MXPA00012619A - Medicion de la velocidad de sonido de un gas. - Google Patents

Abstract

Un metodo y aparato para determinar la velocidad de sonido de un gas. Se arregla un transmisor acustico para aplicar una senal acustica al interior de un resonador y se arregla un receptor acustico para detectar la amplitud de la senal acustica en el interior del resonador. Un medio de control determina la velocidad de sonido del gas dentro del resonador a partir de la frecuencia de un modo resonante, no radial, detectado.

Description

MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD DE SONIDO DE UN GAS CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método y a un aparato para medir la velocidad de sonido de un gas. La velocidad de sonido de un gas es particularmente útil para determinar otras características del gas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Se pueden hacer mediciones exactas de la velocidad de sonido de un gas usando un resonador como se describe en un articulo titulado Resonadores Acústicos Esféricos por M. Bretz, M.L. Shapiro y M.R. Moldover en el volumen 57 del American Journal Physics. El resonador que contiene una muestra de un gas de prueba tiene un transmisor acústico y un receptor acústico montados en su pared. El transmisor acústico se impulsa sobre un intervalo de frecuencias y se detecta la amplitud de la señal proporcionada por el receptor acústico para cada frecuencia a la cual se impulsa el transmisor acústico. Se detecta la frecuencia a la cual el receptor acústico recolecta la señal más aguda, más fuerte, es decir, el primer modo radial resonante. Puesto que la frecuencia resonante es una función lineal de la velocidad de sonido del gas de prueba en el resonador, se puede determinar la velocidad del sonido del gas de prueba SUMARIO DE LA INVENCIÓN Para un resonador esférico de radio dado, el gas encerrado exhibirá una serie de resonancias acústicas. Las resonancias son el resultado de ondas estáticas tridimensionales. Para un sistema perfecto, las frecuencias resonantes (f) son una función de la raiz de una función de Bessel esférica (z), la velocidad de sonido (c) y el radio de la esfera (r) dada por: f = cz/(2pr) el modo radial se usa debido a que en este modo el sonido choca la pared de la esfera en ángulos rectos y de modo que no sufre pérdida de energia debido al arrastre viscoso y debido a que produce un pico resonante agudo que no es difícil de detectar de forma exacta. Las investigaciones previas que usan un modelo matemático básico de resonadores esféricos acústicos han reportado una exactitud de 0.02 % en las mediciones de la velocidad de sonido. Sin embargo, puesto que la frecuencia resonante del resonador esférico es inversamente proporcional al radio de la esfera, el resonador normalmente tiene un diámetro de al menos 12 cm para producir un primer modo radial resonante dentro del intervalo de frecuencia de los transductores acústicos. Sin embargo, un resonador de ese tamaño es demasiado grande para ser usado en una sonda que se va a insertar de manera conveniente en una fuente de gas tal como un tubo de gas o para el uso en un alojamiento conveniente y compacto. Si el resonador era para reducirse a una esfera de diámetro de 3 cm por ejemplo, el primer modo radial resonante ocurriría aproximadamente 18 kHz que estaría más allá del intervalos de los transductores acústicos (20 Hz-13 kHz) . De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, un aparato para determinar la velocidad de sonido de un gas comprende: un resonador substancialmente esférico para contener el gas que se va a probar; un transmisor acústico para aplicar una señal acústica al interior del resonador; un receptor acústico para' detectar la amplitud de la señal acústica en el interior del resonador; y un medio de control para determinar la velocidad de sonido de un gas de prueba a partir de la frecuencia de un modo resonante, detectado; en donde el modo resonante detectado es un modo resonante no radial del radio interno del resonador es substancialmente de 5 cm ó menos. De acuerdo con un aspecto adicional de la presente invención, un método para determinar la velocidad de sonido de un gas comprende: aplicar una señal acústica al interior de un resonador substancialmente esférico que contiene un gas, la velocidad de sonido del cual se va a determinar; detectar la amplitud de la señal acústica en el interior del resonador; y determinar la velocidad de sonido del gas dentro del resonador a partir de la frecuencia de un modo resonante, detectado; en donde el modo resonante detectado es un modo resonante no radial y el radio interno del resonador es substancialmente 5 cm ó menos. El inventor usa una primera resonancia no radial que se presenta' a una frecuencia por debajo de aquella del primer modo radial resonante previamente usado. Este primer modo no radial se puede usar para detectar la velocidad de sonido con resonadores de tamaño más pequeño que lo previamente en tanto que aún mantiene la frecuencia resonante dentro del intervalo de los transductores. En consecuencia, se puede usar un resonador más compacto como una sonda, a manera de ejemplo, y se puede insertar en los tubos de gas existentes o instalar en un alojamiento más compacto para mayor conveniencia en tanto 'que aún produce resultados exactos. El resonador puede tener un radio interno de substancialmente 4 cm ó menos, 3 cm ó menos, 2 cm ó menos o de manera substancialmente preferente 1.5 cm ó menos para hacerlo convenientemente compacto. Para un resonador substancialmente esférico con un radio de 1.5 cm, se ha encontrado que el primer modo no radial se presenta en un gas alrededor de los 9 kHz que está bien dentro del intervalo de frecuencia de los transductores acústicos (20 Hz-13 kHz) . El uso de los resonadores esféricos da las mediciones de velocidad de sonido más exactas. Debido a que la esfera es simétrica en todos los planos a través de su centro, se pueden aplicar de una manera relativamente fácil correcciones debido a la expansión térmica, etc. Adicionalmente, el transmisor y receptor acústico se puede colocar fuera de la cavidad del resonador y por lo tanto no perturban de manera significativa el sistema resonante. En contraste, usando un cilindro, el transmisor y receptor acústico afecta la longitud de ruta y cualquier expansión en el transmisor y receptor se debe tomar en cuenta así como la expansión del cilindro. Se ha encontrado que la posición lineal relativa el transmisor y receptor acústico es crítica en el logro de una curva de resonancia aguda para el primer modo resonante no radial para proporcionar mediciones exactas de la frecuencia resonante y por lo tanto de la velocidad de sonido. Se ha encontrado que esta posición relativa puede ser ligeramente diferente para cada resonador debido a variaciones de construcción. Para tomar en cuenta esto, el transmisor y receptor acústico se pueden montar de manera preferente al resonador tal que sea variable s'u separación relativa. Sus posiciones relativas entonces se pueden variar durante la calibración para lograr una agudeza de pico óptimo. Para el primer módulo radial, cuando el resonador está formado de una manera substancialmente esférica, el transmisor y receptor acústicos se colocan de manera preferente de un modo substancialmente opuesto entre sí es decir, substancialmente 180° separados para el pico detectado de amplitud más grande. Previamente, los transmisores acústicos se han operado a altos voltajes, por ejemplo 150 V para el transmisor en el artículo de M. Bretz et al. mencionado con anterioridad. Sin embargo, esto puede ser potencialmente peligroso si el resonador está trabajando con un gas altamente combustible, por ejemplo metano o gas natural. El resonador más pequeño de la presente invención se puede usar con un transmisor miniatura de bajo voltaje, por ejemplo 5 voltios puesto que se puede usar como un audífono para una mayor seguridad.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se describe adicionalmente a manera de ejemplo con referencia a los dibujos anexos, en los cuales: La Figura 1 es fun diagrama de .bloques que ilustra la operación completa de un sistema para medir la velocidad de sonido de un gas usando un resonador; La Figura 2 muestra un resonador substancialmente esférico que se puede usar en el sistema; La Figura 3 muestra cómo está montado el receptor acústico al resonador; La Figura 4 muestra como el transmisor acústico está montado al resonador; La Figura 5 muestra la amplitud de la señal detectada por el receptor acústico sobre un intervalo de frecuencias; La Figura 6 se ilustra como se usa una señal de reloj para producir señales moduladas en ancho de impulso que se combina para producir una aproximación a una onda sinusoidal; La Figura 7 muestra un sistema electrónico para regresar la operación ilustrada en la Figura 6; La Figura 8 muestra un oscilador controlado en voltaje para suministrar la señal de reloj al sistema mostrado en la Figura 6; La Figura 9 muestra una secuencia de operaciones para determinar la frecuencia resonante; La Figura 10 muestra las conexiones a un medio de procesamiento para determinar la frecuencia resonante; y La Figura 11 muestra un método para tomar en cuenta el tiempo de respuesta finito del equipo físico.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Como se muestra por la Figura 1, el circuito electrónico 1 de impulsión que puede incluir o estar en la forma de un microprocesador se arregla para producir una señal sinusoidal sobre un intervalo adecuado de frecuencias para impulsar un altavoz 2. El altavoz se arregla para aplicar una señal acústica al interior de un resonador 3. El micrófono 4 se arregla para recolectar la magnitud de la señal acústica dentro del resonador. La señal del micrófono se filtra y se amplifica por un circuito 5 electrónico apropiado y un medio de procesamiento 6 determina la frecuencia resonante que se relaciona al gas dentro del resonador para determinar su velocidad de sonido. , El resonador 3 mostrado enr la Figura 2 es en este caso una esfera rígida. El resonador ilustrado se forma a partir de dos semiesferas 31, 32 metálicas, trabajadas a máquina, CNC (controladas numéricamente por computadora) en este caso elaboradas de cobre, de un radio interno de 1.5 cm y un espesor de pared de 3 mm soldadas conjuntamente para formar la* esfera2. Los ápices de las semiesferas 31, 32 soportan el altavoz , 2 y el micrófono 4 respectivamente que cuando las semiesferas se juntan como se muestra én la Figura 2 se separan substancialmente 180° para proporcionar la señal de micrófono de amplitud más grande. El resonador se proporciona con varios pasajes 33 de difusión de gas, sólo uno de los estos se muestra en la Figura 2, para permitir que el gas se difunda hacia adentro y hacia fuera del resonador 3. Cada semiesfera 31, 32 se proporciona de manera preferente con cuatro pasajes 33 de difusión de gas colocados 90° separados. Los pasajes 33 de difusión de gas se perforan de manera preferente a través del alojamiento del resonador y cualquier limadura se remueve para presentar una superficie repetible, regular al interior del resonador. De manera alternativa, la esfera resonante se puede elaborar a partir de un material poroso tal como un material sinterizado. Los agujeros 33 de difusión de gas mostrados en la esfera resonante de cobre de la Figura 2 entonces no se requerirán y de este modo se reducirán las perturbaciones en la frecuencia resonante debido a los agujeros 33. El material poroso usado tendrá preferentemente una expansión térmica menor que el cobre, reduciendo la cantidad de corrección requerida para la variación del tamaño del resonador con los cambios de la temperatura ambiental. El altavoz 2 es en este caso es un altavoz miniatura como se puede usar en un audífono con un voltaje de suministro de 5 V y un nivel de potencia de aproximadamente 33 mW y el micrófono 4 es un micrófono sub-miniatüra . *.* La Figura 3 muestra como el micrófono 4 se monta al resonador 3. El resonador se proporciona con un pasaje 41 de aproximadamente 1.5 mm de diámetro que se perfora de manera preferente y se remueve cualquier limadura. Se monta un husillo cilindrico 42 o se forma como parte" del exterior del •resonador y se arregla concéntricamente con el pasaje 41. El husillo 42 es de manera preferente de cerca de 10 mm de longitud y tiene un diámetro interior suficiente para acomodar el micrófono 4, en este caso de aproximadamente 5 mm. La porción de micrófono 4 dentro del husillo es variable a lo largo de su t longitud de modo que se puede colocar ea el punto óptimo en el cual se produce el pico de señal de salida más agudo, cuando el altavoz aplica la frecuencia resonante al resonador. El micrófono 4 se asegura en la posición óptima dentro del husillo 42 usando adhesivo 43. Se impide de manera preferente que el adhesivo entre a la cavidad del resonador puesto que podría secarse en formas irregulares que podrían provocar perturbaciones en la frecuencia resonante. El micrófono 4 se proporciona de manera preferente con un borde 45, el diámetro exterior del cual es substancialmente el mismo como el diámetro interior del husillo 42 para impedir que cualquier adhesivo entre al resonador. Finalmente, el micrófono 4 podría ajustarse herméticamente en el husillo 42. El micrófono 4 se conecta a los productos electrónicos 1 de impulso por una conexión eléctrica 46. El altavoz 2 se puede montar de la misma manera como el micrófono 4 mostrado en la Figura 3, pero en este ejemplo se fija a una distancia particular desde el interior del resonador como se muestra en la Figura 4. , En la Figura 4, un husillo 21 de aproximadamente 2 mm de longitud se monta o está formado como parte de la pared exterior del resonador 3 y un pasaje 22 de 1.5 mm perforado a través del r husillo 21 y la pared del resonador con cualquier limadura que se remueve. El altavoz 2 se monta al exterior del husillo 21 que cubre el pasaje 22. El altavoz se asegura al husillo 21 usando adhesivo, asegurando que el adhesivo no entre al pasaje 22 y se conecta eléctricamente a los productos electrónicos 5 de filtración y amplificación por la conexión eléctrica 23.

La posición del micrófono y el altavoz puede ser variable para lograr el pico de salida más agudo de manera alternativa ya sea el micrófono o el altavoz se pueden fijar con la posición del otro que es variable. Debido a ligeras variaciones en cada esfera resonante debido a la tolerancia en el trabajo a máquina, por ejemplo, la producción diferentes radios efectivos, cada resonador se calibra de manera individual usando la expresión: c = f x K Cada resonador se calibra usando un gas de velocidad de sonido conocida (c) encontrado usando un modelo de computadora para predecir la característica del gas tal como GASVLE o por medición usando algún método adecuado. La frecuencia resonante (f) luego se mide para el gas de velocidad de sonido conocida en el resonador que está calibrado y se encuentra la constante K. Usando el resonador calibrado junto con su constante asociada K se permite que la velocidad de sonido se determine para cualquier gas a partir de la frecuencia resonante, medida. Esto da exactitudes de aproximadamente 0.1 %. Al compensar las variaciones de la temperatura ambiente que afectan el volumen del resonador, se puede determinarla velocidad de sonido de un gas aún a mejores exactitudes de aproximadamente 0.05 %. El altavoz se impulsa por un circuito electrónico 1 mostrado, esquemático en la Figura 1 para proporcionar señales sinusoidales sobre un intervalo de frecuencia adecuado para abarcar la frecuencia del primer pico de resonancia no radial del resonador 3. El altavoz se impulsa en barridos de frecuencia. El micrófono proporciona un voltaje de salida, que se filtra y amplifica, que corresponde a la frecuencia a la cual se está impulsando corrientemente el altavoz como se muestra gráficamente en la Figura 5 con un pequeño retraso debido a los productos electrónicos. La frecuencia a la cual el micrófono produce el voltaje de salida más grande se determina que es la frecuencia resonante no radial que en la Figura 5 es 8860 Hz a 20°C. La generación de aproximaciones a ondas sinusoidales sobre un intervalo continuo de frecuencia se describe posteriormente. Como se muestra en las Figuras 6 y 7, se aplica una señal de reloj 101 en microprocesador 110 en la línea 111 a partir de un oscilador controlado en voltaje. Se puede usar cualquier microprocesador adecuado tal como un Hitachi HD6473,048F16. El microprocesador 110 procesa la señal de reloj 101 de entrada a partir de la línea 111 para producir señales moduladas en ancho de impulso (PWM) 102, 103 y 104 mostradas en la Figura 6, cada una de la misma frecuencia en las líneas 112, 113 y 114, respectivamente. Las señales PWM 102, 103, 104 se combinan conjuntamente usando un arreglo de suma ponderada, en este caso que consiste de las resistencias 115, 116, 117 para producir la aproximación a una onda sinusoidal en la línea 118. La aproximación a una onda sinusoidal 105 mostrada en la Figura 6 tiene la misma frecuencia como las señales PWM 102, 103, 104 que tienen cada una ciclos de trabajo fijo (porcentaje de tiempo en el porcentaje de tiempo libre) . En este ejemplo, cada ciclo de la aproximación sintetizada a una onda sinusoidal 105 corresponde a dieciséis ciclos de la señal de reloj 101, pero podrían ser ocho o treinta y dos o cualquier otra cantidad adecuada. Los bordes de elevación 121 y caída 122 de la señal PWM 102 se activan por el término del sexto y décimo ciclos de la señal de reloj 101, respec ivamente. Los bordes de levantamiento 131 y caída 132 de la señal PWM 103 se activan por el término del cuarto y doceavo ciclos de la señal de reloj 101, respectivamente. Los bordes de levantamiento 141 y de caída 142 de la señal PMW 104 se activan por la terminación del segundo y catorceavo ciclo de la señal de reloj 101, respectivamente . Cada una de las señales PWM 102, 103 y 104 luego se pasan a través de una resistencia de ponderación 115, 116, 117, respectivamente. La relación de los valores de las resistencias 115, 116, 117 se elige para dar la mejor aproximación total de la onda sinusoidal que en este caso es la resistencia 115 que es de 51 kO, resistencia 116 que es de 36 kO y resistencia 117 que es de 51 kO. Para producir una aproximación a una onda sinusoidal a partir de ondas cuadradas de PWM, es deseable mantener la primera armónica en tanto que se suprime la tercera, quinta, séptima, etc. armónicas. Usando ' el método anterior como se ilustra en la Figura 6, la tercera y quinta armónicas se remueven de manera esencial de algunos efectos residuales debido a las tolerancias de las resistencias. En el presente ejemplo, se contempla que el aparato de genera'ción de onda sinusoidal se usará para generar ondas sinusoidales en el intervalo de 7.5 kHz-11.8 kHz para impulsar el altavoz 2 y la señal transmitida del altavoz detectada por el micrófono 4. Cuando se usa de _esta manera, la séptima y subsecuentes armónicas se reducen a niveles tal que no se necesitan filtración o acondicionamiento adicional para remover el efecto de estas armónicas puesto que -la señal transmitida debido a estas armónicas debe estar fuera de los límites de banda pasante del micrófono. Si el aparato se usa para generar ondas sinusoidales a menores frecuencias, el efecto de la séptima y subsecuentes armónicas se podría remover o disminuir por filtración con pasabajos o al usar más señales moduladas en ancho de impulso para producir una mejor aproximación a una onda sinusoidal. La salida de cada resistencia 115, 116, 117 se combina en la línea común 118 para producir la aproximación a una onda sinusoidal 105 mostrada en la Figura 6. La señal 105 se filtra con pasabajos por el capacitor 119 conectado entre la línea común 118 y tierra y se detecta en el punto de conexión 120. La Figura 8 muestra un oscilador 160 controlado en voltaje que produce una salida oscilante en 161, la frecuencia de la cual es dependiente del voltaje de una señal de impulsión aplicada en la entrada 162. Sin embargo, es adecuado cualquier dispositivo, la frecuencia de salida de la cual es dependiente del valor analógico de una entrada . El presente ejemplo de la invención usa un convertidor de voltaje a frecuencia de Analog Devices AD65 . El diagrama de bloques del AD654 aparece en la Figura 8. Una amplificador 163 operacional versátil sirve como la etapa de entrada; su propósito es convertir y llevar a escala la señal de voltaje de entrada 162 a una corriente de impulsión. Se distribuye una corriente de impulsión al convertidor de corriente a frecuencia 165 (un multivibrador inestable) . La salida del convertidor 165 controla el transistor 164.

En el esquema de conexión de la Figura 8, el amplificador de entrada 163 presenta una impedancia muy alta (250 mO) al voltaje de entrada a 162, que se convierte en la corriente de impulsión apropiada por la resistencia de escala 167 en la espiga 3. En este ejemplo, la resistencia 167 y 168 son de 1.2 kO. La frecuencia de la aproximación a una onda sinusoidal producida en el punto 120 de conexión de salida mostrado en la Figura 7 no se puede asumir siempre de manera exacta del voltaje de la señal de impulsión aplicada en la entrada 162 mostrada en la Figura 8 debido a las variaciones en la temperatura y el desempeño de los componentes eléctricos a manera de ejemplo. En consecuencia, el microprocesador 110 también se puede conectar a cualquiera de las líneas 112, 113 ó 114 que transportan señales PWM 102, 103 y 104 respectivamente que están a la misma frecuencia como la aproximación de salida a una onda sinusoidal como se describe posteriormente. El microprocesador cuenta el número de ciclos de la señal PWM seleccionada durante un periodo dado de tiempo tal como un segundo. La frecuencia de salida real de la onda sinusoidal luego se puede determinar en forma exacta. El microprocesador 110 cuenta el número de ciclos de una señal PWM 102, 103 y 104 en lugar de los ciclos de la aproximación a una onda sinusoidal 105 durante un puesto que las señales PWM tienen estados de activación/desactivación claros, definidos de forma más precisa que son más fáciles de contar proporcionando mejores resultados. De manera alternativa, el microprocesador 110 podría contar el número de ciclos de la señal de reloj 101 durante un periodo dado de tiempo y a partir de esto determinar la frecuencia de la onda sinusoidal al dividir por el número de ciclos de la señal de reloj requeridos para producir cada ciclo de t señal PWM. De manera alternativa o adicional, el microprocesador puede medir el tiempo tomado para •producir un número predeterminado de ciclos de reloj o ciclos PWM y a partir de esto calcular la frecuencia de la aproximación a una onda sinusoidal. Puesto que el oscilador 160 produce una señal oscilante con un intervalo continuo de frecuencias, se pueden generar ondas sinusoidales con un intervalo continuo de frecuencias. El uso de un oscilador de generación de ondas cuadradas de frecuencia variable que es un dispositivo barato, pequeño (9.91 mm x 7.87 mm x 4.57 mm en forma de DIP de plástico de 8 espigas o 4.90 mm x 3.91 "mm x 2.39 mm en forma de SOIC de 8 espigas para el AD 654), fácilmente disponible en unión con un microprocesador para producir aproximaciones a una onda sinusoidal permite la producción de un dispositivo que es capaz de generar aproximaciones a ondas sinusoidales sobre un intervalo continuo de frecuencias y que es compacto y de este modo se puede montar en una zona compacta por ejemplo o en un alojamiento compacto. Puesto que se emplea en general un microprocesador en muchas ondas o sistemas electrónicos para otros propósitos, el único espacio adicional que se requiere para producir aproximaciones a ondas sinusoidales sobre un intervalo continuo de frecuencias es aquel para el oscilador de generación 4 de ondas cuadradas de frecuencia variable, compacto. El oscilador no necesita ser un oscilador controlado en voltaje sino puede ser cualquier dispositivo arreglado para suministrar una señal con un intervalo continuo de frecuencias. La aproximación a una onda sinusoidal no necesita generarse de tres señales PWM sino se puede generar de cualquier número adecuado dependiendo del nivel requerido de aproximación a una onda sinusoidal. Adicionalmente, cada ciclo de la onda sinusoidal no necesita corresponder a dieciséis ciclos de reloj sino podrían ser ocho, treinta y dos ó cualquier número adecuado. Para determinar de forma rápida y exacta la frecuencia resonante (la frecuencia a la cual es un máximo la amplitud de la señal producida por el micrófono) se hace un barrido grueso de frecuencias, rápido, inicial (en este caso pasos de 10-15 Hz, sobre el intervalo de frecuencia en el cual puede presentarse la resonancia como se muestra por Sl en la Figura 9. Un medio de control tal como un microprocesador identifica un intervalo de frecuencia más estrecho de'ntro del barrido inicial de frecuencia, grueso en el cual se presenta un máximo. Se hace un barrido de frecuencia adicional S2 con pasos de frecuencia más pequeños (en este caso 1 Hz) dentro de este intervalo de frecuencias, más estrecho, identificado para determinar de forma exacta la frecuencia en la cual se presenta el máximo, identificando la frecuencia de resonancia. Usando la combinación anterior de barridos de frecuencia gruesos y luego finos, sobre un intervalo más estrecho dea frecuencias, se puede determinar rápidamente un valor exacto de la frecuencia resonante por ejemplo, en una fracción de un segundo. Un medio de control tal ' como un microprocesador puede promediar * los valores de frecuencia detectados, subsecuentes S3 para reducir errores debido al ruido. La frecuencia de la señal PWM luego se puede determinar S4 para indicar la frecuencia de la onda sinusoidal generada que impulsa el altavoz 2 a la resonancia. La determinación "de la frecuencia resonante ahora se explicará en detalle. Un microprocesador, que en este caso es el microprocesador 110 descrito anteriormente que también genera las señales PWM, se usa para realizar un algoritmo para determinar la frecuencia resonante del gas dentro del resonador. En lugar del microprocesador 110, se podría usar una PC con una tarjeta de adquisición de datos, de enchufe, apropiada. Para determinar la frecuencia resonante, como se muestra en la Figura 10, el microprocesador 110 tiene una salida analógica 201, una entrada digital 202 y una entrada analógica 203. La salida analógica 201 se conecta en la entrada 162 del convertidor 160 de voltaje a frecuencia mostrada en la Figura 8, para controlar la frecuencia aplicada al altavoz 2. " En este caso, la salida analógica 201 consiste de dos salidas (no mostradas), ambas de las cuales se conectan a la entrada 162 del convertidor 160 de voltaje a frecuencia. Una salida controla el barrido grueso de frecuencia y la otra controla el barrido fino de frecuencia. Cada una de las dos salidas se pasa a través de un convertidor de digital a analógico, que en" es€e caso de proporciona en el microprocesador 110 mismo, y una resistencia apropiada para proporcionar el nivel requerido de resolución. En este caso, la resistencia para el control grueso de frecuencia es de 36 kO y la resistencia para el control fino de frecuencia es de 2.2 mO. Como se explica anteriormente, la frecuencia de la aproximación a una señal de onda sinusoidal que impulsa el altavoz no se puede asumir siempre de forma exacta a partir del voltaje de la señal de impulsión a partir de la salida analógica 201 debido a las variaciones de la temperatura y por ejemplo al desempeño de los componentes eléctricos. De esta manera, una "de las señales PWM 102, 103, 104 que están cada una a la misma frecuencia como la aproximación a una onda sinusoidal que impulsa el altavoz 2 o la señal de reloj 101, se aplica a la entrada digital 202 para que el microprocesador 110 calcule la frecuencia de la aproximación a una onda sinusoidal 105 como se describe anteriormente. La entrada analógica 203 representa la amplitud de la señal recibida por el micrófono y se conecta al microprocesador 110 y a un convertidor externo de analógico a digital. El proceso de localizar la frecuencia resonante es uno de identificar la frecuencia a la cual es un máximo la entrada analógica 203. El proceso de localizar la frecuencia resonante se puede dividir en cuatro etapas. Las primeras tres etapas Sl, S2, S3 comprenden cada uno el cambio de la frecuencia del altavoz para buscar la resonancia. Cuando se ha localizado la resonancia, la etapa final S4 mide la frecuencia resonante. La primera etapa Sl es una exploración rápida a través del intervalo permisible de frecuencias llevando una lectura de la entrada analógica 203 para cada paso del voltaje 201 de la salida analógica. El intervalo permisible de frecuencias se selecciona para restringir la exploración a aquellas frecuencias en las cuales debe presentarse para resonancia no radial para la combinación esperada de composición de gas, temperatura y presión. Los límites del intervalo permisible se imponen para reducir el tiempo tomado para localizar la frecuencia resonante y también para reducir el riesgo de localizar un pico resonante no deseado. Aunque la relación exacta entre el voltaje de control de la salida analógica 201 y la frecuencia del micrófono no se conoce, se puede aproximar de manera suficiente bien para ser usado para ajustar los límites de frecuencia del intervalo permisible dentro del cual buscar la resonancia. En el presente ejemplo, el intervalo de frecuencias es de 7.5 kHz a 11.8 KHz (4.3 kHz) con una velocidad de exploración de frecuencia de 86 kHz/segundo y una velocidad de muestreo de micrófono de 100,000 muestras/segundo produciendo un total de 5,100 muestras de micrófono en cada dirección. Para localizar la frecuencia de resonancia, el microprocesador se arregla para buscar un pico en amplitud de una señal del micrófono de la entrada 203 y luego averiguar el voltaje de control de frecuencia que se usó en el momento. Para tener en cuenta el tiempo finito que toma el equipo físico para producir' un cambio en la amplitud de la señal del micrófono en entrada 203 como resultado de un cambio en el voltaje de control de frecuencia en salida 201, la exploración rápida de la primera etapa Sl comprende una primera exploración hacia arriba a través del intervalo de voltaje 201 de salida analógica y una segunda exploración hacia abajo a través del mismo intervalo de voltajes de salida analógica. Claramente, la primera exploración podría ser de manera alternativa hacia abajo a través del intervalo de voltaje de salida analógica y la segunda exploración podría ser hacia arriba a través del intervalo . Cuando se explora hacia arriba, el voltaje 201 de control de frecuencia que se aplica cuando se detecta el pico será, debido al tiempo de respuesta, ligeramente mayor que el voltaje que provocó que se presentara el pico. Cuando se explora hacia abajo, el voltaje 201 de control de frecuencia será ligeramente menor que el voltaje pico. Asumiendo que el tiempo de respuesta es el mismo para ambas direcciones de exploración, el promedio de los dos voltajes dará el valor verdadero en la resonancia . •Un .segundo método para tomar en cuenta el tiempo " finito de respuesta del equipo físico se muestra en la Figura 11 en unión con el método anterior de la primera y segunda exploraciones en direcciones opuestas. El segundo método usa un valor estimado para el tiempo de respuesta T para hacer corresponder el pico 301 de los valores M de datos del micrófono, recibidos al voltaje de control de frecuencia que, de acuerdo con ' el tiempo T de respuesta estimado y la característica del voltaje de control de frecuencia con el tiempo "302, produjo estos valores de datos de micrófono como se muestra por las líneas discontinuas 303 en la Figura 11.' En consecuencia, el micrófono continúa recolectando datos durante un tiempo después de que el voltaje de control de frecuencia V ha terminado la exploración en el tiempo ti. Este segundo método permite que los picos que están cerca del extremo de los límites de exploración tal como el pico 301 en la exploración hacia arriba del voltaje 302 de control de frecuencia en la Figura 11 se encuentran los cu les si la colección de datos M de micrófono se han sincronizado a la exploración del voltaje 302 de control de frecuencia se habrían omitido. Si fue exacto el tiempo de respuesta estimado, los valores X, Y encontrados para los voltajes que producen el pico resonante en cada una de las exploraciones hacia arriba y hacia abajo será exactamente el mismo. Sin embargo, como se muestra en la Figura 11, el valor estimado puede ser ligeramente inexacto caso en el cual los valores hacia arriba y hacia abajo del voltaje de control de frecuencia serán ligeramente diferentes y entonces se promediará.

La segunda etapa S2 usa el método de exploración de la primera etapa excepto sobre que es sobre un intervalo de frecuencia más pequeño, identificado en la primera etapa como que contiene el pico resonante. La segunda etapa usa el valor para el voltaje de control de frecuencia a la resonancia obtenida por la primera etapa como su punto central para su intervalo de exploración de frecuencia más pequeño. En este ejemplo, el intervalo de exploración de frecuencia de la segunda etapa es de 150.5 Hz. Sin embargo, el resultado de la primera exploración puede también estar demasiado cerca de uno de los límites terminales del intervalo de voltaje de control de frecuencia para la segunda etapa que se va a permitir que lo use como un punto central. En este caso, la exploración de la segunda etapa se fijará en el límite terminal apropiado del intervalo de voltaje de control de frecuencia. El tamaño del paso de voltaje de control de frecuencia también es diferente para la segunda etapa. Por la velocidad, la primera etapa no usa la resolución completa del voltaje de control de frecuencia en tanto que la segunda etapa produce un valor de frecuencia de resonancia más preciso. La segunda etapa también usa una velocidad más lenta de cambio de la frecuencia del altavoz con el tiempo. En este caso, 2.15 kHz/segundo en lugar de 86.0 kHz/segundo usado en la primera etapa. En este ejemplo, la velocidad de muestreo de micrófono de la segunda etapa también es menor a 25,000 muestras/segundo produciendo un total de 1800 muestras de micrófono. El valor final se obtiene usando la tercera etapa S3 que usa una exploración adicional que promedia los datos de micrófono y por lo tanto produce un resultado dependiente. Igual que la segunda etapa, esta etapa usa el resultado obtenido por la exploración precedente como su punto central. Si el resultado de la segunda exploración está demasiado cerca de un límite de extremo del intervalo de voltaje de control de frecuencia para la tercera etapa S3 que va a ser capaz de usarlo como un punto central, la tercera exploración se puede fijar en un límite terminal apropiado de su intervalo de voltaje de control de frecuencia. Sin embargo, la exploración de esta tercera etapa es más lenta y más metódica que las exploraciones de las etapas previas. Por lo tanto, con un intervalo de pocos valores de voltaje de control de frecuencia, en general 24 ó menos, y en este caso 21. Para cada valor, la salida analógica 201 se establece y luego el circuito se deja que se establezca durante unos pocos milisegundos, en este caso 5 milisegundos. Cuando ha transcurrido el tiempo de establecimiento, se toman un número dado de muestras del micrófono, en este caso 20, y se suman. Este proceso se repite para cada valor de voltaje de control de frecuencia y se averigua el valor pico. Este es el"valor de voltaje de control de frecuencia resonante. La cuarta etapa final S4 comprende la retención de la frecuencia al valor resonante y la medición de la frecuencia de la señal que impulsa el altavoz 2_usando la señal PWM 102, 103, 104 o señal de reloj 101 suministrada a la entrada digital 202.

Claims (1)

1. NOVEDAD DE LA INVENCIÓN Habiendo descrito el presente invento, se considera como una novedad y, por lo tanto, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes REIVINDICACIONES : 1. Un aparato para determinar la velocidad de sonido de un gas, que comprende: un resonador substancialmente esférico para contener el gas que se va a probar; un transmisor acústico para aplicar una señal acústica al interior del resonador; un receptor acústico para detectar la amplitud de la señal acústica en el interior del resonador; y un medio de control para determinar la velocidad de sonido de un gas de prueba a partir de la frecuencia de un modo resonante, detectado; en donde el modo resonante detectado es un modo resonante no radial del radio interno del resonador es substancialmente de 5 cm ó menos. 2. Un aparato según la reivindicación 1, en donde el resonador tiene un radio interno de substancialmente 4 cm ó menos. 3. Un aparato según la reivindicación 2, en donde _ el resonador tiene un radio interno de substancialmente 3 cm ó menos. 4. Un aparato según la reivindicación 3, en donde el resonador tiene un radio interno de substancialmente 2 cm ó menos. 5. Un aparato según la reivindicación 1, en donde el resonador tiene un radio interno de substancialmente 1.5 cm ó menos. 6. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el transmisor y receptor acústicos se arreglan para estar colocados fuera de la cavidad del resonador. 7. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la separación relativa del transmisor y receptor acústicos es variable . 8. Un aparato según la reivindicación 7, en donde uno del transmisor y receptor acústico se arregla para estar montado a una distancia fija desde el centro del resonador y el otro se arregla para estar montado a una distancia variable desde el centro del resonador. 9. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el transmisor acústico se arregla para operar con un montaje de suministro de substancialmente 5 voltios o menos. 10. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el transmisor y receptor acústicos se arreglan para estar montados al resonador substancialmente con 180° de separación. 11. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el resonador tiene dos o más pasajes a través de su pared para permitir que el gas se difunda hacia adentro y hacia fuera durante el uso. 12. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde al menos una porción del resonador se elabora de un material poroso . 13. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el medio de control se arregla para determinar la velocidad de sonido de un gas dentro del resonador se determina a partir de la frecuencia de un modo resonante no radial detectado usando la relación: c = f x K donde c es velocidad de sonido de un gas; f es la frecuencia resonante medida; y K es una constante para un resonador determinado por calibración. 14. Un aparato substancialmente como se describe anteriormente en la presente con referencia a los dibujos anexos. 15. Un método para determinar la velocidad de sonido de un gas que comprende: aplicar una señal acústica al interior de un resonador substancialmenté esférico que contiene un gas la velocidad del segundo del cual se va a determinar; detectar la amplitud de la señal acústica del interior del resonador; y i , determinar la velocidad de sonido de un gas dentro del resonador a partir de la frecuencia de un modo resonante, detectado; * en donde el modo resonante detectado es un modo resonante no radial y el lado interno del resonador es substancialmente 5 cm ó menos. 16. Un método según la reivindicación 15, en donde el resonador tiene un radio interno de substancialmente 4 cm ó menos. 17. Un método según la reivindicación 16, en donde el resonador tiene un radio interno de substancialmente 3 cm ó menos. 18. Un método según la reivindicación 17, en ' donde el resonador tiene un radio interno de substancialmente 2 cm ó menos. 19 Un método según la reivindicación 18, en donde el resonador tiene un radio interno de substancialmente 1.5 cm ó menos. 20. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 19, en donde el transmisor y receptor acústicos se arreglan para estar colocados fuera de la cavidad del resonador. 21. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 20, en donde la separación relativa del transmisor y receptor acústicos es variable . 22. Un método según la reivindicación 21, en donde uno del transmisor y receptor acústico se arregla para estar montado a una distancia fija desde el centro del resonador y el otro se arregla para estar montado a una distancia variable desde el centro del resonador. 23. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 22, en donde el transmisor acústico se arregla para operar con un montaje de suministro de substancialmente 5 voltios o menos. 24. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 23, en donde el transmisor y receptor acústicos se arreglan para estar montados al resonador substancialmente con 180° de separación. 25. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 24, en donde el resonador tiene dos o más pasajes a través de áu pared para permitir que el gas se difunda hacia adentro y hacia fuera durante el uso. 26. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 25, en donde el resonador se elabora de un material poroso. 27. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 15 a 26, en donde la velocidad de sonido de un gas dentro del resonador se determina a partir de la frecuencia de un modo resonante no radial detectado usando la relación: c = f x K en donde c es la 'velocidad de sonido de un gas , f es el modo resonante medido; y K es una constante para un resonador determinado por calibración. 28. Un método substancialmente como se describe anteriormente en la presente con referencia a los dibujos anexos.