Устройство для измерения скорости распространения и коэффициента затухания ультразвука в среде

- Изобретение относится к измерительной технике И может быть использовано для исследования и контроля по скорости распространения и коэффициенту затухания ультразвука физи- 5 ко-химических параметров твердых,жидких и газообразньж веществ, может быть применено в химической, гидрометаллургической, нефтяной промшленности для одновременного автома- о тического измерения двух параметров среды, например концентрации и загаЭованности.Целью изобретения являются повышение точности измерений, расшире- 5 ние диапазона измерений и устранение неоднозначности отсчетов за счет логического построения схемы устройства.На фиг. представлена структурная 20 схема устройства на фиг. 2 струк- д туриая схема блока предварительной установки (обведен штриховой линией) на фиг. З временные диаграммы сиг налов. 25но соединенные излучатель 1 ультразвука в контролируемую среду 2,приемник З ультразвуковых колебаний,предварительный усилитель 4, линию 30 5 задержки, амплитудный детектор 6И МПЛИТУдНЫЙ дискриммнатор 7, узкополосный фильтр 8, частотомер 9,последовательно соединенные частотны детектор 10, вход которого под- 35 ключен к выходу узкополосного фильтра 8, усилитель 11 постоянного тока,схему 12 точной перестройки частоты,управляемый генератор 13, первый смеситель 14 частоты и избиратель- 40 ный усилитель 15, первый выод которого подключен к входу частотомера 9, а второй выход - к излучателюУчастотыпервый вход которого подклю 45чен дк второму выходу управляемого генератора 13, второй вход к второму выходу линии 5 задержки, а выод к входу узкополосного фильтра 8, усилитель 17 с автомати- 50 ческой регулировкой усиления, вход которого подключен к вьщоду узкополосного фильтра В, а вьшод - к второму входу первого смесителя, и блок18 предварительной установки, пер 55 вьй вход которого подключен к второ му вьшоду частотного детектора 10,второй вход - к третьему вьшоду изби рательного усилителя, а вьшоды - к второму и третьему входам управляемого генератора 13.Блок 18 предварительной установки состоит из последовательно соединенных формрователя 19 запускаюшх импульсов, вход которого подключен к второму выходу частотного детектора 10, программируемого распределителя 20 импульсов, реверсивного счетчика 21, управляемого делителя 22 частоты, второй вход которого соединен с вторьш входом реверсивногосчетчика 21 И третьим вьшодом изби рательного усилителя 15, третий вход - с вторым выходом програмируемого распределителя 20 импульсов, дискриминатора 23 кодов и схем 24го генератора 13, кодового задатчн ка 25 номера частоты самовозбухде- 2 ния, выход-которого подключенк второму входу дискриминатора 23 кодов,последовательно соединенных ключево. го стабилизатора 26 тока, вход которого подключен к третьемувьшоду программируемого распределителя 20 имульсов, накопительной емкости 27,второй вход которой подключен к общей шине, и схемы 28 разряда, второй вход которой подключен к четвертому вьшоду программируемого распределителя 20 имлульсов, и истокового повторителя 29, вход которого подключен к выходу ключевого стабилизатора 26 тока, а выход - к третьему входу управляемого генератора 13. Первый и третий входы управляемого генератора 13 содержат перестраиваемые емкости, управляемые напряжением, а второй вход - переменные емкость и индуктивность, подстраиваеме электромеханическим путем, при этомвыполняетсЕнеравенствоТ, 41,45, где Ъ.д 2.Ед - постоянные времениперестройки частоты по цепи схемы грубой перестройки (Т, 3,по цепи истокового повторителя (71) игоцепи схемы точной перестройкиУстройство работает следующм обВазон.При включении источника питания вэлектрической схеме прибора возникают флуктуации электрического напрядения, которые излучаются излучателем 1 в контролируемую среду 2ЖЕ УСТЗНОВКЗ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ ПОСЛЕ1260837 ч д 4 в виде ультразвуковых колебаний, здаваегЬШ ИЛЕ СЛУЧЭЙНЬШ ПЭРЕРЫВОВ распространяются в среде 2 и преоб ультразвукового сигнала, что необразуются затем в электрический сигд ХОдНН 0 для СВЯЗИ ВСЕХ РЕЭУЛЬТЗТОВ нал приемником 3 ультразвуковых ко измерений между Собой. Затем блок лебаннй. Электрические колебания 5 18 ПРЕДВЗРИТЕЛЬНОЙ Установки автоусиливаются предварительным усили магически отключается и в работе гелем д и через дисперсионную линию УСТРОСТВЗ Не УЧНСТВУЗТ-ВПРЭДЬ ДО 5 задержки поступают на вход второго ПВРЭРЫВОБ УЛЬТРЗЗУКОВОГО сИгнала смесителя 19 частоты, где преобразу- При изменении скорости распростраются в колебания промежуточной час 70 НЕНИЯ УЛЬТРЗЗВУКЗ В НССЛгдУеМ 0 ЙСРе тоты и далее поступают на вход узко- де 2 меняется частота автоциркуля полосного фильтра 8. В узкополосном ЦИИ Согласно ВЫРЗЖЕННЮ (1). Врефильтре 8 из флуктуаций напряжения зультате изменяется и промежуточная выделяются колебания определенной частота ЕР. Это изменение детектичастоты, которые стабилизируются 15 руетсл частотны детектором то и по амплитуде усилителем 17 с автомач через усилитель 11 постоянноготока тической регулировкой усиления и поступает на блок 12 точной перестподаются на вход первого смесителя ройки частоты, которьй управляет 14 частоты. В смесителе 14 частоты частотой управляемого генератора 13 зтн колебания преобразуются в коле 20 таким образом, чтобы промежуточная бания исходной частоты и усиленные частота постоянно была равна центизбирательным усилителем 15 посту ральной частоте полосы пропускания паютснованаизлучающийизлучатель 1. У 3 кПдНГ фильтра 8- к Такимобраэом,в устройстве за счет для Обеспечения дн 3 НаЧнТН ИЗ положительной обратной связи возни- 25 мерений полоса пропускания узкопо лосного фильтра 8 должна быть меньше разности между соседними резонансными частотами автоциркуляции. диа. -. пазон же измерения скорости распроЕа -ЕТ- (1) 39 странения ультразвука АС не-зависит эд от полосы пропускания узкополосного где с скорость распространения ФИЛЬТРН 8, 8 ОПРЕДЕЛЯЭТСЯ ТОЛЬКО дЙа ультразвука пазоном перестройки управляемого ге ш - число периодов акустических дераторг 13 колебаний в контролируемой 35 среде и электронной схеме прибора, укладывающихся в кольце замкнутой обратнойколебания, частота автоциркуляции которых Ед определяется выражениемВысокая точность измерений величины скорости распространения ультразвука и его затухания обеспечиваетсясвязи тракте укладьшается целое число волн. Ъ акустическая 65535 40 В этом случае прямой ультразвуковой Ера время задержки сигнала В сигнал точно сфазирован относительно электронном схеме устройст многократно отраженного УльтраЗвуко ва.Величина гуд является частотно .-фаз по замкнутомуконтуру обратной зависимой в соответствии с парамет- 5 связи следует, что и в электронной рани дисперсионной линии 5 задержки, схеме устройства укладывается целое которая включена в замкнутую цепь число периодов сигнала автоциркуляч положительной обратной связи. ции, т.е. набег фазы в электроннойПосле включения устройства блок схеме равен - ч 18 предварительной установки авто 50 матически устанавливает частоту управляемого генератора 13 величиной Е равной сумме частоты автодиркуд ПЯЦМЙ д На заданной гармоника и промежуточной частоты Ер попадающей в полосу пропускания узкополосного2 п-р го сада 2 тт 1 а (2) где срд время задержки сигнала в электронной схеме прибора 55 к - целое положительное ЧНСЛОа Выолнение условия (2) в устройстве обеспечивается дисперсионной линией 5 задержки, причем время задерж 5 1260837 6КН СНЬНЗЛЗ В НЕЙ ЗЗВНСИТ ОТ ЧЭСТОТЫГДВТМ - время задержки сигнала в электронной схеме устройства, исключая линию задержки.В этом случае скорость распрост- 10 ранения ультразвука с прямо пропорциональна длине волны А и частоте Ед ВТОЦИРКУПЯПШИ синусоидальных колебаний н определяется по формулеп ш-К - целоечисло показьшающее количество длин волн, 20 укладьшающихся на длине акустической базы.Число п является номером резонансной частоты, которая устанавливается блоком 18 предварительной установки 25 И На Которой осуществляется автоциркуляция синусоидальных колебаний.Автоматическая установка заданной частоты Едавтоциркуляции осуществляется следующм образом. 30После включения устройства по цели замкнутой обратной связи с акустически исследуемой средой 2 возникает автоциркуляция сигнала на пой резонансной частоте, т.е. ЕдД 35 Блок 18 предварительной Установки Измеряет И регистрирует величину частотыЕ. Затем автоматически включается перестройка управляемого генетатора.т 3 по частоте до срыва ае- до тоциркуляцши-И возникновения автоциркуляции на соседней резонансной частоте Еф Д. Значение Е 1 также измеряется и регистрируется. Далее блоком 18 предварительной уста 45 новки автоматически определяется число п путем решения систем урав нений, полученных из формулы (4)Решение системы уравнений (5) пред 55 ставляется в видеПолученное значение числа п блок 18 сравнивает с номером па, храняд щимся в его памяти. Если результаты сравнения различаются, то производится автоматическая перестройка управляемого генератора 13 по частоте с Целью установки номера частоты автоциркупяции равного заданному.Основным звеном, управляющим работой блока 18 предварительной установки, является частотньй детектор 10. Формирователь 19 запускающих импульсов формрует из сигнала частотного детектора 10 запускающие импульсы только по перепадам напряжения любой полярности на его выходе,КОТОРЫЕ ИМЕЮТ МЕСТО В МОМЕНТ ВКЛЮЧЕ ния устройства, а также после проявления принятых ультразвуковых сигналов или же после других случайных сбоев в работе устройства. Моменты времени Е 1 характеризуются возникновением автоциркуляции синусоидального сигнала (фиг. За) по цепи обратной связи. Любое возникновение сигнала автоциркуляции приводит к возникновению сигнала в узкополосном фильтре 8, что вызьшает скачок напряжений в момент ъд на выходе частотного детектора 10 (фиг. 35). Переход сигнала автоциркупяции на соседнюю резонансную частоту также вызывает скачок напряжения на выходе частотного детектора 10, так как в зтом случае скачкообразно прерывается автоциркуляция на одной резонансной частоте и возникает автоциркуляця на другой частоте (например,момент времен Е 5-С на фиг. За).(фИГ- 363 с формирователя 19 поступают на программируемый распределитель 20 импульсов. Последний формирует распределенные по времени им- пульсы для сброса, запуска прямого и обратного счета реверсивного счетчика 21, для запуска ключевого стабилнэатора 26 тока и для включения схемы 28 разряда. Сразу же после поступления запускающего импульса проГраммируемыйраспределитель 20 иъг пульсов подает имульс длительностью ЕдСд (фиг 3) на запуск прямого счета реверсивного счетчика 21, коТОРЫЙ подсчитывает за промежуток времени св-сд количество периодов аЕТ 0 ЦИркуляционного сигнала, поступающих на его счетный вход с избира Фтельного усилителя 15. В моментВРЕ мени 9 прямой счет реверсивного счетчика 21 прекращается и програмруевой распределитель 20 ИМШУЛЬСОВ 55ПУСКЕЕТ Б ЭТОТ МОМЕНТ КЛЮЧЭВОЙ СТН. 5-бипиэатор 26 тока импульсом ПЬ по длительности равньм (1 ОО 2003 МС(фиг. 33). Стабилизатор 26 начинает заряжать с момента пд накопительную емкость 27 стабильньш током. Благодаря ЭТОМУ НЗПРЯЖЕНИЕ На На НЗКОПН тельной емкости линейно увеличивается (фиг. Злд и через истоковый повторитель вызьшает уменьшение емкости варикапа (не показан), подключенного к колебательному контуру управляемого генератора 13. При ЭТОМ последний линейно увеличивает частоту своих колебаний. Постояннаягз времени схемы 12 точной перестройки частоты больше постояннойТ 2 времени перестройки частоты управляемого генератора 13 по цепи истокового повторителя, поэтому схема 12 точной подстройки частоты не успевает скомпенсировать по цепи обратной СВЯЗИ возникающий разбаланс по частоте. Следовательно, управляемый генератор 13 изменяет свою частотУ 5 что вызывает изменение величины промежуточной частоты ЕРи выход ее из полосы пропускания узкополосного избирательного фильтра 8. Это вызы Йвает прерывание В МОМЕНТ ВРЕМЕНИ Бавтоциркупяции на данной частоте Е И возникновение в момент времени Ев автоциркуляции на соседней резонансной частоте Е 1 (фиг. 30) При возникновении автоциркуляции на соседней резонансной частоте Е 1.частотный детектор 10 вырабатывает перепад напряжения, по которому формрователь 19 запускающх импульсов формирует в момент времени св второй импульс. По этому импульсу начинается второй такт работы устройства (фиг. 35,5 ). В этом такте реверсивный счетчик 21 импульсом Е (фиг. Зи) с програмируемого распределителя 20 импульсов переводится в режим обратного счета. В промежуток времени 6-, по длительности равном промежутку времени из-2 из реверсивного счетчика 21 вычитают число периодов частоты Еп 1 автоциркуляции. После окончания действия нмульса п в памяти реверсивного счетчика остается информа 10ция, пропорциональная разности час- тот Ев-Ед. Цифровой код, соответствующий абсолютной величине разности частот Ед-Е, подается на управляющие входы делителя 22 частоты. После некоторого переходного процгсса Е,Еа (фиг. 3 и,к ) равного нескольким микросекундампрограм руемы распределитель 20 импульсов формирует импульс длительностью га-Ее (фиг. Зк ) равный временным Интервалам Ед-4 св-, по которому разрешается работа управляемого делителя 22 частоты. Одновременно на первьй вход делителя 22 частоты подаются колебания с частотой Е 1,а но второй (управляющий) вход,определяющий коэффициент его деления, подается с реверсивного счетчика 21 комбинация кодов, соответствующая разности частот 1 Еф-Е. Управляемый делтель 22 частоты за время св-св производит деление частоты Е 1 на разность Е-ЕН и тем саым на его выходах образуется комбинация кодов, соответствующая чис лу д -1 И равная номеру п.час н 1 п тоты самовозбуждения синусоидально го сигнала. По достиении момента времени га управляемый делитель 22 частоты отключается и на его выходахПрограммируемый формировательраспределитель 20 импульсов в промежутоквремени С -ст формирует импульс П 1(фиг. ЗАЗ, которы запускается схема 28 разряда накопительной емкости 27. Этим же импульсом Н блокируется собственый вход программируемого распределителя 20 инпульсов, так как разряд накопительной емкости вызывает переход частоты Е автоциркуляции на исходную величину частоты Ц, что вызывает, в свою очередь, перепад напряжения на выходе частотного детектора 10 и возможность повторного запуска распределителя 20 импульсов. Блокировка позволяет избавиться от повторного аапуска программируемого форми рователя-распределителя 2 ОимулЬ сов, полный цикл работы которого и.(фиг. ЗА). Комбинация кодов, соответствукг щая фактическому номеру п частоты