Устройство для измерения скорости распространения ультразвука

Изобретение относится к акустиЧЕСКНМ изменениям и МОЖЕТ НЗЙТИ применение в химической, гидрометаллургической, машиностроительной и дРУ гих отраслях промьшшенности для ана 5 лиза состава твердых, жидких и газообразных веществ, для измерения концентраций, уровней, расходов раз лнчньш сред.10 Целью изобретения является повы шение точности измерений.На фиг. 1 представлена обобщенная блоксхема устройства для измерения скорости распространения ультразвука на фиг. 2 временные диаграммы работы устройства.Устройство для измерения скорости распространения ультразвука содержит последовательно соединенные опорный генератор 1, делитель 2 частоты, генератор 3 ЗОНДИРУЮШ 4 Х ИМПУЛЬСОВ,акустически связанные передающий д и приемные 5 преобразователи, предварительньй усилитель 6, линию 7 задержки, генератор 8 строб-импульсов, первую схему 9 совпадений, первый триггер 10, вторым входом подключенны к вьшоду генератора 3 зонднрующих импульсов, вторую схему 11 совпадений, вторым входом подключенную к выходу опорного генератора 1,и первый счетчик 12 импульсов, усилитель-ограничитель 13, включенный между вторым выходом предварительного усилителя 6 и вторьм входом пер 35 вой схемы 9 совпадений, временной селектор 1 д,состояшй из последовательно соединенным схем 15 задержки и ждущего генератора 16, вход схемы 15 задержки является входом времен- 40 ного селектора 14 и подключен к выхо 15ду генератора З зондирующих импуль сов, выход ждущего генератора 16 является выходом временного селектора1 Д и подключен к третьему входу пер 45 вой схемы 9 совпадений, регистратор17, последовательно соединенные умножитель 18 частоты, смеситель 19,усилительформроватепь 20, второй триггер 21, третью схему 22 совпаде 50 ний и второй счетчик 23 импульсов,умножитель частоты выполнен из т пос ледовательно связанны пар, каждаяиз которьщ содержит последовательно соединенные форммрователь 2 д-импуль- 55 сов и кварцевьй автогенератор 25,входом умножителя частоты являетсяпульсов, а вьшодом вьшод т го кварцевого автогенератора 25.т, второй вход первой схемы 9 совпаденийподключен соответственно к входу ум ножителя 18 частоты и вторым входам второго триггера 21 и второго счетчика 23 импульсов, вынод опорного генератора 1 подключен к второму входу смесителя 19 И второму входу третьей схемы 22 совпадений, входы регистратора 17 подключены к вышодам первого н второго счетчиков 12 и 23 импульсов. Позицией 26 обозначена контролируемая среда.Устройство для измерения скорости распространения ультразвука работает следующим образом.С выхода опорного генератора 1 колебания с частотой дд (фиг. 2 а),равной,например, 5 мГц, подаются на запускающий вход генератора 3 зондирующих импульсов через делитель 2 частоты, имеющй высокий коэффициент п деления 11041053, что необходимо для запуска с низкой частотой следования генератора 3 зондирующих им пульсов, который формирует имшульсывозбуждения передающего преобразователя 4 с периодом Гд (фиг. 26),большим, чем время действия в акустически контролируемой среде 26 реверберационной помехи. Поступающие на передающй преобразователь 4 импульсы обеспечивают его возбуждение сОдновременно с возбуждением передающего преобразователя 4 генератор 3первьй счетчик 12 импульсов в нулевое состояние и перебрасывает первьт триггер 10 в единичное состояние(фиг 2 В), который с момента времени тд разрешает второй схеме 11 совпадений пропускать сигналы опорного генератора 1 на вход первого счетчи ка 12 импульсов, который начинает от счет временного интервала по грубой шкале (фиг. 2 г)При возбуждении передающего преобразователя 4 он посылает в момент времени Ъ, в контролируемую среду 26 ультразвуковой зондирующий сигнал,который, распространяясь в контроли руемой среде 26, достигает приемного з 1228617 . д(фиг 2 д) Приемньй преобразователь 5 преобразует акустический сигнал в электрический и подает его на предва рительный усилитель 6, в котором сиг 5ВЕЛ УСНЛИВЗЕТСЯ И СТЗРЪПИЗИРУЕТСЯ ПО НМПЛИТУДЕ С ПОМОЩЬЮ ВВТОМЕТИЧЕСкой регулировки усиления. С выхода предварительного усилителя 6 сигнал поступает через линию 7 задержки и генератор 8 стробимпульсов на первый вход первой схемы 9 совпадений. Линия 7 задержки И генератор 8 стробимпульсов по входному сигналу формируют узкие стробимпульсы(фиг. 2 е), задержанные относительно начала принятого сигнала на аО,51,5 мс, что необходимо для стробирования с помощью первой схем 9 совпадений наиболее крупного фронта из принятого информационного сигнала. Формирование по принятому ультразвуковому сигналу фронтов с вьшокой крутизной осуществляется широко полосным усилителем-ограничителем 13, сигнал с вьшода которого является предельно клиппнрованным и представляет собой меандр (фиг. 2 ж 9. Этот сигнал подается на вход второй схемы 11 совпадений. Наиболее крутой перепад информативного сигнала, соответствующий моменту времени стробируется первой схемой 9 совпадений с помощью импульсов НдфНГ- 2 е), поступающих на ее первый вход, и посредством перепадов напряжения Щд (фиг. 2 н), поступающая на третий вход первой схем 9 совпадений со ждущего генератора 16 вре менного селектора 14. Параметры схемы 15 задержки и ждущего генератора 16 подобраны таким образом, чтобы разрешить первой схеме совпадений пропускание сигнала прямого проковдения или К раз переотраженного сигнала н запретить помехиостаточные и реверберациоиные сигналы. Первая схема 9 совпадения на своем выходе формирует по наиболее крупному фронту информативного сигнала в момент Времени короткие импульсы П,(ФИГ- 2 К), поступающие на второй вход первого триггера 10, которй перебрасывается в исходное (нулевое) состояние, запрещающее второй схеме 11 совпадений пропускать снгналы опорного генератора 1 на счетнывход первого счетчика 12 импульсов.схемы 9 совпадений сбрасывает второй счетчик 23 импульсов в нуль, поступает на первый вход второго триггера 21 и перебрасывает его в единичное состояние (фиг. 2 л). Второй триггер 21 открывает третью схему 22 совпадения, которая с момента времени Ъ 2 разрешает прохождение импульсов с выхода опорного генератора 1 на счетный вход второго счетчика 23 1(фиг. 2 м). В свою очередь, в первом счетчике 12 импульсов записывается число Н , которое соответствует уравнениюгде Ъ период колебания высокочастотного опорного генератоА А ра 1 ьддш 4 Ьщ- временной интервал, опредегляемый дискретностью счета И вызываюшй погрешность измерения по грубой шкале Число Н. , ваписанноев первом счетчике 12 импульсов с точностью до 1 определяет время распространет ния акустического сигнала в контролируемой среде 26. Так как запуск генератора 3 зондирующих импульсов тпроисходит непрерывно с частотой Р что на вьщоде первой схеы 9 совпадения (фиг. 2 к) присутстсвуют импульсы с такой же частотой и с фавовым сдвигом Ф . равнымТпцспр нстбп сдал 1Эти импульсы поступают на вход умножителя 18 частоты, коэффициент умножения которого равен (в - 1). На вы ходе умножителя 18 частоты образуются колебания, равныеУказанные колебания поступают на Первый вход смесителя 19, на втором ВХОДЕ КОТОРОГО присутствуют колебаННП С Вытода опорного генератора 1. В смесителе 19 происходит преобразование частот поступающих сигналов н на выпаде его образуются колебания Н разностной частоты, равной частоте зондирования Р которые представляются следующим образом (пиКак видно из вьтажения (5), фаза сигналов, связанная со временем ТдР На частоте Р является усиленной в(П - 1) раз по сравнению с фазой исходньш имшульсов на вьщоде первой схемы 9 совпадения (3). Далее с вьшода смесителя 19 сигналразностнойчас тоты Р поступает на усилительформирователь 20, в котором он усиливаетСЯ И преобразуется в короткие импульсы и с вьшода усилителя-формировате ля 20 подается на вход второго триггера 21. По сигналу с выхода усилителяфорьтрователя 20 второй триггер 21 перебрасывается в нулевое состояние и тем самым закрывает третью схему 22 совпадения, которая с этого момента перестает пропускать импульсы с выхода опорного генератора 1 на счетный вход второго счетчика 23. ИзвыРЗЖЕНИЙ (3) И (5) определяется фазовьй сдвиг Щ между импульсами с высда первой схемы 9 совпадения и усилителя-формирователя 20Как видно из выражения (6), фазовый сдвиг между импульсами состоит изцелого числа периодов следова ния импульсов 2 ЖМ И части периодаоп сап следует из вьшажения (2), то эта часть периода однозначно определяетсячислом импульсов, посчитанньш во втором счетчике 23 имульсов. Таким образом в п раз уменьшается ошибкаизмерения первого счетчика 12 импуль сов. Информация с выходов счетчиков 12 и 23 импульсов передается соответственно на старшие и младшие разряды регистратора 17 для отображения в цифровой форме.Умножитель 18 частоты представляет собой по существу кварцевый автогенератор, точно настроеиньй на( ни 1)-ю резонансную частоту. При подаче на один из синхронизируемыщ входов кварцевого автогенератора, А например на кварц схемы автогенератора с кварцем в цели обратной связи коротких импульсов, автогенератор синхронизируется на частоте 1 (п-1) с точностью до фазы, при этом фаза(п 1)-й гармоники по отношению к фазе исходной 1-й гармоники является(п - 1) раз усиленной. Это значит,что малейшее изменение времени прихода ультразвукового сигнала приводит к значительному изменению фазового сдвига сигнала на выходе умножителя 18 частоты. Усиленный фазовьт сдвиг на частоте 1 (п - 1) преобразуется смесителем с помощью сигналов частотой од в низкочастотное напряжение с частотой Р , равнойд -.(п 1). Следовательно, усиленные фазовые сдвиги переносятся на низкочастотные сигналы, изменяющиеся с частотой Р. Этим фактически В (П - 1) раз увеличивается разрешение по времени прихода ультразвуковьш сигналов. В уснлителеформирова теле 20 эти сигналы отфильтровываются от неточных составляющих и формируются в меандр, по заднему фронту которого второй триггер 21 опрокидывается в исходное состояние.Так как общий коэффициент умножения умножителя 18 частоты являетсяпроизведением коэффициентов умножения составляющнх его т связанныхпар последовательно соединенных формирователей импульсов 24 (1 -тп) И кварцевых автогенераторов 25 (1 т Ш) И УСТЗНОВЛЕН на ЕДНННЦУ МЕНЬШЕ КОЭФ фициента деления делителя 2 частоты,то требования по стабильности ко 9 ф фициента умножения к каждой отдельной из т пар снижаются в раз. Этодат ВОЗМОЖНОСТЬ получитьдостаточную большую долговременную стабильность умножителя 18 частоты в целом и полу ЧИТЬ СРНЕНИТЕЛЬНО ШИРОКУЮ ПОЛОСУ 3 ахвата частот, что позволяет непрерывно автоматически проводить измерения без каких-либо сбоев, типа перескок фазы, при измерениях скорости распрот странения ультразвука в контролируемой среде 26. Так, например, прип10 000,5 кГц п 20001 Р тот кварцевых автогенераторов 25 (Е) 500 Гц 17,- Г (п - 1) 500 и 25 (т) соответственйб равны 10 120000 Гц 10000 кГц г частота на и 100 кГц, 1,0 и 10,0 МГц, погреш выходе умножителя 18 частоты Р несть нзмрреннй скорости ультразвука м - ЕМ 100 ОО,5 -кГц 10000 кГц 5 в кбнтролируемой среде 26 не превы -8500 Гц частота на выходе смеси тает а Ь Бчотеля 19, величины промежуточных час фигж