RU2049329C1

RU2049329C1 - Device for determining resonant frequencies

Info

Publication number: RU2049329C1
Authority: RU
Inventors: В.П. Останин; В.С. Тупиков; В.Н. Брежнев
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "РАКУРС"
Priority date: 1992-07-07
Filing date: 1992-07-07
Publication date: 1995-11-27

Abstract

FIELD: acoustic engineering; catalysis tests, adsorption and corrosion processes. SUBSTANCE: device has two controlled generators, four controlled phase shifters, four ultrasonic inverters, correction unit, series-connected controlled amplifier, phase detector, integrator, analog-to-digital converter, monitoring and control unit connected to controlled inputs of all device components. EFFECT: high accuracy and informative capacity of measurement results; provision for detecting typical resonant frequencies of macrostructures of heterophasal system and for controlling physicochemical or elastic properties of specimens in desired direction by acting on them with set of standing waves at these frequencies. 1 dwg

Description

Изобретение относится к акустической технике и может быть использовано при проектировании приборов для исследования упругих свойств образцов и физико-химических процессов при модификации как поверхностей образцов, так и пространственного распределения дефектов и примесей в их объеме. Изобретение может также найти применение в химической промышленности при проведении исследований в области катализа, в процессах адсорбции и коррозии. The invention relates to acoustic technology and can be used in the design of instruments for studying the elastic properties of samples and physico-chemical processes when modifying both the surfaces of the samples and the spatial distribution of defects and impurities in their volume. The invention may also find application in the chemical industry when conducting research in the field of catalysis, in the processes of adsorption and corrosion.

Известно устройство для измерения ультразвуковых колебаний в образцах, содержащее синхронизатор, пьезопреобразователи, усилитель, селектор первого полупериода ультразвукового импульса, схему запоминания амплитуды и первый амплитудный дискриминатор, линию задержки, измерительный триггер, преобразователь вертикальных интервалов в напряжение, индикатор-самописец, дополнительно устройство снабжено формирователем импульсов стробирования и источником порогового напряжения [1]
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения резонансных частот, содержащее управляемый генератор, последовательно соединенные усилитель, фазовый детектор, вторым входом соединенный с выходом управляемого генератора, и интегратор, и ультразвуковой преобразователь.A device for measuring ultrasonic vibrations in samples is known, which contains a synchronizer, piezoelectric transducers, an amplifier, a selector of the first half-cycle of an ultrasonic pulse, an amplitude memory circuit and a first amplitude discriminator, a delay line, a measuring trigger, a vertical-to-voltage converter, a chart recorder, and the device is additionally equipped with a shaper gating pulses and a threshold voltage source [1]
Closest to the proposed is a device for determining resonant frequencies, containing a controlled generator, a series-connected amplifier, a phase detector, a second input connected to the output of a controlled generator, and an integrator, and an ultrasonic transducer.

Это устройство имеет следующие недостатки: низкая информативность вследствие невозможности возбуждения стоящих ультразвуковых колебаний в образце на несобственных (не резонансных) частотах, невозможности возбуждения суммарной стационарной волновой картины в образце на двух различных частотах, отсутствия измеряемых параметров для обеспечения корректной работы на резонансную нагрузку; низкая точность вследствие отсутствия компенсации реактивной составляющей тока в измерительном канале; низкая интегрированность устройства, резко снижающая удобство работы с ним и удорожающая экспериментальные затраты при комплектовании устройства из стандартных блоков. This device has the following disadvantages: low information content due to the impossibility of exciting standing ultrasonic vibrations in the sample at improper (non-resonant) frequencies, the inability to excite the total stationary wave pattern in the sample at two different frequencies, the lack of measured parameters to ensure correct operation of the resonant load; low accuracy due to the lack of compensation of the reactive component of the current in the measuring channel; low device integration, which sharply reduces the usability of it and increases the experimental costs when completing the device from standard units.

Задачей изобретения является создание устройства, позволяющего производить высокоинформативные акустические измерения повышенной точности и воздействовать на физико-химические процессы и упругие свойства образцов в избранном направлении. The objective of the invention is to provide a device that allows for highly informative acoustic measurements of increased accuracy and affect the physico-chemical processes and elastic properties of the samples in a selected direction.

Задача решается тем, что устройство для определения резонансных частот, содержащее управляемый генератор, последовательно соединенные усилитель, фазовый детектор, вторым входом соединенный с выходом управляемого генератора, и интегратор и ультразвуковой преобразователь, снабжено подключенным к выходу управляемого генератора двумя управляемыми фазовращателями, вторым ультразвуковым преобразователем, подключенным к выходу одного из управляемых фазовращателей, блоком компенсации, включенным между выходом второго управляемого фазовращателя и первым ультразвуковым преобразователем и выполненным из трансформатора со встречными обмотками и трансформатора с объемным витком, соединенным с входом усилителя, выполненного управляемым, последовательно соединенными аналого-цифровым преобразователем, подключенным к выходу интегратора, и блоком управления и контроля, вторым управляемым генератором, подключенными к его выходу третьим и четвертым управляемыми фазовращателями и соединенными с ними соответственно третьим и четвертым ультразвуковыми преобразователями, концы одной обмотки трансформатора являются входом и выходом блока компенсации, другая обмотка подключена к параллельно соединенным управляемым резистору и конденсатору, а выходы блока управления и контроля соединены с управляющими входами всех управляемых элементов устройства. The problem is solved in that the device for determining resonant frequencies, containing a controlled oscillator, a serially connected amplifier, a phase detector, a second input connected to the output of a controlled oscillator, and an integrator and an ultrasonic transducer, is equipped with two controlled phase shifters, a second ultrasonic transducer connected to the output of a controlled oscillator, connected to the output of one of the controlled phase shifters, a compensation unit connected between the output of the second controlled phase and the first ultrasonic transducer and made of a transformer with oncoming windings and a transformer with a volume coil connected to the input of an amplifier made by a controllable, serially connected analog-to-digital transducer connected to the output of the integrator, and a control and monitoring unit, a second controlled generator connected to its output by the third and fourth controlled phase shifters and connected to them by the third and fourth ultrasonic transducers, respectively gical audio transformer are input and output compensation unit, and the other winding is connected to the parallel connected controllable resistor and capacitor, and outputs a control unit and control connected to the control inputs of controlled elements of the device.

На чертеже представлена блок-схема устройства для определения резонансных частот. The drawing shows a block diagram of a device for determining resonant frequencies.

Устройство содержит управляемый генератор 1, последовательно соединенные управляемый усилитель 2, фазовый детектор 3, вторым входом соединенный с выходом управляемого генератора 1, и интегратором 4, обратимый ультразвуковой преобразователь 5, подключенные к выходу управляемого генератора 1 два управляемых фазовращателя 6, 7, второй обратимый ультразвуковой преобразователь 8, подключенный к выходу управляемого фазовращателя 6, блок 9 компенсации, включенный между выходом управляемого фазовращателя 7 и первым ультразвуковым преобразователем 5 и выполненный из трансформатора с встречными обмотками 10 и 11 и трансформатора с объемным витком 12, соединенным с входом управляемого усилителя 2, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 13, подключенный к выходу интегратора 4, и блок 14 управления и контроля, второй управляемый генератор 15, подключенные к его выходу третий 16 и четвертый 17 управляемые фазовращатели и соединенные с ними соответственно третий 18 и четвертый 19 обратимые ультразвуковые преобразователи, концы обмотки 10 являются входом и выходом блока 9 компенсации, обмотка 11 соединена с параллельно соединенными управляемыми резистором 20 и конденсатором 21, а выходы блока 14 управления и контроля соединены с управляющими входами всех управляемых элементов устройства. Ультразвуковые преобразователи 5,8,18 и 19 предназначены для установки на измерительной камере 22. The device comprises a controlled generator 1, connected in series a controlled amplifier 2, a phase detector 3, a second input connected to the output of a controlled generator 1, and an integrator 4, a reversible ultrasonic transducer 5, two controlled phase shifters 6, 7 connected to the output of a controlled generator 1, and a second reversible ultrasonic a transducer 8 connected to the output of the controlled phase shifter 6, a compensation unit 9 connected between the output of the controlled phase shifter 7 and the first ultrasonic transducer m 5 and made of a transformer with oncoming windings 10 and 11 and a transformer with a volume coil 12 connected to the input of a controlled amplifier 2, connected in series with an analog-to-digital converter 13 connected to the output of the integrator 4, and a control and monitoring unit 14, a second controlled generator 15, the third 16 and fourth 17 controllable phase shifters connected to its output and the third 18 and fourth 19 reversible ultrasonic transducers connected to them, the ends of the winding 10 are the input and output of the unit 9 kom ensatsii, coil 11 is connected to the parallel connected controllable resistor 20 and the capacitor 21, and outputs management and control unit 14 are connected to the control inputs of controlled elements of the device. Ultrasonic transducers 5,8,18 and 19 are intended for installation on the measuring chamber 22.

Блок 14 представляет собой стандартную микропроцессорную конфигурацию и содержит микропроцессор, ПЗУ микропрограмм, ОЗУ с системной областью и буфером для выполнения синхронно снимаемых с каналов АЦП 13 данных, контролер связи с внешней ЭВМ (в нашем случае интерфейсная БИС, контроллер последовательного порта 18251), внешние устройства связи: статусные регистры генераторов 1 и 15 для установления выбранной частоты; два таймера, программируемые для пошагового изменения частоты генераторов 1 и 15, т.е. для сканирования по частоте с заданной скоростью наращивания (уменьшения); ЦАПы, задающие сдвиг фаз и значения амплитуды фазовращателей 6, 7, 16 и 17; ЦАПы, задающие значения конденсатора 21 и резистора 20; ЦАП смещения сигнала фазового детектора 3; статусный регистр и регистр данных АЦП 13; регистр установки фильтров выходных усилителей фазовращателей 6,7,16 и 17; регистр установки коэффициента усиления усилителя 2. Block 14 is a standard microprocessor configuration and contains a microprocessor, microprogram ROM, RAM with a system area and a buffer for executing data synchronously removed from ADC channels 13, a communication controller with an external computer (in our case, an interface LSI, a serial port controller 18251), external devices communications: status registers of generators 1 and 15 for establishing the selected frequency; two timers, programmable for step-by-step changing the frequency of oscillators 1 and 15, i.e. for scanning in frequency with a given rate of increase (decrease); DACs that specify the phase shift and amplitude values of phase shifters 6, 7, 16 and 17; DACs that specify the values of the capacitor 21 and the resistor 20; DAC bias signal phase detector 3; status register and ADC data register 13; register for installing filters of output amplifiers of phase shifters 6,7,16 and 17; amplifier gain setting register 2.

Блок 14 управления и контроля соединен со всеми независимыми управляемыми элементами устройства через внешние устройства связи и обеспечивает программную работу устройства, съем оцифрованных данных и связь с внешним компьютером. The control and monitoring unit 14 is connected to all independent controllable elements of the device through external communication devices and provides programmed operation of the device, removal of digitized data and communication with an external computer.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Блок 14 управления и контроля обеспечивает программирование устройства на выбранный режим работы. Сигнал с управляемого генератора 1 через фазовращатель 6 поступает на обратимый электроакустический преобразователь 8, а после второго фазовращателя 7 подается на вход блока 9 компенсации, одна обмотка которого соединена с переменными управляемыми конденсатором 21 и резистором 20, а другая подключается к второму элекроакустическому преобразователю 5. Разностная составляющая сигнала наводит полезный сигнал в трансформаторе с объемным витком 12 (характеризующий отношение реактивной и активной акустической мощности колебаний, возбужденных в образце физико-химической среды), который после усилителя 2 подается на фазовый детектор 3 для сравнения его фазы с фазой опорного сигнала задающего управляемого генератора 1. Сигнал с выхода фазового детектора 3 после интегратора 4 подается на аналого-цифровой преобразователь 13, после чего цифровой код может быть считан блоком 14 управления и контроля. После каждого измерения управляемый генератор перестраивают на другую заданную частоту, а фазовращателя обеспечивают заданные амплитуды, фазовые сдвиги между электроакустическими преобразователями, после чего проводится новое измерение полезного сигнала. Для формирования любого набора стоячих волн в образце сигнал с второго управляемого генератора 15 (управляемой перестраиваемой частоты и амплитуды) идет на фазовращатели 16 и 17. После фазовращателей сигналы поступают на обратимые электроакустические преобразователи 18 и 19, подсоединенные к измерительной камере 22, и возбуждают (при подобранном сдвиге фаз) требуемую волновую картину. Block 14 control and monitoring provides programming of the device to the selected mode of operation. The signal from the controlled generator 1 through the phase shifter 6 is fed to a reversible electro-acoustic transducer 8, and after the second phase shifter 7 is fed to the input of the compensation unit 9, one winding of which is connected to variable controlled capacitor 21 and resistor 20, and the other is connected to the second electro-acoustic transducer 5. the signal component induces a useful signal in the transformer with a volume coil 12 (characterizing the ratio of reactive and active acoustic power of the oscillations excited in the sample of the physicochemical medium), which after the amplifier 2 is supplied to the phase detector 3 to compare its phase with the phase of the reference signal of the master controlled generator 1. The signal from the output of the phase detector 3 after the integrator 4 is fed to an analog-to-digital converter 13, after which the digital the code can be read by the control and monitoring unit 14. After each measurement, the controlled oscillator is tuned to another predetermined frequency, and the phase shifter provides the given amplitudes, phase shifts between the electro-acoustic transducers, after which a new measurement of the useful signal is carried out. To form any set of standing waves in the sample, the signal from the second controlled oscillator 15 (controlled tunable frequency and amplitude) goes to the phase shifters 16 and 17. After the phase shifters, the signals are fed to reversible electroacoustic transducers 18 and 19 connected to the measuring chamber 22 and excite (when matched phase shift) desired wave pattern.

Устройство обеспечивает точность фазового анализа вблизи резонансной моды колебаний, позволяет выявить характерные частоты микроструктур гетерофазных систем и, воздействуя на них на этих частотах набором стоячих волн, управлять физико-химическими процессами в избранном направлении. The device ensures the accuracy of phase analysis near the resonance mode of oscillations, allows you to identify the characteristic frequencies of the microstructures of heterophase systems and, acting on them at these frequencies by a set of standing waves, to control physicochemical processes in a chosen direction.

Claims

DEVICE FOR DETERMINING RESONANT FREQUENCIES, comprising a controlled oscillator, a serially connected amplifier, a phase detector, a second input connected to the output of a controlled oscillator, and an integrator and an ultrasonic transducer, characterized in that it is equipped with two controlled phase shifters connected to the output of the controlled oscillator, a second ultrasonic transducer, connected to the output of one of the controlled phase shifters, a compensation unit connected between the output of the second controlled phase of the rotator and the first ultrasonic transducer and made of a transformer with oncoming windings and a transformer with a volumetric coil connected to the input of an amplifier made by a controlled, series-connected analog-to-digital converter connected to the output of the integrator, and a control and monitoring unit, a second controlled generator connected to its output by the third and fourth controlled phase shifters and connected to them by the third and fourth ultrasonic transducers, ontsy audio transformer are input and output compensation unit, the second coil is connected to the parallel connected controllable resistor and capacitor, and outputs a control unit and control connected to the control inputs of controlled elements of the device.