Устройство для дифференциального измерения скорости распространения ультразвука

(19) (11) 1)4 С 01 0 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН Ф. Э ",Ф с фферобъем для уль ся частотомпературных С ность частот ния опредения цифрово- )м частотомера. из первогмером. Длядрейфов начисло интеляется коэго делителяил,егистрируе устранения те измеряемую ра валов подключ Афициентом делреверсивного УДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Институт биологической физики АН СССР(56) Гейвиш и дрПрибор для дифференциального измерения скорости звука при исследовании растворов белков. - Приборы для научных исследований, 1983, 9 12, с. 165.Сарвазян А.П. и др. Ди енциальный интерферометр малого а измерения скорости и поглощения траэвука. Приборы и техника эксперимента, - М., 1981.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА(57) Изобретение относится к области ультразвуковых измерений, Целью изобретения является повышение точности и расширение диапазона измерений эа счет исключения взаимного влиянияэлектронных каналов, сокращения интервала счета .и исключения погрешно сти температурного дреифа, При подключении измерительной камеры спустяинтервал настройки частота генераторасоответствует средней частоте ближайшего по отношенью к предыдущей частоте резонанса. В течение интервалаустановления резонанса запрещаетсясчет генератора и фиксируется кодразности частот за время предыдущегопериода измерения, После окончанияпервого интервала измерительная камера отключается и подключается опорнаякамера. Код числа периодов генераторавторого интервала счета вычитается1272214 5 1 О 15 20 Изобретение относится к области ультразвуковых измерений и может быть использовано в химической промышленности, в научно-исследовательских и заводских лабораториях для анализа свойств и состава растворов по их акустическим параметрам.Цель изобретения - повышение точности и расширение диапазона измерений за счет исключения взаимного влияния электронных каналов, сокращенияинтервала счета и исключения погрешности температурного дрейАа,На чертеже приведена блок-схемаустройства для дифференциального измерения скорости распространения ультразвука,Устройство содержит управляемыйгенератор 1, два канала, состоящихиз последовательно акустически соединенных излучающих преобразователя 2и 3, акустической камеры 4 и 5 и приемного преобразователя 6 и 7, ключ 8и реверсивный частотомер 9, первыйкоммутатор 10, сигнальным входом подключенным к выходу управляемого генератора 1, выходами - к излучающимпреобразователям 2 и 3 каждого канатла, последовательно соединенные второй коммутатор 11, первым и вторымсигнальными входами подключенными квыходам приемных преобразователей 6и 7 каждого канала, первый усилительогранкчитель 12 и цифровой Фазовыйдетектор 13, выходом подключенным куправляющему входу управляемого генератора 1, второй усилитель-ограничитель 14, входом подключенный к выходууправляемого генератора 1, а выхо -дом - к второму входу цифрового фазового детектора 13, последовательносоединенные таймер 15 и счетный триггер 16, выходом подключенный к управляющим входам первого и второго коммутаторов 10 и 11 и реверсивного частотомера 9 и к нормально разомкнутому контакту ключа 8, и схему 17 совпадения, первым и вторым входами подключенную к нормально замкнутому иобщему контактам ключа 8, третьимвходом - к выходу управляемого генератора 1, а выходом - к счетному входу реверсивного частотомера 9.Устройство работает следующим об"разом. Коммутаторы 10 и 11 подключают излучающий 2 и приемный 6 преобразователи измерительной камеры 4 соответьственно к выходу генератора 1 и квходу первого усилителя-ограничителя 12. Синусоидальные колебания с выходагенератора 1 поступают на излучающийпреобразователь 2, который излучаетультразвуковые волны, распространяющиеся в исследуемой среде, заполняющей измерительную камеру 4. Ультразвуковые волны воздействуют на приемный преобразователь 6, на выходекоторого образуются электрические колебания, поступающие через второйкоммутатор 11 на вход первого усилителя-ограничителя 12, с выхода которого после усиления и ограничениядо цифровых уровней они поступают напервый вход циАрового Аазового детектора 13, на второй вход которого поступает входной сигнал первого коммутатора 10, проходящий через второйусилитель-ограничитель 14, которыйпреобразует синусоидальный сигнал вцифровой и обеспечивает фазовую задержку сигнала, равную паразитномувременному сдвигу коммутаторов 10 и 11 и первого усилителя-ограничителя 12. В результате этого разность фаз Чсигналов, поступающих на первый .)и второй входы цифрового Фазового детектора 13, соответствует разности Фаз сигналов между выходом приемного 6 и входом излучающего 2 преобразователей, которая промодулирована эа счет свойств камеры 2, заполненной исследуемым раствором.Фазочастотная характеристика такой камеры представляет собой спадающую в сторону увеличения частоты кривую с резким увеличением крутизны в точках, близких к средней частоте резонанса,Напряжение сигнала Б,1 на выходе цифрового Аазового детектора 13 удовлетворяет соотношению=КЧе, (1)о где 9 - часть разности фаз Ч,, полученная путем исключения изМ целого числа й ,К - коэАфициент преобразованияразности фаз Ч в напряжение.Это напряжение поступает на управляющий вход генератора 1 в качестве сигнала отрицательной обратной связи,который подстройкой частоты генератора 1 стремится обеспечить условие равенства нулю подинтегрального выражения в формуле (1). Это условие выпол"няется в точках Аазочастотной характеристики с М, ", равной нулю иликратной 2, соответствующих среднейчастоте резонансов. Поэтому при подключении измерительной камеры спустя 5интервал настройки, в течение которого заканчивается переходной процессустановления стоячих волн в акустической камере, частотагенератора 1 соответствует средней частоте ближайшего по отношению к предыдущей частоте резонанса. Интервал установлениярезонанса выбирается больше наибольшего времени настройки на резонансвновь подключенной камеры с учетом 15времени установления стоячих волнВ течение интервала установления резонанса запрещается счет частоты генератора 1 и фиксируется код разностичастот, подсчитанный за время прецыдущего периода измерения. В течениеинтервала счета происходит счет частоты генератора 1. После окончания первого интервала измерительная камера 4отключается,и через коммутаторы 10 и 2511 подключается опорная камера 5 сизлучающим 3 и приемным 7 преобразователями. При этом повторяются всеоперации, перечисленные при описаниипервого интервала подключения. Код ЗОчисла периодов генератора 1, подсчитываемый за второй интервал счета,вычитается из кода, накопленного запервый интервал счета. Если за периодизмерения укладывается более двух интервалов подключения, что необходимодля устранения влияния быстрых температурных дрейфов на изменяемую разность частот, то перечисление операции повторяются число раз, определяеОмое коэффициентом деления цифровогоделителя реверсивного частотомера 9. Реверсивный частотомер можно представить в виде блок-схемы, содержащей45 последовательно соединенные цифровой делитель 18, вход которого является управляющим входом реверсивного частотомера 9, линию 19 задержки, укора,.чивающую схему 20, реверсивный счет 50 чик 21, счетный вход которого является счетным входом реверсивного частотомера 9, буферный регистр 22 и схему 23 отображения. Для измерения разности ЬГ резонансных частот ключ 8 переводят в выключенное состояние, в котором с помощью контактов ключа 8 закорачиваются первый и второй входы схемы 17 совпадения, и на ее выход проходит сигнал генератора 1 как при единичном, так и при нулевом уровнях измеряемого .сигнала. При единичном уровне сигнала Линия 19 задержки обеспечивает эадержку сигнала, необходимую для записи информации с выходов реверсивного счетчика 2 1 в буферный регистр 22,Укорачивающая схема 20 преобразуетзадержанный на линии 19 задержки спадсигнала в короткий импульс, обеспечивающий сброс кода в реверсивном счетчике 2 1Она включает, например, дифференцирующую цепь и инвертор,Схема 23 отображения обеспечиваетотображение содержимого буферногорегистра 22,Реверсивный счетчик 21 обеспечива 1 ет суммирование числа периодов, поступающих на счетный вход. с выходасхемы 17 совпадения. Положительныйзнак суммирования соответствует единичному, отрицательный - нулевомууровню сигнала, поступающему на управляющий вход счетчика 21 с выходасчетного триггера 16,Буферный регистр 22 обеспечиваетзапоминание кода реверсивного счетчика 21 по спаду сигнала на время всегопериода измерения,Кроме описанного режима устройствоможет находиться в режиме измеренияабсолютного значения резонансной частоты Г измерительной камеры, которыйвключается ключом 8, замыкающим общийконтакт с нормально разомкнутым контактом, При этом на первый вход схемы17 совпадения поступают сигнал с выхода таймера 15, на второй вход -сигнал с выхода счетного триггера 16.Сигнал с выхода генератора 1 проходитчерез схему 17 совпадения только навремя длительности интервалов счета,совпадающих с единичными уровнями ссигналов с выхода счетного триггера16, К моментам спада сигнала измерения в реверсивном счетчике 2 1 накапливается код, соответствующий частотеизмерительной камеры, который поспаду сигнала переписывается в буферный регистр 22 для отображения значения кода частоты на схеме 23 отображения. Спустя время, определяемое линией 19 задержки, код, накопленный вреверсивном счетчике 21, сбрасываетсясигналом, поступающим единичным коротким импульсом на вход сброса.3подключается измерительная камера 4 и по истечении интервала установления резонанса на протяжении интервала . счета происходит счет частоты в реверсивном счетчике 21. При переключении на .нулевой уровень сигнала подключается опорная камера 5 и по истечение интервала установления резонанса в течение последующего интервала счета происходит, вычитание числа периодов колебаний генератора 1, прошедших через схему 17 совпадения. В результате повторения таких операций число раз, определяемое коэффициентом деления цифрового делителя 18, эа пе риод измерения в реверсивном счетчике 2 1 накапливается код, соответствующий разности резонансных частот измерительной 4 и опорной 5 камер.Скорость ультразвука в исследуемом 20 растворе С определяют из следующего соотношения Си - Ср ьГи - ьГр" (2)Ср Кргде С - скорость распространенияультразвука в растворителе,которая известна;Е - абсолютное значение резонан-Рсной частоты и-го резонанса,измеренное для измерительнойкамеры 4, заполненной растворителем;,ьГ - разность резонансных частотизмерительной камеры, заполненной исследуемым раствором 35и опорной камеры, заполненной,опорной средой, характеризуемой близким температурным коэффициентом скоростиультразвука по сравнению с 40исследуемым раствором;ь Г - разностьрезонансных частотизмерительной камеры, заполненной растворителем и опорной камеры, заполненной45опорной средой.Величины ЬГ и Е достаточно измерить один раз для данной температуры и акустических камер, при этомизмерения приращений скорости ультразвука в исследуемом растворе практически сводятся к измерению величиныьЕ . Использование устройства для дифференциального измерения скорости распространения ультразвука обеспечит автоматическое измерение частот разности резонансных частот между измерительной и опорной камерой, расширение нижней границы диапазона измеряемых разностей частот до нуля, более чем десятикратное повышение точности измерений и сокращение времени измерения. Формула изобретения Устройство для дифференциального измерения скорости распространения ультразвука, содержащее управляемый генератор, два канала, состоящих 1 каждый из последовательно акустически соединенных излучающего преобразователя, акустической камеры и приемного преобразователя, ключ и реверсивный частотомер, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения диапазона измерений, оно снабжено первым коммутатором, сигнальным входом подключенным к выходу управляемого генератора, а выходами - к излучающим преобразователям каждого канала, последовательно соединенными вторым коммутатором, первым и вторым сигнальными входами, подключенными к выходам приемных преобразователей каждого канала, первым усилителем- ограничителем и цифровым фазовым детектором, выходом подключенным к управляющему входу управляемого генератора, вторым усилителем-ограничителем, входом подключенным к выходу управляемого генератора, а выходом - к второму входу цифрового фазового детектора, последовательно соединенными таймером и счетным триггером, выходом подключенным к управляющим входам первого и второго коммутаторов и реверсивного частотомера и к нормально разомкнутому контакту ключа," и схемой совпадения, первым и вторым входами подключенной к норйапьно замкнутому и общему контактам ключа, третьим входом - к выходу управляемого генератора,а выходом - к счетному входу реверсивного частотомера,1272214 Составитель Л. Иванов-ШицТехредЛ.Сердюкова КорректорО,Луговая Редактор Н.Рогулич Заказ 6332/42 Тираж 778 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5