Времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде и устройство для его осуществления

Времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области метрологии и измерительной техники и может быть использовано в гидроакустике для определения скорости звука в жидких средах.

Известен времяпролетный способ определения скорости звука, заключающийся в формировании базы измерения с помощью двух расположенный напротив друг друга пьезопреобразователей - передающего и принимающего звуковые импульсы [Авторское свидетельство СССР, СССР, №1483285, кл. GOIH 5/00, 1987] [1].

Известно устройство для реализации способа, содержащее передающий пьезопреобразователь, приемный пьезопреобразователь, генератор электрических импульсов и измеритель временных интервалов, подключенные соответственно к передающему и приемному пьезопреобразователю [1].

Недостатком известных способа и устройства является низкая точность задания базы измерения, а значит, и низкая точность определения скорости звука в среде.

Известен времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде, заключающийся том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых импульсов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t,_Р один от другого, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прихода которых судят о скорости звука в жидкой среде [И.Л. Кузнецов. A.M. Молоков, Ф.П. Шнитман. Анализ точности времяпролетного преобразователя скорости звука в воде. Сб. Научн. трудов ВНИИФТРИ. Гидрофизические измерения. М., 1985. С.33-39] [2].

Известно устройство для определения скорости звука в жидкой среде, содержащее основание, которое выполнено звукоотражающим в виде пластины, прямоугольный параллелепипед (далее - параллелепипед) длиной L_t,_Р с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним торцом на основании, рабочий измерительный объем, электрически последовательно соединенные генератор электрических импульсов и приемно-передающий пьезопреобразователь (далее - пьезопреобразователь), установленный напротив свободного торца стержня и основания, и измеритель временных интервалов, поключенный к пьезопреобразователю [2].

Данные способ и устройство приняты за прототипы. Недостатком прототипов являются недостаточно высокая точность определения скорости звука в жидкой среде, связанная с погрешностями из-за дифракционных (краевых) эффектов разделения звукового луча по сечению на два, изменений температуры и давления среды, а также отсутствием элементов юстировки, от которых зависит параллельность базы измерения и направления перемещения звуковых импульсов.

Первый вид погрешности связан с тем, что в прототипе один преобразователь одной половиной расположен над параллелепипедом, задающим базу измерения, а второй половиной - над звукоотражающим основанием рабочего измерительного объема, что неизбежно вызывает дифракционные эффекты на краю параллелепипеда. Второй вид погрешности связан с отсутствием средств юстировки звукоотражающего основания относительно направления оси диаграммы направленности излучения пьезопреобразователя, что приводит к неточному формированию длины базы измерения.

Кроме того, в прототипе пьезопреобразователь непосредственно контактирует с жидкой средой, которая может находиться под высоким давлением и при высокой температуре. Это неизбежно влияет на характеристики пьезопреобразователя и точность измерения времени распространения звуковых импульсов, а значит, и точность определения скорости звука.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является устранение указанных недостатков, то есть повышение точности определения скорости звука.

Данный технический результат достигается тем, что в известном времяпролетном способе определения скорости звука в жидкой среде, заключающемся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых сигналов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t,_Р один от другого и задающие базу измерения, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерения L_t,_Р судят о скорости звука в жидкой среде, используют дополнительно третий и четвертый звукоотражатели, расположенные выше указанных, параллельные первым двум, образованные плоскостями плоскопараллельной пластины, причем третий звукоотражатель размещают на нижней поверхности пластины, контактирующей с жидкой средой, а четвертый - в плоскости формирования звуковых импульсов, затем измеряют интервал времени τ₁ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ₂ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ₃ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ₄ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ₅ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов от второго звукоотражателя, интервал времени τ₆ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, интервал времени τ₇ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, от второго отражателя, интервал времени τ₈ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, а скорость звука C определяют из математического выражения:

C = 2 L t , P ± Δ L t P [ ( τ 2 − τ 1 ) + ( τ 4 − τ 3 ) 2 ] − [ ( τ 6 − τ 5 ) + ( τ 8 − τ 7 ) 2 ] ,                           (1)

где ±ΔL_t,P - поправка на допускаемую недоюстировку.

В части устройства технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем основание, которое выполнено звукоотражающим в виде пластины, параллелепипед длиной L_t,P с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним из торцов на основании, рабочий измерительный объем, генератор электрических импульсов и пьезопреобразователь, установленный напротив свободного торца стержня и основания, соединенные между собой, и измеритель временных интервалов, подключенный к пьезопреобразователю, дополнительно введены плоскопараллельная пластина, установленная в верхней части устройства, три дополнительных пьезопреобразователя, электрически подключенные к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов, а также беличье колесо, при этом пьезопреобразователи установлены на верхней плоскости плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы расположены на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведены основные элементы устройства, на фиг.2 - расположение пьезопреобразователей относительно плоскопараллельной пластины, на фиг.3 - диаграмма, поясняющая принцип реализации способа, на фиг.4 - временная диаграмма, поясняющая существо способа.

Устройство содержит параллелепипед 1 с плоскопараллельными полированными звукоотражающими торцами 2, 3, задающими базу измерения L_t,P. Параллелепипед 1 закреплен одним из торцов, например торцом 3, на звукоотражающем основании 4 рабочего измерительного объема 5 с жидкой средой.

Связующим звеном основания и верхних частей устройства является беличье колесо 6 и элементы юстировки (являющиеся элементами ноу-хау в части устройства заявителя) параллелепипеда 1 относительно направления распространения звуковых сигналов. Через отверстия беличьего колеса 6 жидкая среда проникает в зону измерения скорости звука. Объем 5 закрыт крышкой в виде плоскопараллельной пластины 7, установленной на беличьем колесе 6 параллельно звукоотражающему основанию 4. На плоскопараллельной пластине 7 снаружи установлено четыре пьезопреобразователя 8, …, 11 (фиг.1, 2). Пьезопреобразователи 8, 9 и 10, 11 расположены на периферии пластины 7 диаметрально противоположно, как показано на фиг.2.

При этом звукоотражающие поверхности торца 2 параллелепипеда 1 и основание 4 рабочего объема 5 выполнены из одного материала, например, нержавеющей стали.

Устройство также включает в себя генератор электрических импульсов и измеритель временных интервалов (на чертеже не показаны), подключенные к преобразователям 8, …, 11.

В основе любого времяпролетного способа определения скорости звука, в том числе в аналоге, прототипе и заявленном способе, лежит необходимость точного измерения величины базы измерения _Lt,P и времени τ ее прохождения звуковыми импульсами. Использование в качестве базы измерения параллелепипеда 1 со звукоотражающими торцами 2, 3 позволяет при заданных температуре t и давлении P с большой точностью задать величину базы измерения при использовании современных образцовых средств измерения длины. Основные виды погрешностей в измерении величины базы измерения в этом случае будут проявляться из-за влияния температуры t и давления P, а также из-за недоюстировки устройства (не совпадения направлений вертикальных граней параллелепипеда 1 и направления движения звуковых импульсов). Способ определения последнего вида погрешности в величине (±ΔL_t,P) является ноу-хау заявителя в части способа.

Значения поправок на длину базы измерения при изменениях температуры t и давления P рассчитываются по известным зависимостям [А.А. Александров, Д.К. Ларкин. Экспериментальное определение скорости ультразвука в воде в широком диапазоне температур и давления. Теплоэнергетика, 1976, №2, 75-78]. Погрешность из-за разъюстировки устройства легко устраняется в предложенном техническом решении введением плоскопараллельной пластины 7 и пьезопреобразователей 8, …, 11.

С другой стороны, расположение пьезопреобразователей 8, …, 11 по внешней стороне пластины 6 по отношению к исследуемой среде позволяет исключить влияние среды на характеристики пьезопреобразователей, а значит, на измерение длины базы и времени распространения звука.

Однако введение данных признаков приводит к появлению на пути распространения звуковых импульсов четырех (а не двух, как в прототипе) звукоотражателей “а”, “б”, “в”, “г” (фиг.1) и, как следствие этого, к появлению двух отраженных от этих звукоотражателей звуковых импульсов на входе каждого пьезопреобразователя. В связи с этим определение времени τ прохождения звуковыми импульсами базы измерения L_t,P носит более сложный характер, чем в прототипе, в котором время τ равно разности времен прихода звуковых импульсов, отраженных от границ базы измерения.

На фиг.1 условно стрелками показаны звуковые импульсы τ₁, τ₂, τ₃, τ₄, последовательно поступившие на вход пьезопреобразователей 8, 9 после отражений от звукоотражателей “а”, “в”, “а”, а также звуковые импульсы τ₅, τ₆, τ₇, τ₈, последовательно отразившиеся от звукоотражателей “б”, “в”, “б” и пришедшие на вход пьезопреобразователей 10, 11.

На фиг.3, 4 для ясности данные отражения показаны во временной последовательности.

Импульс τ₁ условно характеризует интервал времени от начала формирования звукового импульса до момента его приема после отражения от звукоотражателя “а” (пьезопреобразователь 8).

Импульс τ₂ - интервал времени от начала формирования звукового импульса до момента его приема после отражения последовательно от звукоотражателей “а”, “в”, “а”, как следует из второй диаграммы на фиг.2 (пьезопреобразователь 8).

Импульс τ₃ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателя “а” (пьезопреобразователь 9).

Импульс τ₄ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента их приема, когда они последовательно отражаются от звукоотражателей “а”, “в”, “а” (пьезопреобразователь 9).

Импульс τ₅ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, отраженных от звукоотражателя “б” (пьезопреобразователь 10).

Импульс τ₆ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателей “б”, “в”, “б” (пьезопреобразователь 10).

Импульс τ₇ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателя “б” (пьезопреобразователь 11).

Импульс τ₈ - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателей “б”, “в”, “б” (пьезопреобразователь 11).

Нетрудно заметить, что для пьезопреобразователей 8, 9 удвоенное среднее время, необходимое для прохода звуковым импульсом расстояния от звукоотражателя “в” до “а” (фиг.1-4), будет равно

( τ 2 − τ 1 ) + ( τ − 4 τ 3 ) 2                              (2)

Аналогично для преобразователей 10, 11 удвоенное среднее время, необходимое для прохода звуковым импульсом расстояния от звукоотражателя “в” до “б” (фиг.1-4), будет равно

( τ 6 − τ 5 ) + ( τ − 8 τ 7 ) 2                              (3)

Время прохода звуковым импульсом базового расстояния L_t,P в таком случае будет равно разности величин (2) и (3). Поделив на полученное время величину базы измерения, получим уравнение (1) для определения скорости звука предложенным способом.

Способ реализуется следующим образом.

Сначала с помощью пьезопреобразователей 8, …, 11 (фиг.2) и элементов юстировки осуществляют юстировку основания 4 относительно пластины 7 по равенству времен прохождения импульсом слоя жидкости в измерительном объеме. Разность между временами на практике не должна превышать 10 нc.

Последовательно или одновременно от пьезопреобразователей (8, 9) и (10, 11) к звукоотражателям “а” и “б”, соответственно, направляют звуковые импульсы с помощью генератора электрических импульсов и измеряют времена τ₁, …,τ₈ и при известности базы измерения L_t,P по формуле (1) и при использовании ноу-хау в части способа определяют скорость звука в жидкой среде.

В данном способе отсутствуют погрешности, связанные с наличием дифракционных эффектов, поскольку звуковые импульсы не попадают на края параллелепипеда 1 в отличие от прототипа.

На результаты измерений не влияют изменения физических характеристик среды, поскольку пьезопреобразователи 7 и 8 не контактируют с ней.

С помощью элементов юстировки (ноу-хау в части устройства) и при использовании поправки (ноу-хау в части способа) с помощью заявленного устройства определяется скорость звука в жидкой среде с высокой точностью (0,01…0,05) м/с в диапазоне скоростей звука в жидкой среде (800…2000) м/с.

Этим достигается поставленный в заявке технический результат.

1. Времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде, заключающийся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых импульсов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии L_t,P один от другого и задающие базу измерения, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерений L_t,P судят о скорости звука в жидкой среде, отличающийся тем, что используют дополнительно третий и четвертый звукоотражатели, расположенные выше указанных, параллельные первым двум, образованные плоскостями плоскопараллельной пластины, причем третий звукоотражатель размещают на нижней поверхности пластины, контактирующей с жидкой средой, а четвертый - в плоскости формирования звуковых импульсов, затем измеряют интервал времени τ₁ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ₂ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ₃ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ₄ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ₅ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов от второго звукоотражателя, интервал времени τ₆ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, интервал времени τ₇ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, от второго отражателя, интервал времени τ₈ от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, а скорость звука C определяют из математического выражения: C = 2 L t , P ± Δ L t P [ ( τ 2 − τ 1 ) + ( τ 4 − τ 3 ) 2 ] − [ ( τ 6 − τ 5 ) + ( τ 8 − τ 7 ) 2 ] ,где ±ΔL_t,P - поправка на допускаемую недоюстировку.

2. Устройство для определения скорости звука в жидкой среде, содержащее основание, выполненное звукоотражающим в виде пластины, прямоугольный параллелепипед длиной L_t,p с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним из торцов на основании, измерительный объем, генератор электрических импульсов и приемно-передающий пьезопреобразователь, установленный напротив свободного торца прямоугольного параллелепипеда и основания, соединенные между собой, и измеритель временных интервалов, подключенный к пьезопреобразователю, отличающееся тем, что оно снабжено плоскопараллельной пластиной, установленной в верхней части устройства, тремя дополнительными приемно-передающими пьезопреобразователями, электрически подключенными к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов, а также беличьим колесом, при этом пьезопреобразователи установлены на верхней плоскости плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы расположены на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом.