Способ измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИДЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 5605 1 Х 29/04 50 4 8 ЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫ ГОСУД АРСПО ДЕЛ3 ИЬ,ч,К.,ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к областиультразвуковых измерений и можетнайти применение в химической промышленности, в научно-исследовательских и заводских лабораториях дляпрецизионных измерений акустическихпараметров жидких сред. Целью изобретения является повышение точности,сокращение времени и упрощение измерений за счет трехуровкевой модуляции фазы. Создают стоячие волны вакустической камере с исследуемойсредой, дискретно модулируют разностьфаз между сигналом на входе и сигналом на выходе акустической камеры,осуществляют трехуровневую модуляцию разности фаз, измеряют разность между суммой двух крайних модуляционныхчастот и удвоенной частотой опорнойфазы, соответствующей средней фаземодуляции, изменяют опорную фазу навеличину, пропорциональную измеренной разности частот, до сведения кнулю этой разности, по частоте опорной фазы определяют скорость распространения, а с учетом девиации частоты - коэффициент поглощения ультразвука. Устройство через последовательно соединенные таймер первый и второй счетные триггеры, первый реверсивный счетчик, буферкый регистр, цифроаналоговый преобразователь, сумматор, ффаэовращатель, фазовый детектор,второй вход которого соединен с выходомфаэовращателя, генератор, подклю- С,ченный к входу измерительной камеры,а также элемент задержки, дефференцирующую цепь и две схемы совпадения вцделяет опорную фазу, по кото- ффрой определяют искомые параметры. ффПосредством третьей и четвертой схем фсовпадения, подключенных, соответственно, через второй реверсивный аарсчетчик и счетчик к буферному регистру, инициируют показания девиациичастоты. 2 с.п,ф-лы, 4 ил.1 12656Изобретение относится к области ультразвуковых измерений и может найти применение в химической про 1мышленности, в научно-исследовательских и заводских лабораториях для 5 прецизионных измерений акустических параметров жидких сред.Цель изобретения - повышение точности, сокращение времени и упрощение измерений за счет трехуровневой 1 О модуляции фазы.1На фиг.1 показана форма фазочастотной характеристики (ФЧХ) измерительной камеры с исследуемой средой; на фиг 2 - блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.З - временная диаграмма работы устройства; на фиг.4 - соотношение измеряемых величин.Устройство для реализации предлагаемого способа содержит измерительную камеру 1 постоянной длины с излучающим 2 и приемным 3 ультразвуковыми преобразователями, Фазовращатель 4, управляемьм по частоте генератор р 5 5, выход которого соединен с излучающим ультразвуковым преобразователем 2 и входом фазовращателя 4, фазовый детектор 6, первый вход которого соединен с выходом приемного ультразвукового преобразователя 3,а второй вход - с выходом Фазовращателя 4, последовательно соединенными таймером 7, первым 8 и вторым9 счетными триггерами, элементом 10задержки и дифференцирующей цепью 11,35последовательно соединенными первым реверсивным счетчиком 12, первым бу: ферным регистром 13, цифроаналоговымпреобразователем 14 и сумматором 15,40выход которого соединен с управляющим входом фазовращателя 4, четырь,мя схемами 16 - 19 совпадения, последовательно соединенными вторым буферным регистром 20 и схемой 21 отобра,45жения, вторым реверсивным счетчиком22, выходы которого соединены с входами второго буферного регистра 20,счетный вход второго реверсивногосчетчика 22 - с выходом первой схемы 16 совпадения, а управляющий вход -50с выходом первого счетного триггера8 и первым входом второй схемы 17совпадения, выход которой соединен свторым входом сумматора 15, а второйвход второй схемы совпадения 17с прямым выходом второго счетноготриггера 9, управляющим входом первого реверсивного счетчика 12, входами 05 2записи первого 13 и второго 20 буферных регистров и вторым входом первой схемы 16 совпадения, первый вход которой соединен с первым входом третьей схемы 18 совпадения, счетным входом первого реверсивного счетчика 12 и выходом четвертой схемы 19 совпадения, первый вход которой соединен с выходом генератора 5, а второй вход - с выходом таймера 7, третьим счетчиком 23, выходы которо 1 го соединены с входами второго буферного регистра 20, счетный вход - с выходом третьей схемы 18 совпадения, второй вход которой соединен с инверсным выходом второго счетного триггера 9 и третьим входом сумматора 15, выход фазового детектора 6 соединен с управляющим входом генератора 5, входы установки в нуль счетчика 12, 22 и 23 соединены с выходом дифференцирующей цепи 11.Сумматор 15 обеспечивает суммирование сигналов, поступающих на его входы. Коэффициент суммирования по третьему входу в,цва раза меньше коэфФициента суммирования по второму входу, Реверсивные счетчики 12 и 22 выполняют суммирование и вычитание числа. периодов сигналов, поступающих на счетные входы. Суммирование происходит при единичном, а вычитание при нулевом уровнях на управляющих входах счетчиков. Третий счетчик 23 имеет на входе счетный триггер. Этот триггер выполняет Функцию деления на два.Схема 21 отображения обеспечивает вывод на индикацию значений, поданных на ее вход. Буферные регистры 13 и 20 запоминают на выходах входные коды, соответствующие моменту появления навходе записи каждого регистра переднего фронта сигнала. Дифференцирующая цепь 11 формирует короткий им пульс, соответствующий переднему фронту поступающего на ее вход сигнала.Таймер 7 формирует цифровой сигнал,высокий и низкий уровни которого поедлительности строго фиксированы. Высокий уровень определяет интервалысчета Т, частоты, а низкий превышает время установления переходного процесса в акустической камере (фиг.З)гСпособ реализуется с помощью устройства следующим образом,Измерительную камеру 1 заполняютрастворителем с известными значениямиз 1265605 4 Устройство работает по циклам, задаваемым с помощью сигнала Т на прямом выходе второго счетного триггера 9. Сигнал Т формируется путем деления частоты сигнала модуляции фаз + о Ч , поступающего с выхода первого счетного триггера 8. При низком логическом уровне сигнала Т запрещается прохождение сигнала + 3 с выхода первого триггера 8 на второй вход сумматора 15, на третий вход которого в это время с инверсного выхода второго триггера 9 подается единичный логический уровень, который суммируется с коэффициентом 0,5 по отношению к сигналам, поступающим на второй вход сумматора 15. Система фАПЧ, отслеживая сигналы с выхода сумматора 15, настраивает генератор 5 последовательно на три точки фЧХ измерительной камеры 1: на опорную с фазой М, , соответствующую нулевому состоянию второго триггера 9; на Ч -- , соответствующую интервалу совпадения единичных уровней обоих триггеров; на+ 7 , соответствующую совпадеонию единичного состояния второго триггера 9 с нулевым состоянием первого триггера 8. Частоты генератора Е (Е ), й (е ) и Г ( Ч + ), соответствующйе фазам , Ч и у + 1-, являются исходнйми для вью 4числения величины 3 Ю, пропорциональной коэффициенту поглощения уль 25Коэффициент поглощения в исследуемой среде Ы определяют в соответствии с выражением(3) р о Величину В определяют один раз дляконкретной измерительной камеры 1 повеличинам девиации частоты, частотыопорной фазы и известным табличнымвеличинам с и С для растворителяр(в данном случае - воды), залитогов измерительную камеру 1Устройство работает следующим образом.Напряжение генератора 5 возбуждает излучающий. ультразвуковой преобразователь 2, который излучает ультразвуковые волны, распространяющиеся.в исследуемой среде, заполняющей измерительную камеру 1. Ультразвуковые волны преобразуются в электрические .коле 55 бания приемным ультразвуковым преобразователем 3 и поступают на первый вход фазового детектора 6, на второй скорости распространения С и коэф- вход которого подается сигнал генефициента поглощения Ы ультразвука, ратора 5, сдвинутый по фазе фаэовраДля биологических сред в качестве щателем 4.растворителя как правило, используютС выхода фазового детектора 6 дистиллированную воду, в которой скосигнал уровня, пропорционального разрость распространения ультразвука Сности фаз входных сигналов, поступает иа вход генератора 5 в качестве фициент поглощения о равен 3 10 Пп/м.сигнала отрицательной обратной связи, Записывают установившиеся значенияобеспечивающей фаэовую автоматическую частоты опорной фазы Й ( 9 ) и депостройку частоты (ФАПЧ), которая виации частоты Б Г . Затем измерисводит к нулю разность фазтельную камеру 1 заполняют исследусигналов, поступающих на входы фазоемым раствором .и по установившимся.вого детектора 6. Фазовращатель 4 значениям частоты опорной фазы 2( Ч)периодически по сигналам + 39 пери девиации частоты 3 Г определяют 15вого счетного триггера 8 (фиг,З), скорость распространения и коэффиципоступающим через вторую схему 17 ент поглощения ультразвука для исслесовпадения и сумматор 15 на управляюцуемого раствора.Ъ щий вход фаэовращателя 4, генерируСкорость ультразвука С в исслеет скачки фазы величиной + - , кодуемом растворе определяется из сле1торые компенсируются эа счет пере- дующего выражения:стройки частоты генератора 5 по цеК (У ) - К (т,)1 пи ФАПЧ.С С 1+ео (1)ч р Г (Ч)Р о126565тразвука и величины д Е, пропорциональной шагу подстройки устройства.Величина д 2 Формируется в первом реверсивном счетчике 12, на счетный вход которого поступает сигнал 5 с генератора 5, совпадающий с еди- ничным уровнем сигнала Т, , поступающего на второй вход схемы 19 совпадения с выхода таймера 7. При по 10 ступлении на управляющий вход перво- го реверсивного счетчика 12 единичного уровня он производит суммирование частот 1 ( 1, - в . ) и Й ( Ч + в ), соответствующих первому и второму интервалам счета (фиг.3), Частота15 К ( Ч), соответствующая третьему иочетвертому интервалам счета, будет дважды вычтена из кода, накопленного за первые два интервала. Вычитание обеспечивается поступлением ну 20 левого уровня на управляющий вход первого реверсивного счетчика 12 с выхоца второго триггера 9Код девиации частоты 3 Й Формиру 25 ется на выходе второго реверсивного счетчика 22 за счет того, что на .,счетный вход этого счетчика поступает сигнал с выхода первой схемы 16 совпадения, на первый вход которой поступает сигнал с выхода четвертой схемы совпадения, а на второй вход - сигнал с выхода второго триггера 9, который единичным уровнем разрешает прохождение сигналов частоты Г ( У - в ) и й ( Ч" +), соответо р 4ствующих единичному и нулевому уровням сигнала + оУ . Сигнал, поступаю- щиИ на управляющий вход второго реверсивного счетчика 22 с выхода первого триггера 8, обеспечивает суммирование кода Й ( Р -- ) и вычитаниеокода Е ( У + - )оВеличина 1 ( р 1 формируется наосчетчике 23 за счет поступления на его счетный вход сигнала частоты ге- , 45нератора 5, прошедшего через схему19 совпадения на первый вход схемы18 совпадения, на второй вход которои поступает сигнал единичного уровня, совпадающий с третьим и четвертым интервалами счета.По окончании каждого цикла с помощью Фронта сигнала Т , поступившегос прямого выхода второго триггера 9на входы записи буферных регистров13 и 20, коды, сосчитанные на счетчиках 12, 22 и 23, переписываются в соответствующие буферные регистры. Спу 05стя задержку, нео;:ходимую для переписи кодов, сигналом К , поступившим на входы установки в нуль счетчиков 12, 22 и 23 с прямого выхода второго триггера 9 через элемент 10 задержки и дифференцирующую цепь 11, производится сброс накопленных в счетчиках кодов. Коды Б Г и й( у ), записанныеов буферный регистр 20, поступают на вход схемы 21 отображения. Величиназаписанная в буферный регистр 13, в цифроаналоговом преобразователе 14 преобразуется в аналоговую величину и через первый вход сумматора 15 поступает на управляющий вход Фазовращателя 4 в качестве сигнала отрицательной обратной связи, обеспечивающей подстройку фазы сигнала, поступающего на второй вход фазового детектора 6.В процессе подстройки за счет перемещения точки Ч ФЧХ в точку симметрии разность частот дГ сводится до нуля. Процесс подстройки поясняет Фиг.4. При смещении опорной фазыотносительно центра симметрииовправо (в центре симметрии у = пТ)1 Д средняя частота модуляции Г роольше Г(ч,) и разность частот д Е)0 ,что показано на Фиг.4 а. При смещении М, влево относительно фазы ч", = пП (фиг.46) частота Г,р меньше Е( У,), а асс О. При М, =.п тг (Фиг,4 в) величина д й равна нулю. За счет данной цепи подстройки компенсируют малые смещения М , а грубые смещения устраняют при настройке устройства с помощью выбора режима работы фазовращателя, при котором М, лежит в окрестности Фазы р = п 1 Г, что1,2контролируют 6 о величине д Г. Малые отклонения У приводят к пропорциональному изменению аЕ, которые и компенсируются с помощью рассматриваемой цепи подстройки фазовращателя 4. Преимущества предлагаемых способа и устройства объясняются следующими обстоятельствами.Повышение точности измерений обусловлено высокой чувствительностВю величины разности частот аГ, выделяемой вкачестве сигнала отрицательной обратной связи в цепи подстройки фазовращателя к отклонению опорной Фазы У от центра симметрии ФЧХ, соответствующего середине резонанса. Как видно из фиг,1, на которой показана примерная форма ФЧХ, если р соответствует центру симметрии ФЧХ - измеряемая разность частот дЕ равна нулю. Отклонение частоты .опорной фазы на Н приводит к появлению не нулевой разности частот д 1, равной 2 Цс - 1)Нйчгде К = - (У+ЗТ:И Нхарактеризует отношение приращений частоты в точках Р, + Я у по отношению к приращению частоты в центре, ФЧХ при смещении опорной фазы на величину Й У .В известном способе отклонение частоты, соответствующей средней фазе модуляции, от центральной частоты ФЧХ на малую величину йй не приводит к изменению девиации частоты 8 1 в результате того, что обе частоты Г( -ЗУ) и й( ,+Яу) получают одинаковые по знаку и величине приращения. Теоретически предлагаемое техническое решение имеет бесконечно большую чувствительность по сравнению с известным. Практически величина Е равна 2,6, поэтому отклоне,ние частоты опорной фазы на + 0,3 Гц приводит к появлению разности частот д 2 = + 1 Гц. Для известного способа отклонение частоты опорной Фазы,приводящее к выявлению разности девиации частоты оо Й в 1 Гц, соответствует величине йй = 20 - 40 Гц, которая сильно зависит от коэффициента поглощения. Для предлагаемого способа подстройка осуществляется за один цикл измерения и только тода, когда д Й не равна нулю.Формула изобретения1. Способ измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука, заключающийся в соз-, дании стоячих волн в акустической камере с исследуемой средой и дискретной модуляции разности фаз между сигналом на входе и сигналом на выходе акустической камеры, о т л и ч а ю " щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, сокращения времени и упрощения измерений, осуществляют трехуровневую модуляцию разности фаз, измеряют разность между суммой двух частот, соответствующих фазам крайних уровней модуляций, и удвоенной1 О 1520 25 ЗО 35 40 45 50 55 частотой, соответствующей фазе сред него уровня модуляции, изменяют полученную разность частот до нуля и получают фазу, по частоте которой су дят о скорости распространения ультразвука, а по девиации этой частоты судят о коэффициенте поглощения ультразвука,2. Устройство для осуществленияспособа измерения скорости распрост-ранения и коэффициента поглощения ультразвука, содержащее измерительную камеру постоянной длины с излучающим"и приемным ультразвуковыми преобразователями, фазовращатель, генератор, выход которого соединен с излучающим ультразвуковым преобразователем и входом фазовращателя, фазовый детектор, первый вход которого соединен с выходом приемного ультразвукового преобразователя, а второй вход - свыходом фазовращателя, о т л и ч а ющ е е с я тем, что оно снабжено последовательно соединенными таймером,первым и вторым счетными триггерами,элементом задержки и дифференцирующей цепью, последовательно соединеннми первым реверсивным счетчиком,первым буферным регистром, цифроаналоговым преобразователем и сумматором,выход которого соединен с управляющимвходом фазовращателя, четырьмя схемамисовпадения, последовательно соединенными,рторым буферным регистром и блоком отображения, вторым реверсивнымсчетчиком, выходы которого соединеныс входами второго буферного регистра,счетный вход соединен с выходом первой схемы совпадения, а управляющийвход с выходом первого счетного триггера и первым входом второй схемы совпадения, выход которой соединен свторым входом сумматора, а второйвход - с прямым выходом второго счетного триггера, управляющим входомпервого реверсивного счетчика, входа.ми записи первого и второго буферныхрегистров и первым входом первой схемы совпадения, второй вход которойсоединен с первым входом третьей схемы совпадения, счетным входом первогореверсивного счетчика и выходом четвертой схемы совпадения, первый входкоторой соединен с выходом генератора,а второй вход - с выходом таймера,третьим счетчиком, выходы которогосоединены с входами второго буферного регистра, счетный вход - с выходом9 1265605 10 третьей схемы совпадения, второй вход тектора соединен с входом генератора, которой соединен с инверсным выходом входы установки в нуль всех счетчиков второго счетного триггера и третьим соединены с выходом дифференцирующей ,входом сумматора, выход фазового де- цепи. ф ериоРтердалы усааноЬениСоставитель А.ЕлкиТехред В.Кадар Корректор .В.Синицкая Яцол Подписи митета ССС