонансного пика, который соответствует отрицательности обратнойсвязи. Частота, измеренная частотомером12, соответствует, таким образом, уровню0,707 одного нз склонов резонансного пика. Затем ключом 13 изменяют знаксигнала ошибки на противоположный и 5снова измеряют частоту (при этом частота соответствует уровню 0,707 противоположного склона резонансного пика,Разность полученных значений частож дает полуширину резонансного пика, ооднозначно связанную с энергопотерямив интерферометрической камере. Полусумма значений частот дает частоту максимума резонансного пика и определяетсяскоростью распространения ультразвукав исследуемой среде,При исследовании быстрых измененийскорости ультразвука при неизменномпоглощении в исследуемой среде возможны два режима измерения.Если характерное время исследуемогопроцесса много больше характерного времени цепи обратной связи, то системуфиксируют на одном склоне резонансногопика и непрерывно регистрируют показания цифрового частотомера. Временноеразрешение в этом режиме ограниченовозможностями пифрового частотомера.Если характерное время исследуемогопроцесса много меньше характерноговремени цепи обратной связи, то частота,зафиксированная на одном из склонов,не успевает измениться за время измерения. При этом меняется напряжение навыходе детектора 6 в соответствии с изменением амплитудно-частотной характеристики интерферометрической камеры,вызванным измеиением скорости в исследуемой среде. Регистрапию ведут осциллографом 11. Временное разрешениеограничено в этом случае постояннойвремени установления интерференционнойкартины в камере. Этом предел определяется величиной энергопотерь в камере.Цепь обратной связи играет роль стабилизатора частоты. Изменяя постояннуювремени цепи обратной связи можно перекрыть весь возможный диапазон характерных времен исследуемых процессов.Высокая чувствительность предлагаемого устройства при измерении скоростираспространения и поглощения ультразвука обеспечивается жесткой обратнойсвязью, в качестве опорного элемента которой выступает интерферометричесхая камера с крутой амплитудно-часготной характеристикой на склоне резонансного пика.Наличие обратной связи, кроме того, рюко понижает требования к частотной стабильности диапазонного генератора.Предлагаемое устройство позволяет исследовать кинетику процессов во всем принципиально доступном для интерферометра диапазоне характерных времен.формула иэобретвнияУстройство для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука, содержащее измерительную камеру с излучающим и приемным пьезо преобразователями, диапазонный генератор, подключенный ко входу излучающего пьеэопреобраэователя, частотомер, подключешый к выходу диапазонного генератора, и подключенные последовательно к. выходу приемного пьеэопребразователя усилитель и линейый детектор," о тл и ч.а ю ш е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и увеличе . ния.временного разрешения при регистрации быстропротекающих процессов, в него введены низкочастотный"генератор, операционный усилитель, пиковый детектор, блок установки опорного напряжения, два ключа и осциллографический индикатор, причем входы операционного усилителя подключены через первый ключ к выходам линейного детектора и блока установки опорного напряжении, вход диапазонного генератора через второй ключ, подключен к выходам операционного усилителя и низкочастотного генератора, вход блока установки опорного напряжения через пиковый детектор подключен к выходу усилителя, а вход осциллографического индикатора - к выходу линейного детек ТораИсточники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР % 372495, кл, Я 01 й 29/00, 1971.2. Кундротас К. и др. Цифровой ультразвуковой интерферометр постоянной длины. Минтяс, Ультразвук, 1973, Мз 5, с. 141.филиал Составитель Е, Литвиновдактор О. Филиппова Техред К. Гаврон Корректораэ 1507/34 Тираж 1089ЦНИИПИ Государственного комитета СССпо делам юобретений и открытий113035, Москва, Ж 35, Раушская нащйщйщЮщщЗФФщвщМефющщщЖМППП фПатент", г. Ужгород, ул. Проек ВеселовскаяПодписное