Ультразвуковой интерферометр постоянной длины

Ультразвуковой интерферометр постоянной длины

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(72) Автор изобретения

В. А. Сукацкас (73) Заявитель

Каунасский политехнический институт им, Аитанаса Снечкуса (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР ПОСТОЯННОЙ ДЛИНЫ

Изобретение относится к технической акустике и может найти применение при разработке устройств, предназначенных для цифрового измерения скорости распространения ультразвуковых волн в газо5 вых, жидких и твердых средах.

Известно интерферометрическое устройство для измерения скорости распространения ультразвука, содержащее диапазонный генератор, подключенный к излучающему пьезопреобразователю, исследуемый образец постоянной длины, другой аналогичный пьезопреобразователь-гриемник, 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. 20

Однако 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 частота его должна быть разной (для сохранения заданного количества полуволн в столбике среды). Вышеуказанная частотная зависимость фазы приводит к появлению погрешности измерения, зависящей m 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 элсктроакустическую цепь диапазснный генератор, камеру с двумя преобразователямн, усилитель-формирователь и блок управлевия, а также частотомер, подключенный к выходу диапазонного генератора, и

684435 генератор-делитель меток времени, подключенный к блоку управления. Указанным устройством получают непосредственно цифровое значение скорости ультразвука согласно известной зависимости С=.

f где f — частота, f расстояние между s пьезопреобразователями O - количество полу@олн ультразвука в исследуемой среде на расстоянии P,,Д вЂ” поправка, зависящая от частотной зависимости фазы волны ультразвука при отражении от пре- 10 обраэователей.

Время пересчета частотомера ц 1 выбирается изменением периода меток времени, вырабатываемых генератором-делителем, исходя иэ условия;

1% где N -. коэффициент деления младших 20 декад частотомера, не используемых для отсчета. Поправка b неизвестна иопускается, что приводит к возникчовению фазовой погрешности измерения. Для уменьшения ее выбирают диапазон частот вблизи реэонан- И сной частоты преобразователей (при исследовании твердых тел) или половины ее (при исследовании жидкостей). На указан30 ных частотах поправка равна нулю (в обычном для практики случае, когда сзади преобразователей имеется воздух}, при расстройке от них в ту или иную сторону поправка меняет знак. Однако значительное уменьшение погрешности возможно только расчетом при известном акустиче- И ском сопротивлении исследуемой среды.

Целью иаобретения является устранение фаэовой погрешности изменения скорости ультразвука.

Укаэанная цель достигается тем, что в устройство введены частотный демодулятор, интегратор, исполнительный блок, :триггер, целитель с выходами в позиционном коде и переключателем, индикатор, 45 основной и дополнительныи высокочасточ ные кюпочи, основной и дополнительный ключи меток и двухпозиционный переключатель, при атом основной высокочастотный ключ включен между выходом диапазонноS0 го генератора и входом частотомера, который также соединен с последовательной цепью, состоящей иэ дополнительного вы-. сокочастотного ключа, частотного демодулятора, интегратора и цвухпозиционного

И переключателя, связывающего выход ин тегратора в одном положении с инцикаl тором, а в другом - с дополнительным

4 блоком, 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 ис-полнительному блоку через переключатель, подвижной K|HTBKT 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 управленн.r, 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 пьеаоиапучателю 2 (кварцевой или керамической пластинке), вмонтированному в камеру 3 постоянной цлины, заполненную исспецуемым вешеством. Пьезоприемник 4, аналогичный излучателю 2, также вмонти . рованный в камеру 3, подключен к входу бчока 5 усиления формирования, выход которого соецинен с входом блока 6 управления. Выход блока 6 соединен с входом насч « 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 переключателем 18. На управление основным высокочастотным ключом 7 и основным клю684435 чом 15 меток подсоединен выходной сигнал триггера 19, который также подан в блок 6 управления.

Выход блока 6 управления связан с генератором-делителем 14 меток времени и с дополнительным ключом меток 5

20, Блок 6 управления выполнен, например, в виде экстремум-регулятора, обеспечивающего настройку генератора 1 на акустический резонанс, перестройку на соседний резонанс по сигналу с триггера 19 и выдачу управляющих сигналов после настройки.

Причем Q. (фиг. 2) — частотная зависимость модуля напряжения пьезоприемника

4 и временная зависимость частоты генера-1 тора 1; К- выходные импульсы генератора-делителя меток времени 14; g — интервал времени, в течение которого замкнут ключ 9, а частотомер производит счет, t -импульсы напряжения, снимаемые с

И подвижного контакта переключателя 18 и с триггера 19; g - выходной сигнал блока 6, размыкающий на время ключ 20, C. и Ж- выходные напряжения

25 частотного демодулятора 10 и интегратора 11-13 соответственно.

В исходном состоянии ключи 7 и 15 аамкнуты, 20 и 9 разомкнуты, делитель

16 погашен выходное напряжение интегю

30 ратора 11-13. равно нулю, переключатель

1S подключен к -тому из выходов позиционного кода 17.

Интерферометр работает следующим образом.

Ультразвуковые волны, излучаел ые пьезоизлучателем 2, который возбуждается напряжением генератора 1, распространяются в исследуемом веществе в камере 3 в сторону пьеэоприемника 4 и частично отра- жаются от него, частично преобразуются им в электрические колебания, усиливаемые усилителем блока 5. Генератор 1 с помощью блока 6 управления настраивается на самый близкий к частоте У„ акустический реаонанс с частотой f< 7 f и количеством полуволн в камере ру (частота в зависимости. от исследуемой среды либо резонансная частота преобразователя, либо половина ее). После настройки блоком sp

6 запускается генератор-делитель 14 меток.

Выходной импульс делителя 16, пропускающего первый (после настройки) и р-ый (р-емкость делителя) импульсы блока 14 ss поступает в момент » на частотомер 8 и аамыкает ключ 9. Периоды напряжения генератора 1 подсчитываются частотомером

8, поставленным в режим измерения отношения частот. Это напряжение поступает также на частотный демодулятор 10 с частотой настройки, и выделяется на выходе его в виде постоянного напряжения (фиг. 2 а,б,в,е). С приходом очередногоо импульса блока 14 на вход делителя 16 (кольцевого или обычного, снабженного дешифратором) сигнал появляется на следующем из выходов позиционного кода 17.

Это продолжается до появления сигнала на 1" -том выходе 17 блока 16 (фиг.

2,г), который соединен с подвижным контактом переключателя 18.

Этот сигнал воздействует на вход трит гера 19, выходным напряжением которого в 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 воа действует на блок управления 6, Сигнал блока 6 управления автоматически (или полуавтоматически) начинает. перестраивать генератор 1 на соседний акустический резонанс с частотой fg(меньшей j ) и количеством полуволн, на единицу меньшим, т.е. и -1, а также переключает частоту меток времени генератора-делителя

14. Период меток времени в обоих случаях согласован с количеством полуволн в соответствии с выражением (1), С момента времени t, пропадает напряжение на выходе частотного демодулятора 10, а на выходе интегратора 11-13 сохраняется напряжение, имевшееся в ламент времени (графики 28,29).

По окончании настройки генератора 1 (момент ), сигналом с блока управления 6. замыкается ключ 20 (график 27).

Первый (после перестройки) импульс с блока 14 в момент tq возвращает триг гер 19 в исходное состояние, и на вход делителя 16 не проходит.

Ключи 7 и 15 опять замыкаются. Напряжение генератора L опять поступает на вход частотомера 8 и частотного демодулятора 10, На выходе его выделяется напряжение противоположной чем в первом случае полярности, поскольку / z ф

Процесс измерения заканчивается с заполнением делителя 16 р -тым импульсом блока 14 в момент 1у, выходной сигнал которого поступает на частотомер 8 и размыкает ключ 9. Частотомер 8, работаюший в режиме измерения отношения частот показывает величину, равную сумме перио684435

8 дов напряжения, поступивших на высокоч, стотпый вход за время между двумя импульсами, поступившими на низкочастотный вхон, т.е. ев время (8я 4 ). В интервале 4 g вхОд частОтомера ПО средством ключа 7 отключен и все время пересчета равно(Z — 81 ) + (у 14. ), иэ него t>-j соответствует настройке на частоту gg, а .-Ц - настройке на f . Всему времени пересчета соответствует общее количество P меток

96 вре 1ени, период которых, согласно выражению (1) пропорционален — при настройке на Я и при настройке на . За время /д - 81

9Я

КОТОРОМУ СООтВЕтотВУЕт 1 - мЕтОК ДСтотомер накапливает сумму > p за время 89-6,, котором сор а ствует З=Р "1" меток - сумму Ills=.< а показания его равны Ф1 + Фд

39

Точное значение скорости на частотах или f выражается следующим образом с= f eI.zf E я:байя-g-. я е-явт, n-7 737; rr) q где 89, б — поправки к числу полуволн.

B области реэойансной частоты преобриазователей или частоты в два раза меньшей (они обозначены как f ) поправки зависят от частоты линейно и равны соответственно (,- )=Nf и K(fg-f )=-Kd f, где К вЂ” коэффициент пропорциональности, зависящий от величин... удельных акустических сопротивлений исследуемой среды и, вещества преобразователей. Числа Ф и

М ф с учетом выражения (2) имеют вид р 8f f r zfe zf,8 d )

Р и -Р n d; Ж3", l= 4е

-=- w(C»cgdf-), (з)

8 СК46

ly.-=-;- С- .—. ). (4)

Показания частотомера с учетом выра4$ жений (3) и (4) равны:

В= Ц.И,=С вЂ” (, - n i.(5)

СК 58fд гфГ 1

Иэ выражения (5) вытекает, что в резульЮО тате измерения будет практически отсутcTBoBBvb погрешность, т,е. = Q, если

r =-8—

af Лг. п и-1 (6)

Необходимые числа /" и S определяем по выходному напряжению интегратора

11-13 следующим образом. В течение времени 8 - 9 на выходе интегратора

11-13 напряжение, возрастает. до величины,пропорциональной f» --=1, а в течение времени ty- tg уменьшится на величину Я-4- 9- (фиг. 2 ж).

n-v

Если переключателем 23 выход интет ратора соединен с индикатором 2 1, то по величине и знаку индуцируемого им напряжения судят о том, в какую сторону переключать переключатель 18 и переключнот его. Если переключатель 23 замкнут на исполнительный блок 22, то последний переключает переключатель 18 до выполнения условия (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 выполt, нения условия (6) :в результате измерения отсутствует фазовая погрешность, а по окончанию измерения выходное напряжение интегратора11-13 близко к нулю, (см, также фиг. 2, правая часть). В случае изменения скорости ультразвука изменяются частоты / и /, и необходимое соотношение Г и 8 выбирается согласно указанному выше (фиг. 2 соответствует

P+g «P — ô ) å

Изобретение позволяет устранить пог решность измерения, зависящую от частоты ультразвука (т.е. и от скорости ульч развука, так как длина камеры постоянна), резонансной частоты преобразователей, и величин удельных акустических сопротивлений исследуемой среды и вещества преОбразователей. В самом первом после включения устройства измерении возмож« но, что установка переключателя 18 не будет соответствовать требуемой, и вышеуказанная погрешность не будет устранена полностью, но при этом погрешность не выше, чем устройства-аналога. В последующем правильное положение переключателя будет поддерживаться вручную или автоматически при любой скорости ультразвука, и фазовая погрешность будет отсут ствовать.

Формула изобретения

Угл.тразвуковой интерферометр посто.янной длины, содержащий соединенные в замкнутую электроакустическую цепь диапазонный генератор, камеру с двумя пре6Я4 435 образователями,усилитель- ормирое атель 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 и 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 переклюФЭ чателем, индикатор, основной и дополнительный высокочастотные ключи, основной и дополнительный ключи меток и двухпозиционный переключатель, при этом

13 основной высокочастотный ключ включен между выходом диапазонного генератора и входом частотомера, который также сс единен с последовательной цепью, состояаей из дополнительного высокочастотно20 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 низкочастотным входом частотомера и связан с дополнитеа.ным высокочастотным ключом, выход позиционного кода п лителя 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 управления, который также связан с дополнительным ключом меток и с генератором-делителем меток.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Иванов В. E. 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 B., Яронис Э..

Цифровой ультразвуковой интерферометр постоянной длины. Труды ВУЗов Пнт. (,СР, "Ультразвук", 1973, 5, с. 141-145, 684435

))

))

Фиг. 2

СоставителЬ В. Пирогов

Редактор И. Марховскаи Техред С. Мигай Корректор С. Шекмар

Заказ 5277/37 Тираж 1090 Подписное

UHHHllH осударственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4