Устройство для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука

 

— -в т г .е.цвчд;ц„ ; . Яиоям е веке..М5А

О П И С А Н И Е (655960

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВХОввсКОМу СВИдВТИЛЬСТВу

Союз Соавтских

Соцмалмстимескии

Республик (6l) Дополнительное к авт. свид-ву2 (5!) М; Кл. (22) Заявлено 01.02.77 (21) 2448096/18-10

Cj 01 М 29/02 с присоединением заявки № (23) ПриоритетГосударстввиный комитат

СССР ав делам изобретений и втирытий

{3публиковаио05 04.79.Бюллетень № 13 (53) УДК 534.232 (О88,8) Дата опубликования описания 08.04,79 (72) Авторы изобретения

A. П. Сарваэян H H. П. Харакоэ (71) Заявитель

Институт биологической физики АН СССР (54) УСТРОЙСТВО QJIH ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА

ПОГЛОШЕНИЯ И СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

УЛЬТРАЗВУКА

Изобретение относится к области ультразвуковых измерений и может быть использовано B химической промышленности; в научно-исследовательских и заводских лабораториях для анализа свойств и состава растворов по его акустическим параметрам, а также для непрерывной регистрации этих параметров.

Известны устройства для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука, содержащие интерферометрическую измерительную камеру постоянной длины с приемным и излучающим пьезопреобраэователями, диапазощый генератор, усилитель, детектор и измерительный блок (11.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения

20 ультразвука, содержащее измерительную камеру с излучающим и приемным пьезопреобразователями, диапаэонныйгенератор, подключенный ко входу излучающего пьезопреобразователя, частотомер и блок измерения девиапии частоты, подключенные к выходу генератора, последовательно, подключенные к приемному пьеэопреобразователю усилитель, линейный детектор, измерительный блок и блок настройки частоты (2 j.

Недостатком устройства является малая чувствительность к изменениям ско рости ультразвука и отсутствие достаточного временного разрешения при регистрации:быстропрорекающих процессов.

Чувствительность ограничена тем, что широкий диапазон качания частоты по резонансному пику обуславливает погрешность измерения как усредненной во времени частотът, так и ее - девиации.

Низкое временное разрешение обусловлено необходимостью накапливать большое число периодов качания частоты для достаточного усреднения.

Белью изобретения является повышение чувствительности устройства и увели655960 чение временного разрешения при регистрации быстропротекающих процессов.

Поставленная пель достигается за счет того, что в устройство для измерения коэффициента поглощения и .скс рости ультразвука, содержащее измерительную камеру с излучающим и прием ным пьеэопреобразователями, диапазонный генератор, подключенный ко входу излучающего пьезопреобрвзователя, частотомер, подключенный к выходу диапазонного генератора, и подключенные последовательно к выходу приемного пьезопреобразователя усилитель и линейный детектор, введены низкочастотный генератор, операционный усилитель, пиковый детектор, блок установки опорного напряжения, два ключа и осциллографический индикатор, причем входы операционного усилителя подключены через первый ключ к выходам линейного детектора и блока установки опорного напряжения, вход диапвзонного генератора через второй ключ подключен к выходам операционного усилителя и низкочастотного генератора, вход блока установки опорного напряжения через пиковый детектор подключен к выходу усилителя, а вход оспиллографичеекого индикатора - к выходу пиней36 ного детектора.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого устройства для измерения коэффициента поглощении и скорости распространения, ультразвукв.

Устройство содержит диапазоннгай ге35 нератор 1 с управляемой частотой, измерительную интерферометрическую камеру 2 постоянной длины с пьезоизлучателем 3 и пьезоприемником 4, усилитель

46

5, линейный детектор 6, пиковый детектор 7, блок 8 установки опорного налриженин, операционный усилитель 9, генератор 10 низкой частоты, осциллограф

11, частотомер 12, первый 13, и второй 14 ключи. Блок установки опорно го напряжения включает делитель 15„ нуль-индикатор 16, ключ 17, который может быть кинематически связан с ключом 14, и резистор 18.

Устройство работает следующим об. рюом..

Ручкой диапвэонного генератора 1 . частоту подводят к значению, близкому и максимуму Одного из резонансных пи И ков.

В режиме настройки системы ключ

14 устанавливают в положение, при котором генератор 10 соединен с управляюшим входом диапазо|пюго генератора

1 и замкнута цепь пуль-индикатора 16 в блоке 8. При этом генератор 1 вырабатывает частотно-модулированное напряжение, возбуждающее пьезоизлучатель

3, который излучает ультразвуковые волны, распространяющиеся в исследуемой среде, находящейся в интерферометрической ка мере 2. Ультразвуковые волны преобразуются пьезоприемником 4 в электрические колебания. Электрические колебания на выходе пьезоприемника являются амплитудно-модулированными в соответст вии с амплитудно-частотной характеристикой интерферометрической камеры 2.

Эти копебвния, усиленные усилителем 5, детектируются на пиковом детекторе 7, а полученное напряжение, соответствующее пиковому значению, подается на делитель устройства установки опорного напряжения, где оно делится в отношении (Я + R } : R = 1: 0,707. Напряжение средней точки потенциометра цри помощи нуль-индикатора 16 устанавливаеч ся равным напряжению средней точки делителя.

В результате на один из входов операционного усилителя подается напряжеь ние, равное 0,707 от О,„с,„резонанснсго пика. Затем систему переводят в режим измерения.

В режиме измерения цепь нуль-индикатора 16 разомкнута и управляющий вход генератора 1 соединен с выходом операционного усилителя 9. Сигнал с выхода усилителя 5, детектированный на линейном детекторе 6,: через ключ 13 подается на один из входов усилителя 9, на противофазный вход которого подано опорное напряжение с блока 8. Усилитель 9 является элементом цепи обратной связи и служит для сравнения напряжения с выхода линейного детектора 6 с опорным напряжением и для усиления полученного сигнала ошибки (разности двух напряжений). Сигнал ошибки с выхода операционного усилителя подается через ключ 14 на управляющий вход диапазонного генератора 1. Ключ 13 служит для перемены знака сигнала ошибки. При достаточном коэффициенте усиления операционного усилителя 9 автоматически устанавливается такая частота диапазонного генератора, что выполняется условие равенства напряжений на входах операпионного усилителя, причем частота устанавливается нв том склоне резонансного пика, который соответствует отрицательности обратной

C559r связи. Частота, измеренная частотомером

12, соответствует, таким образом, уровню

0,707 одного нэ склонов резонансного пика. Затем ключом 13 изменяют знак сигнала ошибки на противоположный и S снова измеряют частоту (при этом частота соответствует уровню 0,707 противоположного склона резонансного пика .

Разность полученных значений частож дает полуширину резонансного пика, однозначно связанную с энергопотерями в интерферометрической камере. Полусумма значений частот дает частоту максимума резонансного пика и определяется скоростью распространения ультразвука в исследуемой среде.

При исследовании быстрых изменений скорости ультразвука при неизменном поглощении в исследуемой среде возможны два режима измерения.

Если характерное время исследуемого пропесса много больше характерного времени цепи обратной связи, то систему фиксируют на одном склоне резонансного пика и непрерывно регистрируют показа 25 ния цифрового частотомера. Временное разрешение в этом режиме ограничено возможностями пифрового частотомера.

Если характерное время исследуемого процесса много меньше характерного времени цепи обратной связи, то частота, зафиксированная на одном из склонов, не успевает измениться за время измерения. При этом меняется напряжение на выходе детектора 6 в соответствии с изменением амплитудно-частотной характе ристики интерферометрической камеры, вызванным измеиением скорости в исследуемой среде. Регистрацию ведут осциллографом 11. Временное разрешение ограничено в этом случае постоянной времени установления интерференционной картины в камере. Этом предел определяется величиной энергопотерь в камере.

Оепь обратной связи играет роль стабилизатора частоты. Изменяя постоянную времени цепи обратной связи можно перекрыть весь возможный диапазон характерных времен исследуемых пропессов.

Высокая чувствительность предлагаемого устройства при измерении скорости распространения и поглощения ультразвука обеспечивается жесткой обратной связью, в качестве опорного элемента которой выступает интерферометричесхая камера с крутой амплитудно-частотной характеристикой на склоне резонансного пика.

Наличие обратной связи, кроме того, рыка понижает требования к частотной стабильности диапазонного генератора.

Предлагаемое устройство позволяет исследовать кинетику процессов во всем принципиально доступном для интерферометра диапазоне характерных времен.

Формула изобретвния

Устройство для измерения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвука, содержащее измерительную камеру с излучающим и приемным пьезо» преобразователями, диапаэонный генератор, подключенный ко входу излучающего пьеэопреобразователя, частотомер, подключешый к выходу диапазонного генератора, и подключенные последовательно к. выходу приемного пьеэопребразователя усилитель и линейый детектор, о тл и ч.а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и увеличе . ния.временного разрешения при регистрапии быстропротекающих процессов, в него введены низкочастотный генератор, операционный усилитель, пиковый детектор, блок установки опорного напряжения, два ключа и осциллографический индикатор, причем входы операционного усилителя подключены через первый ключ к выходам линейного детектора и блока установки опорного напряжении, вход диапазонного генератора через второй ключ,. подключен к выходам операционного усилителя и низкочастотного генератора, вход блока установки опорного напряжения через пиковый детектор подключен к выходу усилителя, а вход осциллографического индикатора - к выходу линейного детек тора»

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

% 372495, кл. G 01 и 29/00, 1971.

2. Кундротас К. и др. цифровой уль развуковой интерферометр постоянной длины. Минтис, Ультразвук, 1973, % 5, с. 141.

*, ° ° ю Ф

1 В ° е Ф

° gs ° «,т е"

655960

Составитель Е, Литвинов

Редактор О. Филиппова Техред К. Гаврон Корректор JI. Веселовская

Заказ 1507/34 Тираж 1089 Подписное

0НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4