Способ определения скорости ультразвука и устройство для его осуществления

Способ определения скорости ультразвука и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВ б ОР(:КОМУ б;ВЦЯКТЕЯРСТВУ

Союз Советских

Социапистических

Респубики (») 599205 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявленî 22.0376 (21) 2335824/10 (51) М. Кл. с присоединением заявки %

G 01 M 29/00

Qr01 Н 5/g0 б евиврвтввввыб кввввтвт

Ввватв Мввввтрав CON аа даввв взвбрвтвввй в втвритвб (23) Приоритет (43) Опубликовано 250378.6толлетень Уй11 (45) Лата опубликования описания 070378 (5З) УДК 534.614 (088. 8) P2) Авторы изобретения В- .кушуль Б.А.Васильев, В.л.Борцов и В.к.хамидуллин

P3) Заявитель Ленинградский институт авиационного приборостроения

{54) . СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

ИзобРетение относится к ультразвуковой измерительной технике и может.. найти применение при .непрерывном контрапе состана и свойств веществ, например при автоматизации технологи- 5 ческих процессов в химической и медицинской промышленности.

Известны способы и устройства для определения скорости ультразнука, заключающиеся в возбуждении в исследуемой среде ультразвукового сигнала, приеме его на фиксированном расстоянии и измерении сдвигов фаз принятого сигнала 113. Эти способы и устройстна наряду с нестабильной картиной акусти- 15 ческого поля имеют неудобный выход выходной информации.

Эти недостатки устранены в способах и устройствах, работающих на стабилизации длины волны колебаний путем изменения их частоты (2). При этом стабилизация картины акустического поля в измерительном акустическом преобразователе достигается при возникновении автоколебаний в замкнутой цепи за счет изменения параметров линии задержки в цепи обратной связи измерительного акустического преобразователя.

Недостатком этого способа является сравнительно низкочастотный диапазон режима автоколебаний, что снижает точность измерений.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемоМу является способ определения скорости ультразвука, основанный на возбуждении в исследуемой среде амплитудно-модулированного сигнала, приеме его на фиксированном расстоянии И измерении сдвигов фаэ принятого сигнала по модулирующей и несущей частотам, при этом по сдвигу фазы модулирующей частоты определяют часть времени распространения, равную целому числу периодов колебаний несущей частоты, а по сдвигу фа."ы несущей частоты — часть времени, меньшую од" ного периода колебаний несущей частоты, и по сумме этих времен судят о полном времени распространения ультразвукового сигнала в среде. При постоянной акустической базе это время однозначно определяет скорость ультразвука в исследуемой среде 3) .

Устройство, реализующее указанный способ, содержит генераторы ультразвуковой и модулирующей частот, модулятор, измерительный акустический преоб разователь, первый усилитель, контур

599205 измерения фазы по несущей частоте, состоящий из последовательно соединенных первого фазового детектора, второго усилителя первого исполнительного двигателя и первого фоэовращателя, при 5 этом вход первого фазового детектора соединен с выходом первого усилителя, вход первого фазовращателя — с выходом модулятора, а выход первого фазовращателя — со вторым входом первого . 10 фазового детектора"контур измерения фазы по модулирующей частоте, состоящий из последовательно соединенных второго амплитудного детектора, второго фазового детектора, третьего усилителя, второго исполнительного двигателя и второго фазовращателя, при этом вход второго фазовращателя соединен с выходом модулятора через первый амплитудный детектор, вход второго амплитудного детектора подключен к выходу первого усилителя, а выход второго фаэовращателя соединен со вторым .входом второго фазового детектора (41.

Недостатком известного способа и устройства является вносимая вследствие изменения реверберационной картины нестабильность акустическОго поля н измерительном акустическом преобразователе, приводящая к значительным 30 погрешностям и снижению точности измерений.

Цель изобретения — повышение точности измерений.

Для этого по предлагаемому способу З5 несущую и модулирующую частоты амплитудно-модулированного сигнала одновременно пропорционально изменяют до нулевой разности Фаэ по модулирующей частоте, фиксируют фазовый сдвиг по несущей частоте, после чего изменяют

40 полученное значение несущей частоты до нулевой разности фаз по несущей частоте и по полученному значению несущей. частоты судят о скорости ультразвука.

Для реализации предлагаемого способа в устройство для определения скорости ультразвука, содержащее последователь но соединенные генератор ультразвуковой частоты, модулятор, измери- 50 тельный акустический преобразователь, усилитель и первый фазовый детектор, а также подключенный к выходу модуля тора первый амплитудный детектор и подключенные к выходу усилителя после- 55 довательно соединенные второй амплитудный детектор и второй фазовый детектор, внедены блок перестройки частоты, подключенный к входу генератора ультразвуковой частоты, частотомер и д литель ф частоты, нходы которых подключены к выходу генератора ультразвуковой частоты, а выход делителя частоты подключен ко второму входу модулятора, и коммутатор, входы которого подключены к выходам первого и второго Фазовых детек.торов, а выход — к входу блока перестройки частоты, при этом выход модулятора подключен ко второму входу перного фазового детектора, а выход первого амплитудного детектора подключен ко второму входу второго фазового детектора.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в установке в измерительном акустическом преобразователе стабильной карты акустического поля с постоянной длиной ультразвуковой волны путем изменения частоты генерируемых ультразвуковых частот, Установка постоянной длины волны осуществляется н два этапа. Первый этап — изменение несущей и модулирую щей частот до установки наперед заданной длины волны модулирующего сигнала. При этом несущая частота принимает значение, при котором фазовый детектор по несущей частоте ныходит на требуемый участок характеристики.

Второй этап — изменение несущей частоты до устанонки наперед заданной длины волны несущей частоты. При выполнении условия постоянства и однозначности длины волны по несущей частОте скорость ультразвука будет прямо пропорциональна частоте ультразвуковых Колебаний.

Диапазон изменения частоты генератора ультразвуковых колебаний в замкнутом контуре определяется, исходя из условий однозначности работы Фазового детектора, по Формуле Е макс макс мин ммий (1} где и „ „ — максимальная и минимальная частоты при условии однозначной работы

Фазового детектора в диапазоне Фазовых сдвHI Ов оТ +ó дкс до Рмин °

Прежде всего задаются величиной

Фазового сдвига по модулирующей частоте Чм, при котором сигнал на выходе

Фазового детектора по модулирующей частоте равен нулю. При фиксированной базе измерительного акустического преобразователя f,величина фазового сдвига ч"@ оцнозначно связана. со значением длины волны модулирующего сигнала Л м

Х -2

1 м (2)

При известном значении Х м по полученному в ходе работы контура эначенин частоты модуляции fù можно .приблизительно судить о скорости ультразвука прнбл.

С орибл. и 4 м ° (3)

Пределы допустимых значений Фазового с в

Д ИГа ТМмдкс И м мин ПРИ КОТО599205

5 !

О

65 рых в контуре по модулирующей частоте однозначно устанавливается значение фазового сдвига 1м, определяются по характеристике фазового детектора модулирующей частоты. По формуле (1), задаваясь одной из частот

J„ „ „ èëè f „„„ рассчитывают другую частоту. По этим частотам определяют диапазон измеряемых скоростей ультразвука ма.кс ° м мськс м и i и э»вИ. (9) и =Л.

Поскольку в предлагаемом способе частоты и фаэоные сдвиги связаны от рс — К

I к где 1 ec — значение несущей частоты1

Ч„сс — величина фазового сдвига по несущей частоте; — коэффициент пропорциональности или коэффициент деления делителя частоты, то задаваясь К, можно по значению фазового сдвига по модулирующей частоте P определить значение фазового сдвига по несущей частотет „рс, которое неооходимо поддерживать с помощью контура по несущей частоте.

Пределы допустимых значений фазового сдвига по несущей частоте Ч1»рс„ итнвс и „.в котоРых должен работать контур, определяются по характеристике Фазового детектора несущей частоты.

Целью работы контура по модулирующей частоте является получение значений модулирующей и несущей частот, при которых фазовый детектор по несущей частоте выйдет в диапазон фазовых от нас,»о„до нес „„„. работа контура по несущей частоте сводится к установке тОчного значения величины фазового сдвига по несущей частоте „ с. При этом на выходе фазового детектора несущей частоты установится нулевой сигнал.. Длина волны ультразвуковых колебаний по несущей частоте определяется как eñ К

При известном значении 3.„ с по полученному в ходе работы конечному значению несущей частоты еможно нее точно определить скорость ультразвука в исследуемой среде (»» . точм — ee

При изменениИ скоростИ ультразвУка С в среде, поддерживая стабильным фазовый сдвиг по несущей частоте, т.е. значение Л„вс, по значению изменяющейся несущей частоты „ес можно судить о скорости ультразвука С.

На чертеже представлено устройство, реализующее предлагаемый способ.

60,+

Устройство состоит из носледонатеяьно соединенных генератора ультразвуковой частоты 1, модулятора 2, измерительного акустического преобразователя 3, усилителя 4 и первого фазового детектора 5, первого амплитудного детектора 6, подключенного к выходу модулятора 2, подключенных к выходу усилителя.4 последовательно соединенных второго амплитудного детектора 7 и второго фазового детектора 8, коммутатора 9, входы которого подипючены к выходам первого 5 и второго 8 фазовых детекторов, блока перестройки частоты 10, подключенного между выходом коммутатора 9 и генератором 1, делителя частоты 11 и частотомера 12, входы которых подключены к выходу генератора 1, а выход делителя подключен ко второму входу модулятора 2, при этом выход модулятора 2 подключен ко второму входу первого фазового детектора 5, а выход первого амплитудного детектора 6 подключен ко второму входу второго фазового детектора 8.

Устройство работает следующим образом.

С помощью генератора ультразвуковых колебаний 1, делителя частоты 11 и модулятора 2 Формируют амплитудно- модулированный сигнал, который поступает на измерительный акустический преобразователь 3 и затем на усилитель

4. Сигнал модулирующей частоты выделяется на амплитудных детекторах 6 и

7 и поступает на второй фазовый детектор 8. Пусть при включении устройства на выходе второго фазового детектора

8 будет постоянный сигнал. Коммутатор

9 подключает выход второго фазового детектора к входу блока перестройки частоты 10, который, н частности, может врыть интегральным или пропорционально-интегральным звеном. При этом начинает работать контур калибровки по модулирующей частоте. Блок перестройки частоты 10 управляет частотой генератора и, следовательно, частотой модулирующего сигнала, получаемого на выходе делителя частоты 11. При .постижении нуля на выходе второго фаъового детектора 8 коммутатор 9 отключает его и подключает к вхбду блока перестройки частоты 10 выход первого фазового детектора 5. Блок перестройки частоты изменяет частоту генератора 1 до получения нуля на ныходе первого фазового детектора 5 ° При этом значение несущей частоты, измеренное частотомером 12, будет пропорционально значению скорости ультразвука в веществе. Величина сигнала на выходе фазового детектора 8 изменяется незначительно.

Дальнейшие изменения скорости ультразвука и вещестне устройство будет отслеживать, изменяя пропорционально

599205 разности Фаэ по модулирующей частоте, фиксируют фазовый сдвиг по несущей частоте, после .чего изменяют полученное значение несущей частоты до нуле5 вой разности Фаз по несущей частоте и по полученному значению несущей частоте судят о скорости ультразвука.

2. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее последовательно соединенные генератор ультразвуковой частоты, модулятор, измерительный акустический преобразователь, усилитель и первый фазовый детектору а также подключенный к выходу модулятоРа первый амплитудный детектор и подключенные к выходу усилителя последовательно соединенные второй амплитудный детектор и второй фазовый детектор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что в устройство введены блок перестройки частоты, подключенный к входу генератора ультРазвуковой частоты, частотомер и делитель частоты, входы которых подключены к выходу генератора ультразвуковой частоты, а выход

28 делителя частоты подключен ко второму входу модулятора, и коммутатор, входы которого подключены к выходам первого и второго Фазовых детекторов, а выход †. к входу блока перестройки

30 частоты, при этом выход модулятора подключен ко второму входу первого фазового детектора, а выход первого амплитудного детектора- подключен ко второму входу второго фазового детек. тора. несущую и модулирующую частоты, причем будет работать контур по несущей частоте. Если вследствие резких внешних возмущений первый фазовЫй детектор 5 переходит на другой рабочий участок своей характеристики, то появляется сигнал яа выходе второго фазового детектора 8. Коммутатор 9 отключает цепь первого фазового детектора и подсоединяет к выходу блока перестройки частоты 10 выход второго

Фазового детектора 8 и повторяется режим калибровки, Возможно также использование двух самостоятельных контуров по модулирующей и несущей частотам с раздельными перестраиваемыми генераторами. В этом случае добавляется контур сведения частот, осуществляющий пропорциональное изменение несущей и модулирующей частот. Но, в сущности, такая схема является модификацией делителя частоты 1 1.

Предлагаемый способ позволяет устранить погрешность за счет нестабильности реверберационной картины в измерительном акустическом преобразователе и, следовательноу повысить точность измерения скорости ультразвука.

Диапазон измеряемых скоростей в предлагаемом способе не имеет принци пйальных ограничений.

Формула изобретения

1. Способ определения скорости ультразвука, основанный на возбужде- . нии в исследуемои среде амплитудномодулированного сигнала, приеме его на фиксированном расстоянии и измерении сдвигов фаэ принятого сигнала по модулирующей и несущей частотам, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью ювышения точности измерений, несущую и модулирующую частоты .амплитудно-модулированного сигнала одновременно пропорционально изменяют до нулевой

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе.:

1. Авторское свидетельство СССР

40 Ф 373610, кл. & 01 К 29/00, 1973.

2. Авторское. свидетельство СССР

М 437008, кл. G 01 К 29/00, 1974.

3. Авторское свидетельство СССР

9 340958, кл. & 01 К 29/00, 1972.

4, Сборник Новая аппаратура и методика ее применения в народном .хозяйстве, Красноярск, 19бб, Германов С.К., Шитников Ш.Й., Приборы серии УФИ,с. 54.

ЦНИИПИ Заказ 1400/35

Тираж 1112 Подписное

Филиаг ППП Патент

Г .УжГОРОЦ Ул,ПРОектная 4