Устройство для измерения скоростираспространения ультразвука

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Соивлистических Республик(22) Заявлено 26,12,78 (21) 2702862/25-10 М КЛ с присоединением заявки Мо С 01 М 29/00/,6 01 Н 5/00 Государственный комитет СССР по делам изобретений н открытийДата опубликования описания 15,04,81(72) Авторы изобретения И.А.Чернобай и А,И,Шатковский аучно-исследовател роблем Белорусск ог осударственного ун тел УСТРОИСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКРАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУК Ик областможет бытьизмеренияуль тразв угаэообрази для измерения ультраоциркуляции епи обратной о Изобретение относитсакустических измерений ииспользовано для точногоск орости распространенияха в жидких, твердых илиных средах.Иэвестны устройств аскорости распространениязвука, ос нованные на ав тимпульсов по замкнутой цсвязи 1 . Однако данные устройства не об" ладают высокой точностью измерений из-за сравнительно высокой частоты следования импульсов и действия в акустически контролируемой среде,многократных реверберационных помех, которые складываются случайным образом с прямым ультразвуковым сигналом и ограничивают за счет этого точность измерений,.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения скорости распространения ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, акустический преобразователь с излучающим и приемным пьезоэлементами широко полосный усилитель, временной селектор,формирователь коротких импульсов,преобразователь временных интервалов,интегрирующий каскад,преобразовательнапряжения в частоту при этом второйвыход генератора зондирующих импульсов связан через задерживающее устройство со вторым входом временного селектора, и частотомер 21.Недостаток данного устройства сост нт в низкой точности измерений.Цель изобретения - повышение точности измерений.Поставленная цель достигается 15 тем, что в устройство введены делитель частоты, два дешифратора блокуправления, причем вход делителя, частоты подключен к выходу преобразов ателя напряжения в частоту, его 20 первый выход подключен к входу генератора зондирующих импульсов, второйвход подключен через первый дешифратор к второму входу формирователя интервальных импульсов, а третий выход - к преобразователю временныхинтервалов через последовательносвязанные второй дешифратор и блокуправления, при этом, частотомерподключен ко второму выходу преоб раэователя напряжения в частоту,На фиг. 1 изображен один иэ воэ.можных вариантов структурной схемыустройства; на фиг. 2 - диаграммыего раб оты.Уст ройств осодержит последовательно соединенные генератор 1 зондирующих импульсов, излучающий пре 5обраэователь 2 и приемный преобразователь 3, между которыми включенаакустически контролируемая среда 4,широкополосный усилитель 5, временной селектор б, Формирователь 7 ко 0ротких импульсов, формирователь 8интервальных импульсов, преобразователь 9 временных интервалов, интегрирующий каскад 10, преобразователь11 напряжения в частоту, при этом 15второй выход генератора 1 зондирующихимпульсов связан через задерживающееус т ройс тв о 12 со в торым входом в ременного селектора б, и частотомер 13.В устройстве применен делитель 14 20частоты, который включен между выходом преобразователя 11 напряжения вчастоту и входом генератора 1 зондирующих импулЬсов, причем делителЬ14 чу.тоты вторым выходом подключенчерез дешифратор 15 к второму входуформиров ателя 8 интервальных импульсов, а третьим выходом - к преобразователю 9 временных интервалов черезпоследовательно связанные второй дешифратор 16 и блок 17 управления, ачастотомер 13 подключен ко второмувыходу преобраэователя 11 напряженияв частотуУст ройств о работает следующимобразом,35Генератор 1 зондирующих импульсов запускается через делитель 14частоты сигналом с выхода преобразователя 11 напряжения в частоту и вырабатывает короткие зондирующие импульсы (фиг. 2 а), которые возбуждают излучающий преобразователь 2. Период возбуждения Тз эБ излучателя 2для разных режимов работы устройства в два-три раза больше времени действия реверберационных помех, чтообеспечивает стабильность и точностьизмерений скорости ультразвука,Акустический сигнал проходит завремя,Траспрчереэ контролируемую среду.4 и преобразуется приемником 3в .электрический сигнал (см. фиг. 2 б),который усиливается до определенногоуровня в широкополосном усилителе 5и подается на вход временного селектора 6. Импульс запуска временного 55селектора б формируется с помощью задерживающего устройства 12 через вре-мя Т после излучения зондирующегоимпульса и подается на второй входвременного селектора, Временный селек-щотор 6 пропускает к формирователю 7коротких импульсов сигнал прямогопрохождения и запрещает пропуск паразитных и реверберационных сигналов.что обеспечивает помехозащищенность устройства в целом, При необходимостивременной селектор б может пропускать краткоотраженные сигналы чтоопределяется величиной задержки вустройств е 12,С формирователя 7 короткие импульсы (см. фиг. 2 в) поступают набыстродействующий формирователь. 8интервальных импульсов, например,триггер, запускаемый импульсами спервого дешифратора 15. Длительностьимпульс а(см. фиг. 2 г) формирователя 8 пропорциональна времени распространения Траср акустического сигнала через среду 4, так как формирователь 8 интервальных импульсов,преобразов атель 9 в ременных интерв алов, интегрирующий каскад 10, преобразователь 11 напряжения в частотуделитель 14 частоты и первый дешифратор 15 представляют собой замкнутуюцепь автоматической подстройки. частоты преобразователя 11 к частоте такойвеличины, период повторения которойстрого пропорционален времени рас -пространения Тра ультразвуковых волнв среде 4. Подстройка частоты преобразователя 11 напряжения в частотуосуществляется в следующей последовательности. Интервальные импульсыс быстродействующего формиров ателя8 подаются на преобразователь 9 временных интервалов в напряжение, который насвоем выходе обеспечиваетвеличину напряжения пр (см. Фиг. 2 д),средний уровень По (см. фиг. 2 е)которого одновременно пропорционалендлительностии частоте Г поступления импульсов с Формирователя 8, т.е.о = К . (1)где К - коэффициент пропорциональности.Уровень напряжения цо формируетсяна выходе интегрирующего каскада 10,как результат усереднения напряжения0 с выхода преобразователя 9. На.пряжение Оо управляет преобразователем 11 напряжения в частоту которыйявляется сравнительно высокочастотным и имеет частоту следования импульсов до,100-200 кГц и более (см.фиг, 2 ж),Импульсы с выхода преобразователя11 напряжения в частоту подаются навыход делителя 14 частоты со сравнительно большим коэффициентом деления (до 10и выше) . Делитель 14 частоты обеспечивает запуск генератора1 зондирующих импульсов низкочастотныМи импульсами с периодами Тз(см. фиг. 2 а), что необходимо для защиты от действия реверберационных помех.Дешифратор 15 управляется комбинацией сигналов с выхода делителя 14 частоты и при определенном состоянии последнего выдает на своем выходе импульс, точно отстоящий по времени от зондирующего импульса на заданное822013 50 Формула изобретения 60 количество и повторения импульсов преобразователя 11 напряжения в частоту (см. фиг. 2 и), Кроме того, положение импульса первого дешифратора 15 строго синхронизировано с импульсами преобразователя 11 напряжения в частоту. Поэтому длительность интерв ального импульса формирователя 8 равна- ТРсспр иповт где Т - период повторения импульса преобразователя11 напряжения в частоту;и - число периодов,на котороеотстоит импульс от дешифратора от зондируемогоимпульса,Средний уровень выходного напря 15 жения По на выходе интегрирующего каскада 10 по выражению (1) с учетом (2) рав енПо = К,Трастар - пТпозт ) Р (3)Таким образом, по цейи корретирующей обратной связи в системе автоматической подстройки частоты устанавливается четкое регулирование, характеризуемое уравнением (3) . При изменении например увеличении, скорос ти ультразвука, уменьшается время его распространения, что вызывает уменьшение длительности интервального импульса, который в свою очередь вызывает уменьшение напряжения Пяр 30 на выходе преобразователя 9 временных интервалов, и соответственно умень. шение напряжения По на выходе интегрирующего каскада 10. Незначительному уменьшению По соответствует значительное увеличение частоты Р преобразователя 11 напряжения в частоту. Увеличение частоты Р зондирующих импульсов, в свою очередь, вызывает по цепи обратной связи увеличение Бо, - За счет достаточно большой постоянной времени интегрирующего каскада 10 в системе автоматической подстройкии ус траняются ав токолебания, а за счет высокой чувствительности преобразователя 11 напряжения в частоту 4 в системе устанавливается четкое равновесие, критерием которого явля- ется По - сопз (4)Так как период Тоэ -- 1/Р, то время распространения ультразвука в среде определяется с учетом (4) из выражения (3)1) = К.Т с,сд Кп сопвй ОбозначаяПК+и = К =сопзс., получаемПо 1 1 Тр =( + и) = К(5)р "рСледовательно, время распространения ультразвуковых волн через акустически контролируемую среду 4 обратно пропорционально частоте Р повторения импульсов преобразователя 11 напряжения в частоту, так как все другие величины, входящие в уравнение (5), являются постоянными, Величина частоты Р регистрируется частотомером 13 в соответствующих единицах скорости распространения ультразвука.Назначением второго дешифратора 16 и блока 17 управления является повышение быстродействия и точности работы преобразователя 9 временных интервалов путеМ периодичеСкого разряда его запоминающей емкости.Второй дешифратор 16 по определенному состоянию делителя 14 частоты выдает импульс, временное положение которого несколько опережает интервальный импульс формирователя 8 (см, фиг.2 ж) . По импульсу второго дешифратора 16 блок 17 управления формирует разрядный импульс (см. фиг, 2 к), который перед приходом интервального импульса разряжает замкнутую емкость преобразователя 9 и подготавливает его к очередному преобразованию временного интервала. В устройстве погрешность за счет преобразователя 9. временных интервалов, представляющая собой основную погрешность устройства, меньше, по сравнению с известным устройством во столько. раз, во сколько раз длительность интервального импульса меньше времени распространения ультразвука в среде, что определяется числом периодов преобразователя 11 напряжения в частоту, на которое отстоит импульс дешифратора 15 от зондирующего импульса. Точность измерений повышается за счет быстродействия и более четкой работы преобразователя временных интервалов, а также за счет того, что, с одной стороны, информация о скорости распространения ультразвука представляется в высокочастотном виде и, с другой стороны, длительная нестабильность работы преобразователя напряжения в частоту не имеет никакого значения, так как устройство автоматически . компенсирует эту нестабильность по цепи обратной связи. Устройство для измерения скорости распространения ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, акустический преобразователь с Излучающим и приемным пьезоэлиентами, широкополосный усилитель, временной селек тор, формирователь коротких импульсов формирователь интервальных импульсов, преобразователь временных.интервалов, интегрирующий каскад, преобразователь напряжения в частоту, при этом второй выход генератора зондирующих импульсов связан череззадерживающее устройство со вторымвходом временного селектора и частотомер, о т л и ч а ю щ е е а ятем,что, с целью повышения точности измерений, в него введены делитель частоты, два дешифратора, блок управления, причем к выходу преобразователя напряжения в частоту подключенвход делителя частоты первый выходкоторого подключен ко входу генератора зондирующих импульсов, второйвыход подключен через первый дешифратор к второму входу формирователяинтервальных импульсов, а третий выход - к преобразователю временныхинтервалов через последовательно связанные второй дешифратор и блок уп"равления, при этом частотомер подключен к второму выходу преобразователянапряжения в частоту,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР10 9 402734, кл. С 01 И 29/00, 1971.2. Авторское свидетельство СССР9 599206, кл. О 01 И 29/00, 1976.актор О.Колеснико рректор М.Шаров к ака одписноеЬ ШЕЕ юв еПП фПатент, Ь. Ужгород, ул. Проектная,Фил 80 2/66 НИИПИ Г по дел 13035, осударс ам изоб Москв а,Сост ав ит ель Техред А.СаТираж 907венного комнтетений и открЖр Раушска а СССРийоб., д. 4