Ультразвуковой интерферометр постоянной длины

(72 Автор изобретения В. А. Сукацкас 71) Заявитель Каунасский политехнический инсиут им. Аитанаса Снечкуса(54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ПОСТОЯННОЙ ДЛИНЫ Изобретение относится к техническойакустике и может найти применение при разработке устройств, предназначенных для цифрового измерения скорости распространения ультразвуковых волн в газо 5 вых, жидких и твердых средах.Известно интерферометрическое устройство для измерения скорости распространения ультразвука, содержащее диапазонный генератор, подключенный к излучающемупьезопреобразователю, исследуемый образец постоянной длины, другой аналогичный пьезопреобразователь-приемник, подключенный к входу индикатора, и частотомер, подсоединенный к генератору Щ С помощью устройства определяют частоты ряда акустических резонансов столбика исследуемого вещества и по ним рас считывают скорость ультразвука в исследуемом веществе, 20Однако этому устройству присуща погрешность, связанная с частотной зависимостью фазы волны при отражении ультразвука от преобразователей. Длина столбика среды постоянная, поэтому при различной скорости ультразвука в среде час- тота его должна быть разной (для сохранения заданного количества полуволн в столбике среды). Вышеуказанная частотная зависимость фазы приводит к появлению погрешности измерения, зависящей от скорости ультразвука в среде и ее удельного акустического сопротивления, Устранение погрешности возможно только расчетным путем, при этом должно быть известным или определяться отдельно удельное акустическое сопротивление среды. Кроме того это устройство крайне мало автоматизировано,Наиболее близким по технической сущности к изобретению является ультразвуковой интерферометр постоянной длиные, содсржащнй соединенные в замкнутую электроакустическую цепь диапазонный генератор, камеру с двумя поеобразователямн, усилитель-формирователь и блок управления, а также частотомер, подключенный к выходу диапазонного генератора, игенератор-делитель меток времени, подключенный к блоку управления, Указанным устройством получают непосредственно цифровое значение скорости ультразвуку согласно известной зависимости С=,У где- частота,- расстояние между 3 пьезопреобразователями В - количество полуролн ультразвука в исследуемой среде на расстоянии, О - поправка, зависящая от частотной зависимости фазы волны ультразвука при отражении от пре обраэователей.Время пересчета частотомера Д 1 выбирается изменением периода меток времени, вырабатываемых генератором-делителем, исходя иэ условия;15Т= и фу (1)Игде Ф" коэффициент деления младших26декад частотомера, не используемых дляотсчета. Поправка д неизвестна иопускается, что приводит к возникчовению фазовой погрешности измерения, Для уменьшения еевыбирают диапазон частот вблизи реэонан-Исной частоты преобразователей (при исследовании твердых тел) или половины ее(при исследовании жидкостей). На указан 36ных частотах поправка равна нулю ( вобычном для практики случае, когда сзадипреобразователей имеется воздух),прирасстройке от них в ту или иную сторонупоправка меняет знак. Однако значительное уменьшение погрешности возможнотолько расчетом при известном акустиче- фском сопротивлении исследуемой среды.Целью изобретения является устранениефаэовой погрешности изменения скоростиультразвука,Укаэанная цель достигается тем, чтов устройство введены частотный демодулятор, интегратор, исполнительный блок,триггер, целитель с выходами в позиционном коде и переключателем, индикатор,и 43основной и дополнительныи высокочасто 1ные ключи, основной и дополнительныйключи меток и двухпозиционный переключатель, при атом основной высокочастотныйключ включен между выходом диапазонно 36го генератора и входом частотомера, который также соединен с последовательнойцепью, состоящей иэ дополнительного высокочастотного ключа, частотного демодулятора, интегратора и цвухпозиционногоИпереключателя, связывающего выход ин тегратора в одном положении с инцикаУтором, а в другом - с дополнительным 4блоком, выход генератора-делителя меток времени через основной ключ меток и делитель с выходами в позиционном коде соединен с низкочастотным входом частотомера и связан с дополнительным высокочастотным ключом, выход позиционного кода делителя подсоединен к исполнительному блоку через переключатель, подвижной контакт которого подключен к одному входу триггера, а к другому входу его через дополнительный ключ меток подсоединен выход генератора-делителя меток, выход триггера связан с обоими основными ключами и блоком управлени., который также связан с дополнительным , ключом меток и с генератором-делителем меток.На фиг, 1 изображена структурная схема интерферометра; на фиг, 2 - апюры частоты и напряжения в ряде точек схемы;Диапазонный генератор 1 подключен к пьезоиэпучателю 2 (кварцевой или керамической пластинке), вмонтированному в камеру 3 постоянной цлины, заполненную исспецуемым веществом. Пьезоприемник 4, аналогичный излучателю 2, также вмонти рованный в камеру 3, подключен к входу блока 5 усиления формирования, выход которого соединен с входом блока 6 управления. Выход блока 6 соединен с входом нас ройки частоты генератора 1. Выход генератора 1 через основной высокочастотный ключ 7 подключен к высокочастотному входу цифрового частотомера 8 и через дополнительный высокочастотный ключ 9 - к входу последовательно соединенных частотного демодулятора 10 и интегратора 11-13 (содержащего резистор 11, емкость 12, усилитель 13).Генератор-делитель 14 меток времени через основной ключ 15 меток под- . ключен к делителю 16 с выходами 17 в позиционном коде. Выходы позиционного кода 17 делителя 16 через переключатель 18 подключены к одному входу триггера 19, а к другому входу его через дополнительный ключ меток 20 подключен выход генератора-делителя 14, меток времени, Выход делителя 16 соединен с низкочастотным входом частотомера 8 и подключен на управление дополнительным высокочастотным ключом 9, Индикатор 21 и исполнительный блок 22 через двухпоэиционный переключатель 23 подключены к интегратору 11-13 и исполнительный блок 22 связан с переклю чателем 18. На управление основным высокочастотным ключом 7 и основным ключом 15 меток подсоединен выходной сигнал триггера 19, который также подан вблок 6 управления.Выход блока 6 управления связан сгенератором-делителем 14 меток времени и с дополнительным ключом меток 520, Блок 6 управления выполнен, например, в виде экстремум-регулятора, обеспечивающего настройку генератора 1 наакустический резонанс перестройку на соседний резонанс по сигналу с триггера 19 фи выдачу управляющих сигналов после настройки.Причем ц. (фиг. 2) - частотная зависимость модуля напряжения пьезоприемника4 и временная зависимость частоты генера тора 1; К- выходные импульсы генератора-делителя меток времени 14;- интервал времени, в течение которого замкнутключ 9, а частотомер производит счет,1 -импульсы напряжения, снимаемые сИподвижного контакта переключателя 18 ис триггера 19;- выходной сигнал блока 6, размыкающий на времяключ 20, " и Ж- выходные напряжения25частотного демодулятора 10 и интегратора 11-13 соответственно.В исходном состоянии ключи 7 и 15аамкнуты, 20 и 9 разомкнуты, делитель16 погашен выходное напряжение интег.Оратора 11-13 равно нулю, переключатель18 подключен к-тому из выходов позиционного кода 17.Интерферометр работает следующим образом,Ультразвуковые волны, излучаелыепьезоизлучателем 2, который возбуждаетсянапряжением генератора 1, распространяются в исследуемом веществе в камере 3 всторону пьеэоприемника 4 и частично отражаются от него, частично преобразуютсягим в электрические колебания, усиливаемыеусилителем блока 5. Генератор 1 с помощью блока 6 управления настраивается насамый близкий к частоте У акустическийреаонанс с частотойуи количеством полуволн в камере ру (частота Лв зависимости от исследуемой среды либо резонансная частота преобразователя,либо половина ее). После настройки блоком я6 запускается генератор-делитель 14 меток,Выходной импульс делителя 16, пропускающего первый (после настройки) и р-ый(р-емкость делителя) импульсы блока 14поступает в момент на частотомер 8 иаамыкает ключ 9. Периоды напряжения генератора 1 подсчитываются частотомером 8, поставленным в режим измерения отношения частот, Это напряжение поступаеттакже на частотный демодулятор 10 с частотой настройки А и выделяется на выходе его в виде постоянного напряжения(фиг, 2 а,б,в,е). С приходом очередногооимпульса блока 14 на вход делителя 16(кольцевого или обычного, снабженного дешифратором) сигнал появляется на следующем из выходов позиционного кода 17.Это продолжается до появления сигналана Г -том выходе 17 блока 16 (фиг.2,г), который соединен с подвижным контактом переключателя 18.Этот сигнал воздействует на вход тритгера 19, выходным напряжением которогов момент времени(график 26) размыкаются ключи 7 и 15, т.е, приостанавливается поступление напряжения генератора 1 на частотомер 8 и импульсов генератора-делителя 14 на делитель 16,Одновременно импульс триггера 19 воадействует на блок управления 6, Сигналблока 6 управления автоматически (илиполуавтоматически) начинает. перестраивать генератор 1 на соседний акустический резонанс с частотой 4 (меньшей Да)и количеством полуволн, на единицу меньшим, т,е, и -1, а также переключает частоту меток времени генератора-делителя14. Период меток времени в обоих случаях согласован с количеством полуволнв соответствии с выражением (1), С момента времени , пропадает напряжениена выходе частотного демодулятора 10, ана выходе интегратора 11-13 сохраняется напряжение, имевшееся в люмент времени 1 (графики 28,29),По окончании настройки генератора 1(момент), сигналом с блока управления 6 замыкается ключ 20 (график 27),Первый (после перестройки) импульс сблока 14 в момент 1 возвращает триггер 19 в исходное состояние, и на входделителя 16 не проходит,Ключи 7 и 15 опять замыкаются. Напряжение генератора 1 опять поступает навход частотомера 8 и частотного демодулятора 10, На выходе его выделяетсянапряжение противоположной чем в первомслучае полярности, посколькуфПроцесс измерения заканчивается с заполнением делителя 16 /Р-тым импульсомблока 14 в момент 1 у, выходной сигналкоторого поступает на частотомер 8 иразмыкает ключ 9. Частотомер 8, работающий в режиме измерения отношения частотпоказывает величину, равную сумме перио 684435 8дов напряжения, поступивших на высокоч,стотпый вход за время между двумя импульсами, поступившими на низкочастотный вход, т.е. ее время (ет ), В интервале 4 -вход частотомера посредствомключа 7 отключен и все время 9 пересчета равно( 8 - 8 ) + ( у - 14 ), иэ него - соответствует настройке на частоту, а-Ц - настройке на УВсему времени пересчета соответствует общее количество Я меток96 вре 1 ени, период которых, соглуно выражению (1) пропорционален - при настройке на Я и- при настройке на. За время9 Я которому соответствует 1" меток дстотомер накапливает сумму Л=,р за время 1,9-6, которому со 5 отвтр ствует З=Р "1" меток - сумму Идрит, р 1 а показания его равны Ф 1 + ФЛ39Точное значение скорости на частотахиливыражается следующим образомгегг г ггпу и,гя.ц 7.ГЭе е-я, яаду Йггде 89, 8 - поправки к числу полуволн. В области реэойансной частоты преобориазователей или частоты в два раза меньшей (они обозначены как) поправки за- Зй висят от частоты линейно и равны соот- ветственноКК)=Иб и Юг о)= И з ю где К - коэффициент пропорциональности зависящий от величине. Удельных акустических сопротивлений исследуемой среды и, фф вещества преобразователей. Числа Ф и ф с учетом выражения (2) имеют видр86,1 8 ГГ ГДР,Д1 Р П -Р 1-д; а=ЯО 4 Е-=-, - "(с- ",) ул СК 46Ц=-Р-(С+ И) (4)Показания частотомера с учетом выра 4 В жений (3) и (4) равны;9= Цфй= С+ - 1- и ( (5)Ск 8 И гьИэ выражения (5) вытекает, что в резуль 0 тате измерения будет практически отсутствовать погрешность, т.е. Ю = Ст если(6)Необходимые числа 1" и 3 определяемпо выходному напряжению интегратора 11-13 следующим образом. В течениевремени 1-9 на выходе интегратора11-13 напряжение, возрастает. до величины,пропдрциональной-ф , а в течение времени 1- 14 уменьшится навеличину Я 49 (фиг. 2 ж).И Если переключателем 23 выход интегратора соединен с индикатором 2 1, то повеличине и знаку индуцируемого им напряжения судят о том, в какую сторону переключать переключатель 18 и переключаотего. Если переключатель 23 замкнут наисполнительный блок 22, то последний переключает переключатель 18 до выполненияусловия (6).После этого вручную или автоматически гасится частотомер 8 также восстанавливается исходное состояние всего устройства и оно готово, к следующему измерению. Следующее измерение проводится согласно описанному выше, но ввиду выполнения услЬвия (6) :в результате измеренияотсутствует фазовая погрешность а поокончанию измерения выходное напряжениеинтегратора 11-13 близко к нулю, (см,также фиг, 2, правая часть). В случаеизменения скорости ультразвука изменяются частотыи , и необходимоесоотношение Г и 8 выбирается согласноуказанному выше (фиг. 2 соответствуетее+У О - 9 )Изобретение позволяет устранить погрешность измерения, зависящую от частоты ультразвука (т,е. и от скорости ультехразвука, так как длина камеры постоянна),резонансной частоты преобразователей, ивеличин удельных акустических сопротивлений исследуемой среды и вещества преобразователей. В самом первом послевключения устройства измерении возможно, что установка переключателя 18 небудет соответствовать требуемой, и вышеуказанная погрешность не будет устранена полностью, но при этом погрешностьне выше, чем устройства-аналога. В последующем правильное положение переключателя будет поддерживаться вручную илиавтоматически при любой скорости ультразвука, и фазовая погрешность будет отсутствовать,Формула изобретенияУльтразвуковой интерферометр посто.янной длины, содержащий соединенные в замкнутую электроакустическую цепь диапазонный генератор, камеру с двумя пре684 435 Риг. образователями,усилитель ормироеатель и блок управления, а также частотомер подключенный к выходу диапазонного генератора и генератор-делитель меток времени, подключенный к блоку управления,5 о т л и ч а ю ш и й с я тем,что,сцелью устранения фазовой погрешности измерения скорости ультразвука, в него введены частотный демодулятор, интегратор, исполнительный блок, триггер, делитель с выходами в позиционном коде и переклю 1 чателем, индикатор, основной и дополнительный высокочастотные ключи, основной и дополнительный ключи меток и двухпозиционный переключатель при этом13 основной высокочастотный ключ включен между выходом диапазонного генератора и входом частотомера, который также сс- единен с последовательной цепью, состояшей из д полнительного высокочастотноо26 го ключа, частотного демодулятора, интегратора и двухпозиционного переключателя, связывающего выход интегратора в одном положении с индикатором, а в другом - с исполнительным блоком, выход генсратора-делителя меток времени через основной ключ меток и делитель с выходами в позиционном коде соединен с ниэкочастотным входом частотомера и связанс дополнительным высокочастотным ключом, выход позиционного кода д.лнтеляподсоединен к исполнительному блоку через переключатель подвижной контакт которого подключен к одному входу триггера а к другому входу его через дополнительный ключ меток подсоединен выходгенератора-делителя меток, выход триггера связан с обоими основными ключами иблоком управления который также связанс дополнительным ключом меток и с генератором-делителем меток,Источники информации, принятые вовнимание при экспертизе1, Иванов В, Е, Об измерении скорости ультразвука в твердых телах интерферометром с двумя пьезопреобразователями. Труды ВУЗов Лит. ССР, "Ультразвук",1969, 1, с. 135-142,2. Кундротас К.,Сукапкас В., Яронис Э,.Цифровой ультразвуковой интерфеоометрпостоянной длины, Труды ВУЗов Пит. .,СР,684435 г. 277 90 Подп ого комитета СССР ий и открытий аущская наб., д. 4 Тираж 10 ИИ ПИ осударственн по делам изобрете 5, Москва, Ж, Рсвое 130 ент лиал ПП Ужгород, ул. Проектн едактор И. Марховс СоставителЬ В. Пи Техред С. Мигай