Способ определения скорости ультразвука

 

Сущность изобретения: в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале - импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при возбуждении обоих каналов, затем из импульсов автоциркуляции образуют последовательность опорных электрических импульсов с частотой автоциркуляции и последовательность электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного канала. Затем используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, подсчитывают высокочастотные импульсы, заполняющие эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени. 1 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю материалов, веществ и изделий по скорости распространения ультразвуковых колебаний и может быть использовано для определения функционально зависящих от скорости ультразвука параметров и показателей жидких и газообразных сред.

Известен способ определения скорости ультразвука, заключающийся в том, что в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов, образуют последовательность опорных электрических импульсов с частотой автоциркуляции и последовательность электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного канала, используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, а о скорости ультразвука судят по общему числу высокочастотных импульсов, заполняющих эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени [1] Известный способ характеризуется пониженной точностью.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототип) является способ определения скорости ультразвука, заключающийся в том, что в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов, образуют последовательность опорных электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного канала, используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, а о скорости ультразвука судят по общему числу высокочастотных импульсов, заполняющих эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени, которые получают от стабильного генератора, формируют контрольные интервалы времени, равные времени распространения акустического импульса в контролируемом канале, а за измерительный интервал времени принимают промежуток времени, в течение которого общее количество высокочастотных импульсов, заполняющих контрольные интервалы, достигнет фиксированного числа [2] Недостаток способа в том, что он обладает погрешностью дискретности, которая возникает в результате квантования (формирования пачек импульсов), так как начало и конец измерительного интервала может не совпадать с одним из импульсов измерительной частоты.

Сущность изобретения достигается тем, что в известном способе определения скорости ультразвука, при котором в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов, образуют последовательность опорных электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного канала, используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, подсчитывают высокочастотные импульсы, заполняющие эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени, и определяют скорость ультразвука по количеству высокочастотных импульсов, измеренных с помощью счетчика, который перед подсчетом снабжают дополнительными разрядами, аналогичными имеющимся, количество которых определяют по формуле: n lg (1) а скорость ультразвука определяют без учета количества импульсов в n младших разрядах.

Предлагаемый способ реализуется устройством, приведенным на чертеже.

Устройство содержит контролируемый канал автоциркуляции электроакустических импульсов, содержащий последовательно соединенные синхронизируемый генератор 1, излучатель 2 колебаний, контролируемую среду 3, приемник 4 колебаний, усилительно-формирующий блок 5 и формирователь 6 контрольного интервала, причем вход генератора 1 соединен с входом формирователя, а также эталонный канал, представленный последовательно соединенным излучателем 7 колебаний, эталонной средой 8, приемником 9 колебаний, усилительно-формирующим блоком 10 и формирователем 11 эталонного интервала, причем вход излучателя 7 соединен с выходом генератора 1 и вторым входом формирователя 11.

Устройство также содержит последовательно соединенные генератор 12 стабильных колебаний, каскад 13 совпадений, делитель 14 частоты, второй каскад 15 совпадений и счетчик 16 импульсов, причем выход формирователя 6 соединен с вторым входом каскада 13, выход формирователя 11 с вторым входом каскада 15, третий вход которого соединен с вторым выходом генератора 12.

Способ осуществляется следующим образом.

Генератор 1 вырабатывает электрические импульсы, которые поступают на вход излучателя 2, преобразуются в акустические импульсы, проходят контролируемую среду 3, приемник 4, преобразуются в электрические импульсы, поступают на вход усилительно-формирующего блока 5 и далее на вход генератора 1, вызывают повторный цикл автоциркуляции электроакустических импульсов, а также поступают на вход формирователя 6, формируются и поступают на второй вход каскада 13, управляя прохождением высокочастотных импульсов с периодом Т_о с выхода генератора 12 на вход делителя 14, имеющего коэффициент деления К_д.

При измерениях скорости С ультразвука, например, в воздухе С 335 м/с, при значении частоты f генератора 12 f 10⁵ Гц, К_д 10⁵, имеем пять разрядов для индикации результата. При этом наблюдается погрешность дискретности, которая возникает в результате квантования (формирования пачек импульсов), так как начало и конец измерительного интервала t_и не совпадает с одним из импульсов измерительной частоты.

Вследствие чего при формировании каждой пачки возможно существование упомянутой погрешности дискретности, которая оценивается следующим образом.

Определим период Т автоциркуляции электрических импульсов, равный T (2) где Т время появления пачек; l расстояние между пьезопреобразователями в контролируемом канале; С скорость звука в воздухе.

При l 0,075 м Т 0,223˙10^-3 с число F пачек за интервал t_и 1 с составляет F 4460 (3) С учетом времени счета t_и 1 с и числа пачек импульсов максимальная погрешность дискретности ΔN 4460˙2 8920, т.е. в прототипе имеется инструментальная (методическая погрешность), которая приводит к тому, что показания первых 3-4-х разрядов счетчика должны быть нестабильны. Однако эксперименты не подтверждают этого. Причина в том, что эта погрешность поддается статистической обработке за счет усреднения получаемых результатов, что в данном устройстве производится автоматически, так как время счета t_и 1 с. При этом согласно (3) точность усредненного результата пропорциональна корню квадратному из усредняемых отдельных результатов, т.е. реальная погрешность ΔΝʹ 94,5 отражается на работе n младших разрядов.

Предлагается в состав счетчика ввести дополнительно n разрядов, аналогичных имеющимся, но без выхода результата на индикацию, причем включить их перед младшими разрядами счетчика.

Число N_к импульсов с длительностью Т_к' (контрольный интервал) и периодом Т_к автоциркуляции, поступивших с выхода формирователя 6 на вход каскада 13 в течение измерительного интервала, определяется из условия:
N_кТ_к' К_дТ_о, (4) откуда
N_к= (5) где Т_к' время распространения импульса в акустической среде контролируемого канала.

Импульсы с выхода генератора 1 поступают также на второй вход формирователя 11 и, пройдя через излучатель 7, эталонную среду 8, приемник 9 и блок 10, поступают на первый вход формирователя 11, на выходе которого формируются импульсы с периодом Т_к автоциркуляции длительностью Т_э', равной времени распространения импульса в акустической среде эталонного канала.

С выхода формирователя 11 импульсы поступают на второй вход каскада 15, управляя прохождением высокочастотных импульсов с выхода генератора 12 на вход счетчика 16.

Общее число N_x высокочастотных импульсов, заполняющих N_к эталонных интервалов времени длительностью Т_э' каждый в течение измерительного интервала N_кТ_к, с учетом выражения (5) равно:
N_x= ·N_к= K_д (6)
Следовательно, результат измерений по описываемому способу, принимая во внимание обратную пропорциональность времени распространения акустических колебаний в среде и скорость ультразвука, может быть записан в виде:
N_к= K_д (7) где С_к скорость ультразвука в контролируемом канале;
С_э скорость ультразвука в эталонном канале.

При выборе условий физической реализации способа достаточно ограничиться соотношением
Т'_к≥Т_э, справедливым для известного способа.

Величина порядка n получена, исходя из следующего.

Если результат нестабильных измерений по данному способу представить в виде
ΔN' m˙10ⁿ, (8) где m мантисса числа;
n порядок числа, то значение порядка n представляется следующим образом из соотношений (3) и (4):
F (9)
Максимальная абсолютная погрешность измерения по известному способу равна:
ΔF F·2 (10)
Общее число высокочастотных импульсов, по которому судят о максимальной абсолютной погрешности скорости ультразвука, представим в виде, согласно (3):
ΔΝʹ m·10ⁿ
(11) где 0,1≅m < 1.

Используя соотношение (11), запишем:
m·10ⁿ (12) откуда
10ⁿ (13)
n lg что совпадает с формулой (1).

В соответствии с изложенным в состав счетчика 16 дополнительно введены n разрядов, аналогичных имеющимся, но без вывода на индикацию, причем включены они перед младшими разрядами счетчика.

В результате погрешность дискретности сохранится в n добавленных к счетчику младших разрядах, но поскольку они не выводятся на индикацию, то о существовании этой погрешности мы знать не будем. В результате чего точность измерения скорости ультразвука возрастает на 2 3 порядка.

Пооперационное выполнение способа сводится к тому, что в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов. Затем из импульсов автоциркуляции образуют последовательность опорных электрических импульсов, а из импульсов, прошедших эталонный канал, также формируют импульсы и используют их совместно с опорными импульсами для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале. Далее, используя импульсы автоциркуляции, формируют контрольные интервалы времени, равные времени распространения акустического импульса в контролируемом канале.

Затем получают высокочастотные импульсы от стабильного генератора, заполняют высокочастотными импульсами контрольные интервалы и одновременно начинают заполнять высокочастотными импульсами эталонные интервалы, подсчитывая число этих импульсов. В момент времени, когда общее число высокочастотных импульсов, заполняющих контрольные интервалы, достигает фиксированного числа, прекращают заполнение высокочастотными импульсами эталонных интервалов, исключают n-младших разрядов, определяемых соотношением:
n lg где n порядок числа; m мантисса числа; t_и время счета; С скорость звука в среде; l расстояние между пьезопреобразователями в контролируемом канале; и судят о скорости ультразвука без учета количества импульсов в n младших разрядах.

Описанный способ позволяет на несколько порядков повысить точность измерений скорости ультразвука.

Формула изобретения

Способ определения скорости ультразвука, заключающийся в том, что в контролируемом канале устанавливают режим автоциркуляции электроакустических импульсов, а в эталонном канале импульсный режим прохождения электроакустических импульсов при одноврменном возбуждении обоих каналов, образуют последовательность опорных электрических импульсов с частотой автоциркуляции и последовательность электрических импульсов той же частоты повторения, сформированных после прохождения акустическим сигналом эталонного канала, используют обе указанные последовательности для формирования эталонного интервала времени, равного времени распространения акустического импульса в эталонном канале, подсчитывают высокочастотные импульсы, заполняющие эталонные интервалы в течение измерительного интервала времени, и по количеству высокочастотных импульсов, измеренных с помощью счетчика в сформированном интервале, определяют скорость ультразвука, отличающийся тем, что перед подсчетом высокочастотных импульсов счетчик снабжают дополнительными n разрядами, аналогичными имеющимся, включенными перед младшими разрядами счетчика, количество которых n определяют по формуле

где t_и время счета;
c скорость ультразвука в среде;
l расстояние между пьезопреобразователями в контролируемом канале;
m мантисса числа,
а скорость ультразвука определяют без учета количества импульсов в n младших разрядах.

РИСУНКИ

Рисунок 1