Измеритель скорости звука

 

Изобретение относится к технике акустического контроля и может быть использовано для контроля скорости распространения акустических колебаний в жидких средах. Целью изобретения является повышение точности измерения. Принцип действия измерителя заключается в следящем уравновешивании времени прохождения исследуемой среДы акустическими колебаниями длительностью временного интервала, пропорциональной периоду выходной частоты измерителя. Повышение точности измерителя достигнуто за счет стабилизации пульсаций выходной частоты на минимальном уровне. 2 ил,

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (1l) (я)э G 01 H 5/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4934247/28 (22) 05.05.91 (46) 15.08.93. Бюл. hh 30 (71) Научно-производственное объединение космических исследований (72) А.M.Èçìàéëîâ, Е.В.Митрофанова, Г,П.Казарова и Н.А.Насибов (73) Институт космических исследований природных ресурсов Азербайджанского национального космического агенства (56) Авторское свидетельство СССР

3Ф 954873, кл. G 01 Н 5/00, 1981.

Приборы и техника эксперимента, 1990, М 5. с.204-206.

Изобретение относится к технике акустического контроля и может быть использовано для контроля скорости распространения акустических колебаний (звука) в жидких средах.

Цель изобретения — повышение точности измерения, На фиг.1 изображена блок-схема.заявляемого измерителя; на фиг,2 — временные диаграммы, поясняющие работу блок-схемы.

Измеритель скорости звука, блок-схема которого приведена на фиг.1, содержит регистратор 1, обьединенный входом со входом делителя 2 частоты и выходом управляемого генератора 3, подключенного входом к интегратору 4, выход задающего генератора 5 соединен со входом генератора 6 возбуждающих импульсов, выход источника 7 тока подключен к первому входу прерывателя 8тока, подключенный первым (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА (57) Изобретение относится к технике акустического контроля и может быть использовано для контроля скорости распространения акустических колебаний в жидких средах. Целью изобретения является повышение точности измерения. Принцип действия измерителя заключается в следящем уравновешивании времени прохождения исследуемой среды акустическими колебаниями длительностью временного интервала, пропорциональной периоду выходной частоты измерителя. Повышение точности измерителя достигнуто за счет стабилизации пульсаций выходной частоты на минимальном уровне. 2 ил. входом к выходу делителя 2 частоты, распределитель 9 импульсов соединен первым выходом с управляющим входом ключа 10 разряда, второй вход которого, объединенный с выходом прерывателя 8, соединен с первым ваводом времязадающего конденсатора 11, объединенного вторым выводом с выходом ключа 10 и заземленными, второй выход распределителя 9 подключен ко второму управляющему входу прерывателя 8, электроакустический преобразователь 12, погруженный с отражателем 13 в исследуемую среду, подключен к выходу генератора

6, объединенного со входом ограничителя

14 импульсов, подсоединенного выходом ко входу компаратора 15 приемного сигнала, второй источник 16 тока, объединенный по входу с источником 7, сравнивающий блок

17, соединенное первым входом с первым выводом времязадающего конденсатора 11, выход сравнивающего блока 17 соединен с

1835054 первым входом 9 триггера 18, подключенного первым, вторым выходом к одноименным входам RS-триггера 19, выход которого соединен со входом интегра.ора 4, выход ком-, паратора 15 подключен к первому входу второго распределителя 20 импульсов, выход источника 16 тока соединен с первым входом второго прерывателя 21 тока, соединеннога выходом с первым входом второго ключа 22 разряда, второй вход которого подкгпочен к первому выходу распределителя 20, соединенного вторым выходом со вторым входом прерывателя 21 тока, второй времязадающий конденсатор 23, подключенный первым, вторым, выводами параллельно первому входу и выходу ключа 22, соединенному с шиной "земля", первый вывод конденсатора 23, объединенный с выходом прерывателя 21 и первым входом ключа

22, подключен ко второму входу сравнивающего блока 17, второй вход и третий выход распределителя 9 объединены и подключены к первому входу элемента 24 И, второй вход которого соединен с объединенными вторым входом и третьим выходом распределителя 20, выход элемента 24 И подключен к объединенным второму входу триггера

18 и входу формирователя 25 корректирующих импульсов, выход котарага падкл!Очен к абьединснным третьим входам распр делителеri 5,20 и RS-триггера ",9.

В качестве регистратора l, например, r 0êíD использовать электронно-счетный частотомер типа 3-34, счетчиковый делитель 2 ьыполнен на и/с 564 ИЕ9.

Измеритель работает следующим образам, Импульсы 26 зада ащега генератора 5, работающего с постоянной частотой (2,5 кГц) поступают на вход BHGpBTopB 6 вазбужда ащих импульсов, формирующего короткие импульсы (27-1) ударного возбуждения, воздействующие на преобразов лель 12 измсрителя. Образованный при возбуждении преобразователя 12 акустический импульс, после зондирования среды и отражения от отражателя 13 будет частично приниматься преобразователем 12 в виде электрического приемнсч-о сигнала (27-П), а час ично отражаясь от лицевой поверхности последнего, вновь зондировать среду после отражения от отра:кателя 13 приниматься преобразователем 12 в виде второго электрического приемного сигнала (27-LLl).

Длительность г между двумя приемными сигналами (27-П, 27-Ш) будет равна т = —, L где L — длина акустической базы электроакустическога преобразователя; С вЂ”. скорость звука в среде.

Сигналы с выхода (входа) преобразователя 12 после ограничения по амплитуде ограничителем 14 нормируются по амплитуде и длительности компаратором 15 (28-1, 5 28-П; 28-Ш). Импульс 28-1 вызывается ударным возбуждением, импульсы 28-П и 28-Ш вЂ” приемные сигналы, УкаЗанная последовательность импульсов воздействует на счетный вход С распределителя 20.

Импульсом 28-1 на выходе 1 распределителя 20 формируется сигнал 30 высокого логического уровня, который, воздействуя на управляющий вход — V ключа 22, вызывает замыкание его коммутирующего входа и выхода. Это обеспечивает шунтирование выводов конденсатора 23 и его разряд, При этом коммутирующий вход и вход прерыва- теля 21 находятся в разомкнутом состоянии и ток источника 16 не вызывает падения напряжения на замкнутых выводах ключа

22, Введение прерывателя 21 тока. позволяет снизить остаточное напряжение на конденсаторе 23 при разряде до минимального значения (2 — 4 mB) и., следовательно, обеспечить его незначительные изменения при воздействии внешних факторов.

Импульсы (28-П) на выходе 2 распределителя 20 формируется сигнал 31 высокого логического. уровня и прекращается шунтирование выводов конденсатора 23, так как на управляющем входе ключа 22 будет действовать слгнал низкого логического уровня. Сигнал 31, воздействуя на управляющий вход V прерывателя 21, будет вызывать замыкание его коммутирующего входа и выхода, Это будет приводить к заряду конденсатора 23, током !ы и возрастанию напряжения на нем с постоянной крутизной (диаграмма 32 — фиг.2).

Импульсом 28-LLl на выходе 3 распределителя 20 формируется сигнал 33 высокого уровня и прекращается заряд конденсатора

23 (коммутирующий вход и выход прерывателя 21 размыкается, так как на управляю45 щем входе V последнего будет действовать сигнал низкого уровня).

Значение напряжения на конденсаторе

23 в момент прекращения его заряда будет определяться известным выражением Uzg = !

16 Т, где С2з-емкость конденсатора 23.

С23

Сигнал 33 поступает как на вход СЕ распределителя 20, вызывая его блокирование, так и на первый вход логического элемента И 24.

Импульсы управляемого по частоте генератора 3 через делитель 2 поступают на счетный вход С распределителя 9 (диаграмма 34 на фиг 2).

1835054

Сигналом 36 (фиг.2), сформированным на выходе 1 распределителя 9, через ключ

10 осуществляется разряд конденсатора 11.

Сигналом 37 (фиг.2), сформированным на выходе 2 распределителя 9, прерыватель

8 подключает конденсатор 11 к выходу источника 7 тока. Это приводит к заряду конденсатора 11 током и возрастанию напряжения на нем с постоянной крутизной (диаграмма 38 — фиг.2).

При формировании сигнала 39 — фиг,2 на выходе 3 распределителя 9 заряд конденсатора 11 прекращается и значение напряжения на нем B этот, момент времени определяется известным выражением V11 =

4 Т, где Т вЂ” период импульсов на входе

С11 распределителя 9; C11 — емкость конденсатора 11, Сигнал 39 (фиг.2) поступает как на вход CE распределителя 9, вызывая его блокирование, так и на второй вход логического элемента И 24.

Сигнал 40 (фиг,2) высокого уровня, сформированный на выходе элемента И 24, при совпадении сигналов на его входах, воздействует как на вход С триггера 18, так и на вход формирователя 25 корректирующих импульсов.

Сигнал 40 (фиг. 2), воздействующий на

С-вход триггера 18, будет изменять его положение, если на выходе сравнивающего блока 17 будет действовать сигнал высокого уровня, что будет соблюдаться при V1(> 02з.

Если принять, что l7=!16 и С11= C23, То триг гер 18 изменит свое положение при Т> т, В противном случае (l)«< U2; и Т< т) изменение положения D-триггера 18 не происходит. Импульс 41 (фиг.2), сформированный на выходе формирователя 25, будет воздействовать на входы распределителей

9 и 20 и вход V чтения RS-триггера 19.

Воздействие импульса 41 (фиг.2) на входы V распределителей 9 и 20 приводит к установке последних в исходное состояние (на выходах 0 распределителей 9 и 20 действуют сигналы высокого уровня — диаграммы 29 и 35 фиг.2).

Воздействие импульса 41 (фиг,2) на вход V чтения триггера 19, и иводит к формированию на выходе последнего сигнала высокого (низкого) уровня — если произошло (не произошло) изменение положения три ггера 18. Си гн ал в ы со кого (низкого) уровня будет вызывать повышение (понижение) напряжения на выходе интегратора

4, являющегося входным для управляемого генератора 3, При этом повышение (понижение) этого напряжения приводит к повы5

50 шению (понижению) частоты f колебаний последнего.

В установившемся режиме работы измерителя будет происходить чередование условий Ч11< U23 (Т > т) и 011< 023 (T< т). B этом режиме усредненные значения указанных напряжений (длительностей) будут равныы, т.е. 011= 02з и Т- t, так ка к Т = —, где К

К

f — коэффициент деления счетчикового делителя 2, ит= —, то f(4 c

С L

В схеме измерителя равенство токов lz и 11в достигнуто выполнением их схем идентичными и использованием для источников

7 и 16 тока единого опорного элемента (стабилитрона Д 818 Е), включенного между выводом плюс источника питания и неинвертирующими входами операционных усилителей источников (140 2УД20А).

Диаграмма сигналов на фиг.2 приведена иэ предположения, что распределитель 9 начинает работать раньше распределителя

20. В противном случае картина меняется на противоположную.

Таким образом, в предлагаемой схеме сохранено положитель.",оедостоинство прототипа — в качестве сигнала измерительной информации используется длительность временного интервала между двумя приемными сигналами и дальнейшее повышение точности пульсации управляющего напряжения. Частота пульсации в данном случае задается задающим генератором 5.

Кроме укаэанного, в предлагаемой схеме измерителя достигнуто повышение быстродействия при малых скоростях звука вследствие того, что частота зондирования принята максимальной и не зависит от значения скорости звука.

В предлагаемой схеме измерителя

L-100 мм, К =- 100, выходной сигнал 140000—

155000 Гц соответствуюгций диапазону

140000-155000 см/с, отклонение от линейности не хуже + 4,5 см/с (в прототипе " 6 см/с). Достигнуто уменьшение времени установления выходного сигнала на 0,06 с по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Измеритель скорости звука, содержа. щий последовательно соединенные первый ключ, сравнивающий блок, D-триггер, RCтриггер, интегратор, управляемый генератор, делитель частоты и первый распределитель импульсов, связанный первым выходом с вторым входом первого ключа, выход которого предназначен для заземления, первый конденсатор, параллельно подключенный к первому входу и

1835054 выходу первого ключа, последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов, электроакустический преобразователь, ограничитель импульсов и компаратор, источник тока и регистратор, подклю- 5 ченный К выходу управляемого генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен первым прерывателем тока. сигнальный вход которого соединен с выходом первого источника 10 тока,. управляющий вход — с вторым выходом первого распределителя импульсов, а выход — с первым входом сравнивающего блока, задающим генератором, подключенным к входу генератора возбуждающих им- 15 пульсов, последовательно . соединенными вторыми источником тока, прерывателем тока и вторым ключом, выход которого предназначен для заземления, вторым конден20 сатором, параллельно подключенным к первому входу и выходу второго ключа, вторым распределителем, счетный вход которого подключен к выходу компаратора. первый выход — к второму входу второго ключа, а второй выход — к управляющему входу второго прерывателя тока, и последовательно соединенными элементом И и формирователем корректирующих импульсов, выход которого подключен к установочным входам

RC-триггера.и распределителей импульсов, третьи выходы распределителей связаны соответственно с собственными входами блокировки и входами элемента И, выход которого подключен к С-входу D-триггера, выход второго прерывателя тока связан с вторым входом сравнивающего блока, а опорные входы источников тока объединены.

1835054

Составитель А.Измайлов

Техред М.Моргентал Корректор С.Пекарь

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2712 Тираж Подписной

8НИИПИ Государственнога комитето по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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