Устройство для измерения акустических параметров веществ

Устройство для измерения акустических параметров веществ

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (>) 588204 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 24.02.76 (21) 2326609/10 с присоединением заявки №(23) Приоритет (43) Опубликовано 25.03.78. Бюллетень ¹l1 (45) Дата опубликования описания 2,5. 03. q8, 2 (51} М. Кл.

С 01 К 29/00

Государственный комнтет

Совета Мнннстроа СССР оо делам изобретений и открытий (53) УДК 620.179.16 (088.8) (72) Автор изобретения

В. А. Сукацкас (71) 3а я витель

Каунасский политехнический институт им, Антанаса Спечкуса (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АКУСТИЧЕ(1хИХ

ПАРАМЕТРОВ ВЕЩЕСТВ

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для одновременного измерения основных акустических параметров веществ: скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука, основанных на интерференции прямых и отраженных ультразвуковых волн в образцах твердого, жидкого или газообразного вешеств, имеющих фиксированную длину. Устройство может быть использовано для исследования вешеств в научно-исследовательских и заводских лабораториях или для определения физико-химических параметров вешеств или полуфабрикатов в производстве по табулированным значениям скорости и поглощения в соответствующей среде.

Известно устройство для измерения скорости распространения и коэффициента поглошения ультразвука в образцах вещества постоянной длины, содержащее диапазонный генератор с. блоком настройки частоты, исследуемый образец твердого вешества с двумя пьезопреобразователями, один из которых подключен к генератору, другой — к входу детектора и усилителя, и индикатор (1). Однако указанное устройство не является прямопоказываюшим измерительным прибором, поскольку скорость и поглощение ультразвука определяются ручной обработкой записи (или изображения на экране осциллографа ) частотной зависимости модуля напряжения пьезоприемника.

Йаиболее близким по технической сушности к предложенному является устройство, измеряющее и непосредственно показывающее в цифровой форме скорость и поглощение ультра звука в исследуемом веществе (2) .

Устройство содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо интегрирукнцую цепь, генератор высокочастотного напряжеHl!H, lo камеру постоянной длины с двумя преобразователями, усилитель, схему определения уровня

0.707 максимального выходного напряжения, мультивибратор и триггер, гетеродин и смеситель канала измерения поглощения, а также блок цифровой индикации скорости ультразву. ка.

Однако в таком устройстве возникает погрешность измерения поглощения, связанная с относительныM изменением скорости ультразвука (и частоты акустического резонанса, посколькч длина акустического пути постоянна).

1делью изобретения является увеличение точности измерений.

Указанная цель достигается T\ .ì, что схема определения уровня 0,707 максимального выходного напряжения через мультивибратор, триггер и ключ соединена с интегрирующей

599204 цепью, канал измерения поглощения выполнен в виде счетчика, соединенного с блоком оазы

Врсчени и через ключ — — с выходом сх)есг)теля, а генератор высокочастотного напряжения «ерез блок подстройки частоты соединен с гетеродином, выход которого соединен с входом блока цифровой индикации скорости ультразвука и через ключ — с блоком базы времени кы нала измерения поглощения, при этом все три ключа соединены с мультивибратором.

На фиг. изображена структурная схема предложенного устройства; на фиг. 2 — эпюры напряжения и частоты в разных точках устройства.

Генератор 1 высокочастотного напряжения подключен к пьезоизлучателю 2, встроенному

В камеру 3 постоянной длины с исследуемым веществом. Пьезоприемник 4 подключен к входу усилителя 5, выход которого подкл)очен к входу схемы 6 определения уровня 0,707 максимального выходного напряжения, а выход ес —— на Вход запуска мультивибраторы 7. Выход мультивибратора 7 соединен со счетным входом триггера 8, а его выход — — через ключ 9 и интегрирующую цепь 10. 11 -- с входом электронной настройки генератора 1. На вход управления состоянием ключа 9 подключен выход мультивибратора 7.

Выход генератора 1 так же через блок подстройки частоты 12 соединен с входом электрон ной настройки гетеродина 13. Выходс гетероди) на 13 подключен к Входу смесителя 14, ко второму входу которого подкл!Очег) Выход генератора 1, блок 15 цифровой индикации скорости ультразвука и вход ключа 16. Елок 15 состоит, например, из счетчика с индикацией и блока, управляющего пересчетом периодов входного напряжения (т. е. напряжения гетеродина 13) в течение заданной базы. времени, и индикации результата. Смеситель 14 через ключ 17 соединен с входом счетчика 18, связанного с блоком 19 базы времени, к которому так же подсоединен выход ключа 6. 15cfor tf

14--19 составляют канал измерения iiui iolileния.

На фиг. 2 обозна !ена зависимость InctoTI I генератора 1 от времени (а), измененHI огибающей выходного напряжения усилителя

5 (б), выходные импульсы схемы 6 определения уровня О, 707 (в), импульсы мультивибратора 7 (г), частота выходного сигнала ключа 17 (д) .

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает высокочастотное напряжение, возбуждающее пьезоизлучатель 2.

Он излучает ультразвуковые волны, распространяющиеся в исследуемом веществс в камере 3 в направлении пьезоприемника 4. Ультразвук частично отражается от пьезоприемника, частично преобразуется им в высокочастотное напряжение, усиливаемое блоком 5. Выходное напряжение поступасг иа I)xo Г схемы с)предсления урОВня 0,707 максимы.1!»1»го Вых»ГН!Ого напряжения.

P3I)oTI х ст()ой!. тв!1 х:lo!) Н» и,)< c. Iс .11!TH !. хl»мента окончания очередиог» импульсы мультивибратора 7. Зы:!Ним фрон!»м CI» исреорыс i>Iвается триггер 8 и замыкысгся к,lion с). Бых»д5

60 ное напряжение интегрирук)щей цепи !О, I I

НЫЧИНЫСТ ИЗМЕНЯТЬСЯ В ЗЫВИСИМОСТИ OT СО TOH-, ния триггера 8, и, так как oil» ïî Гкл!Очено к

ВХОду ЭЛЕКтрОННОЙ НаетрОйКИ Гс Нсраторы !. ПЕрестраивает частоту генераторы !. Чыстотцприближается к частоте акустического резонанса столбика среды между пьезопрсобрызователями

2 и 4 в камере 3, в силх чего увеличивается выходное 1)апряжение г!ьез»приемника 4 и усилителя 5. H тот момент, когда частота генератОРа РаВНа ЧаСтОтЕ 3КУСтис)ЕСКОГО РЕЗОНаНСЫ, напряжение усилителя 5 максимально и при дальнейшем изменении частоты начинает уменьи)ыться. Процесс продолжается до тех flop, пока частота генераторы Ие окажется расстроенной от резонансного зиы)ения на полоBIIHI полосы «роп скан ия кымс pt>i 3 с Hccледчe IHDI веществом и пьезоиреос)рызователями 2 и 4, действу!ошей кык акустический резонатор, а огибаю!Ная Выходного напряжения усилителя

5 не у !еньшится 3» j ровня 0.707 от чыксима1hного (резонансного! значения. В этот момент срабатывает схема 6 oilðс .деления х poâitÿ 0,707 максимального выходного напряжения, состоящая, например из обычно)о и пикового детекторОВ противоположнои 1!11, InpnocTH, нагр; жснных делителеч с соот)!Ошеииеч плеч. 1:0,707, и схемы сравнения. Выходи»й импульс схесlb1

6 запускает мультивибратор 7, 3 ег» выходной сигнал размыкает ключ 9. Прекращается изменение выходного ныпряжеш!я I!åïè !О, ! и частоты генератор; ) I, а также и напряж HIIH ус)1,1ите,1я 5. II» Ок!)!)с!3Г!ни им11сльса му,IHTIIвибраторы 7 опять замыкается ключ 9, а триггер 8 персорасывыется В ц)угое устойчив»с состояние. Нnt f)l НОВторяется ОГ1исыиный Выше процесс с той разницей, что частота гс)цр;!тора приближается к резонынснс)м) ее значению с противоп»,)»жной стороны.

В рез .)ь)ытс частота ген! ратора качается симчетрично относительно резон;1!!Оного знас!ЕГ!ИЯ. 3!IК»Н ИЗМ n!. ИИЯ IЫСTOTI! С). 1ИЗ()К Ii ТРЫпецеидальн»х1с (см. CII)III )!! ) . с)! Ift)3loLIIBH ВыходI!of» напр)1жсиия;cn.TIITI,iH 5 и))еcT Ви;! рН33 вершин резона!!Оной крив!)й кычсры 3 с вс)цеством (резонансногo пика), разделенных постоянным иыпря.!.ение i, н !),7!1, p;lза меньшим, чем максимальное н;!Нря)кс иие резонансного пика (сч. фиг. 2о). На фиг. 2в изображены импульсы схемы 6, возникаюпсие каждый раз, ког !!! модуль выходного напряжения усилителя 5 уменьшается на 0,707 от максимального своего значения. Кыжд!.!й из этих импульсов запускает мультивибратор 7. Импульсы мультивибратора изображены иа фиг. 2г.

Напряжение генератора 1 поступает также на блок подстройки частоты !2, составленный, например, из схем, осуществляю!цих сравнение частот генератора и гетеродины !3 и осу-! цествляющих подстройку частоты гетеродипа

13 так, чтобы она равнялась средней частоте генератора, т. е. частоте акустического резо-!!ынса . Напряжение ceTepozf It!3 13 поступает на блок 15 цифровой индикации скорости ультразвука, г Ге периоды напряжения подсчитыва-! отся в течение базы Времени, выбранной с таким расчетом, чтобы количество сосчитанных импульсов равнялось цифровому .н!ыс!сник) скоросги улырызвука в исследуемой срсдс. Одь

599204, временно напряжение гетеродина 13 смешивается в смесителе 14 с напряжением генератора

1, а разностное напряжение поступает на вход ключа 7. Ключи 16 и 7 замыкаются только на длительность импульса мультивибратора 7.

Напряжение гстеродина 13 поступает через замкнутый ключ 16 на вход блока базы времени !9. Он вырабатывает импульс, в течение которого счетчик 18 подсчитывает периоды разностной частоты смесителя !4. Этот импульс равен по длительности заданному количеству 1о периодов гетеродина 13. Естественно, к этой длительности прибавляются и промежутки между импульсами мультивибратора 7, в течение которых ключ 16 разомкнут. Но между импульсами мультивибратора 7 разомкнут и ключ 17, т. е. подсчет периодов разностной частоты счетчиком 18 не происходит. Показания счетчика 18 по истечении базы времени, выработанной блоком 19, прямо пропорциональны максимальному значению ра3носI нов частоты смесителя 14. т. е. полосе пропускания резонируюшей камеры

3 с исследуемым вешеством, и обратно пропорциональны частоте гетеродина 13, т. е. частоте акустического резонанса. и носят информацию о поглощении ультразвука в исследуемой среде.

Зависимость частоты сигнала. поступаюшего на вход счетчика 18. изображена на фиг. 2г.

Таким образом, погрешность измерения скорости устраняется тем, что на вход блока цифровой индикации скорости поступает напряже- ЗО ние, не имеющее частотной модуляции. Погрешность измерения поглошения устраняется тем, что девиация частоты непосредственно преобразуется в цифровую форму, минуя промежуточную обработку. Кроме того, из процесса измерения исключаются те участки, B течение которых перестраивается частота ультразвука и которые являются трудноучитываемыми ввиду нелинейности и изменения по времени модуляционной характеристики генератора. На конец, исключается погрешность измерения Iloглогцения, связанная с изменениями скорости ульгразвука в среде и частоты акустического резонанса, так как время пересчета разностной частоты обратно пропорционально частоте акустиче кого резонанса.

Формула азобретенач

Устройство для измерения акустических параметров веществ, содержащее последовательно соединенные интегрирующую цепь, генератор высокочастотного напряжения, камеру постоянной длины с двумя пьезопреобразователями, усилитель, схему определения уровня 0,707 максима1bHoro выходного напряжения, мультивибратор и триггер, гетеродин и смеситель канала измерения поглощения, а также блок цифровой индикации скорости ультразвука, отличаюшееся тем, что, с целью повышения точности измерений, схема определения уровня 0,707 макснмального выходного напряжения через мультивибратор, триггер и ключ соединена с интегрируюшей цепгио, канал измерения поглошения выполнен в виде счетчика, соединенного с блоком базы времени и через ключ с выходом смесителя, а генератор высокочастотного напряжения через блок подстройки частоты соединен с гетеродином, выход которого соединен с входом блока цифровой индикации скорости ультразвука и через ключ — с блоком базы времени канала измерения поглощения. при этом все три ключа соединены с мультивибратором.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Во!е! D.J. and 1.De Klerk, Some Couiinuos wave technigues for the measurement of

velocity and affennafion ot ultrasonic ъ aves веЪееп 1 апсl 1000 МС, !963, м. !О, X 1, р. 9--26.

2. Кундротас К., Сукацкас В., Яронис Э..

Цифровой ультразвуковой интерферометр постоянной длины. Труды ВУЗов Лит. CCP. Ультразвук. 1973.

599204

Фиг. 1 рие

Составитель Е. Артамонова

Техред О. Луговая Корректор A. Гриценко

Тираж 1112 Подписное

Редактор P. Киселева

Заказ 1401/35

I(HI IIIHI I Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035. Москва, Ж-35, Раугиская наб. д. 4/5

Филиа.1 ИПП «11атент», г. Ужl opol. ул. Г!роектная, 4