RU2244270C1 - Device for measuring sound speed in liquid environment - Google Patents
Device for measuring sound speed in liquid environment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2244270C1 RU2244270C1 RU2003115607/28A RU2003115607A RU2244270C1 RU 2244270 C1 RU2244270 C1 RU 2244270C1 RU 2003115607/28 A RU2003115607/28 A RU 2003115607/28A RU 2003115607 A RU2003115607 A RU 2003115607A RU 2244270 C1 RU2244270 C1 RU 2244270C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- generator
- reflector
- microcontroller
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для определения скорости звука в жидкостях и воде при исследованиях Мирового океана на движущихся объектах, а также в текущих жидкостях и сыпучих средах.The invention relates to acoustic measurements and can be used to determine the speed of sound in liquids and water in studies of the oceans on moving objects, as well as in current liquids and bulk media.
Известно устройство измерения скорости звука (ИСЗ) [1, с.83-84], основанное на том, что при излучении акустического сигнала в исследуемую жидкую среду между преобразователем и отражателем, находящимся на расстоянии L1, устанавливают стоячую звуковую волну на частоте f, после чего перемещают отражатель на расстояние lk и отсчитывают при этом N максимумов или минимумов стоячей волны, а скорость звука определяют по формулеA device for measuring the speed of sound (AES) [1, p. 83-84], based on the fact that when the acoustic signal is emitted into the studied liquid medium between the transducer and the reflector located at a distance L 1 , a standing sound wave is set at a frequency f, then the reflector is moved a distance l k and N peaks or minima of the standing wave are counted, and the speed of sound is determined by the formula
Недостатком этого устройства является необходимость поиска и установки отражателя в положение, при котором наблюдается максимум или минимум стоячей звуковой волны при каждом измерении, что не дает возможности применить цифровые методы обработки измерений скорости звука и автоматизировать процесс, а также снижает производительность и точность процесса измерения.The disadvantage of this device is the need to search and install the reflector in a position in which there is a maximum or minimum of a standing sound wave during each measurement, which makes it impossible to use digital methods for processing sound velocity measurements and automate the process, and also reduces the performance and accuracy of the measurement process.
Наиболее близким по структуре устройством является ИСЗ, основанный на кольцевом методе измерения частоты следования импульсов F, Гц, определяемой по формуле [2, с.107]The device closest in structure is an AES based on the ring method of measuring the pulse repetition rate F, Hz, determined by the formula [2, p. 107]
где L - расстояние между излучателем-приемником и отражателем, м;where L is the distance between the emitter-receiver and the reflector, m;
С - скорость звука в жидкой среде, м/с;C is the speed of sound in a liquid medium, m / s;
τз - временная задержка импульсов в электрических цепях измерителя скорости звука, с.τ s - the time delay of the pulses in the electrical circuits of the sound velocity meter, s.
Недостатком этого устройства-прототипа является наличие дополнительной временной задержки τз, которая вносит погрешность в значение скорости звука и приводит к нелинейной зависимости частоты следования импульсов от скорости звука.The disadvantage of this prototype device is the presence of an additional time delay τ s , which introduces an error in the value of the speed of sound and leads to a nonlinear dependence of the pulse repetition rate on the speed of sound.
Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения скорости звука в жидкой среде.The objective of the present invention is to improve the accuracy of measuring the speed of sound in a liquid medium.
Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в ИСЗ, выбранный в качестве прототипа и содержащий акустический приемопередающий преобразователь, первый отражатель, усилитель мощности и предварительный усилитель, вход которого соединен с выходом усилителя мощности и подключен к преобразователю, дополнительно введены второй отражатель, генератор, генератор строба, компаратор, микроконтроллер, датчик температуры и дисплей, причем первый, второй и третий входы генератора соединены соответственно с выходом компаратора, первым выходом микроконтроллера и первым выходом генератора строба, второй выход которого подключен к одноименному входу компаратора, первый вход которого соединен с выходом предварительного усилителя, первый вход генератора строба соединен одновременно со вторым выходом генератора и одним из входов микроконтроллера, другой его вход подключен к датчику температуры, второй вход генератора строба соединен со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого подключен ко входу дисплея.The essence of the claimed invention lies in the fact that in the satellite selected as a prototype and containing an acoustic transceiver, a first reflector, a power amplifier and a preliminary amplifier, the input of which is connected to the output of the power amplifier and connected to the converter, a second reflector, generator, generator are additionally introduced strobe, comparator, microcontroller, temperature sensor and display, and the first, second and third inputs of the generator are connected respectively to the output of the comparator, the first output m of the microcontroller and the first output of the strobe generator, the second output of which is connected to the input of the comparator of the same name, the first input of which is connected to the output of the pre-amplifier, the first input of the strobe generator is connected simultaneously with the second output of the generator and one of the inputs of the microcontroller, its other input is connected to the temperature sensor, the second input of the strobe generator is connected to the second output of the microcontroller, the third output of which is connected to the display input.
Первый и второй отражатели выполнены в виде пластин, жестко закрепленных на одном основании с приемопередающим преобразователем и параллельно ему, перпендикулярно плоскости основания и симметрично относительно линии на плоскости основания, параллельной оси диаграммы направленности, при этом площадь отражения второго отражателя превышает по высоте первый отражатель не менее чем в два раза.The first and second reflectors are made in the form of plates rigidly mounted on one base with a transceiver and parallel to it, perpendicular to the plane of the base and symmetrically with respect to the line on the base plane parallel to the axis of the radiation pattern, while the reflection area of the second reflector exceeds the first reflector in height not less than than twice.
На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемого измерителя скорости звука, где приняты следующие обозначения:Figure 1 shows a functional diagram of the inventive meter of sound speed, where the following notation:
1 - усилитель мощности;1 - power amplifier;
2 - акустический приемопередающий преобразователь;2 - acoustic transceiver;
3 - первый отражатель;3 - the first reflector;
4 - предварительный усилитель;4 - pre-amplifier;
5 - второй отражатель;5 - second reflector;
6 - основание;6 - base;
7 - генератор;7 - generator;
8 - генератор строба;8 - strobe generator;
9 - компаратор;9 - a comparator;
10 - микроконтроллер;10 - microcontroller;
11 - датчик температуры среды;11 - medium temperature sensor;
12 - дисплей.12 - display.
На фиг.2 приведена функциональная схема измерителя скорости звука - прототипа изобретения, где приняты следующие обозначения:Figure 2 shows a functional diagram of a speed meter of sound - a prototype of the invention, where the following notation:
1 - усилитель мощности;1 - power amplifier;
2 - акустический приемопередающий преобразователь;2 - acoustic transceiver;
3 - отражатель;3 - reflector;
4 - предварительный усилитель;4 - pre-amplifier;
5 - ключ;5 - key;
6 - мультивибратор.6 - multivibrator.
Работа измерителя скорости звука включает три этапа.The operation of the sound velocity meter includes three stages.
На первом этапе при подаче питания с микроконтроллера 10 на генератор 7 поступает команда программного запуска, а на генератор строба 8 - команда, определяющая длину строба, т.е. по какому отражателю будет происходить автоциркуляция. Генератор 7 вырабатывает зондирующий импульс с высокочастотным заполнением и запускает генератор строба 8. Зондирующий импульс поступает на усилитель мощности 1 и далее на преобразователь 2 для излучения в исследуемую среду. Акустический сигнал от преобразователя 2 проходит путь до первого отражателя 3 и, отразившись от него, поступает на преобразователь 2 и на предварительный усилитель 4 для фильтрации и усиления. Усиленный сигнал поступает на компаратор 9, стробированный импульсом с генератора строба 8. Компаратор 9 сравнивает амплитуду сигнала с опорным напряжением и, когда она превысит опорное напряжение, переключается и тем самым запускает формирование зондирующего сигнала в генераторе 7. Далее снова происходит излучение и устанавливается процесс автоциркуляции. Выходной сигнал с генератора строба 8 разрешает прохождение сигнала с компаратора 9 на генератор 7 только после ожидаемого времени прихода сигнала и тем самым не дает помехам и многократно отраженным сигналам нарушить процесс автоциркуляции.At the first stage, when power is supplied from the microcontroller 10 to the generator 7, a program start command is received, and to the strobe generator 8, a command determines the length of the strobe, i.e. by what reflector will auto-circulation take place. The generator 7 generates a probe pulse with a high-frequency filling and starts the strobe generator 8. The probe pulse is supplied to a
Ожидаемое время прихода сигнала Тож, с, определяется по формулеThe expected time of arrival of the signal T ozh , s, is determined by the formula
где L1(2) - расстояние от преобразователя 2 до отражателя 3(5) (первого или второго), м;where L 1 (2) is the distance from the
Сзв.мах - максимальное заданное значение скорости звука в среде, м/с.With sounds - the maximum specified value of the speed of sound in the medium, m / s.
После установления процесса автоциркуляции микроконтроллер вычисляет период зондирующих импульсов по частоте автоциркуляции по первому и второму отражателю.After the autocirculation process is established, the microcontroller calculates the period of the probe pulses by the autocirculation frequency from the first and second reflectors.
При отражении от первого отражателя (первый этап)When reflected from the first reflector (first stage)
где tL1 - время распространения акустического сигнала в среде от излучателя до первого отражателя и далее до приемного преобразователя;where t L1 is the propagation time of the acoustic signal in the medium from the emitter to the first reflector and further to the receiving transducer;
τз - время задержек во всех электрических цепях и устройствах ИСЗ.τ s - time delays in all electrical circuits and devices of the satellite.
Далее на втором этапе микроконтроллер программирует генератор строба на автоциркуляцию по второму отражателю и подобно описанному выше процессу происходит измерение периода зондирующего импульса при автоциркуляции по второму отражателю Т2 Then, at the second stage, the microcontroller programs the strobe generator for autocirculation by the second reflector and, like the process described above, the period of the probe pulse is measured during autocirculation by the second reflector T 2
Т2=ТL2+τз T 2 = T L2 + τ s
где ТL2 - время распространения акустического сигнала в среде от излучателя до второго отражателя и далее до приемного преобразователя.where T L2 is the propagation time of the acoustic signal in the medium from the emitter to the second reflector and further to the receiving transducer.
На третьем этапе микроконтроллер начинает вычисление скорости звука. Расстояние между первым и вторым отражателем (акустическая база L) измерено и его величина занесена в память микроконтроллера. Разница между периодами зондирующего импульса при автоциркуляции по первому и второму отражателям зависит только от параметров среды, т.е. от скорости звука в ней.At the third stage, the microcontroller starts calculating the speed of sound. The distance between the first and second reflectors (acoustic base L) is measured and its value is recorded in the memory of the microcontroller. The difference between the periods of the probe pulse during autocirculation in the first and second reflectors depends only on the parameters of the medium, i.e. from the speed of sound in it.
Т=Т2-Т1=ТL2-TL1 T = T 2 -T 1 = T L2 -T L1
Задержки в электрических цепях кольца автоциркуляции вычитаются и исключаются из расчетной формулы скорости звука Сзв Delays in electrical circuits automatic circulation ring subtracted and are excluded from the calculation formula of the sound velocity C ulcers
где L - расстояние от первого отражателя до второго отражателя.where L is the distance from the first reflector to the second reflector.
Так как материал базы подвержен линейному расширению вследствие колебания температуры, то на третьем этапе микроконтроллер получает информацию от датчика температуры о температуре исследуемой среды и вычисляет ее. Поэтому с учетом температуры среды формула расчета скорости звука Сзв, м/с, принимает видSince the base material is subject to linear expansion due to temperature fluctuations, at the third stage the microcontroller receives information from the temperature sensor about the temperature of the medium under study and calculates it. Therefore, taking into account the temperature of the medium, the formula for calculating the speed of sound C sv , m / s, takes the form
где α - коэффициент линейного раширения материала базы, 1/°С;where α is the coefficient of linear expansion of the base material, 1 / ° C;
t - температура среды, °С;t is the temperature of the medium, ° C;
К - температура, при которой измерялась длина акустической базы, т.е. расстояние между первым и вторым отражателем, °С.K is the temperature at which the length of the acoustic base was measured, i.e. the distance between the first and second reflector, ° C.
После вычисления скорости звука микроконтроллер выводит ее значение на дисплей.After calculating the speed of sound, the microcontroller displays its value on the display.
Усилитель мощности 1 выполнен традиционно [4, с.28, рис.1.22, 1.23].The
Акустический преобразователь 2 представляет собой колебательную конструкцию с плоской пьезокерамической пластиной [3, с.104-109].
Первый и второй отражатели 3, 5 выполнены в виде пластин, жестко установленных плоско-параллельно на одном основании 6 с приемопередающим преобразователем 1.The first and
Предварительный усилитель 4 содержит усилитель с полосовым фильтром и выполнен традиционно [4, с.219, рис.7.12].The
Генератор 7 содержит генератор импульсов, высокочастотный генератор для заполнения импульсов, выполненные традиционно [4, с.134, рис.4.5, с.147, рис.4.15].Generator 7 contains a pulse generator, a high-frequency generator for filling pulses, made traditionally [4, p.134, Fig.4.5, p.147, Fig.4.15].
Генератор строба 8 выполнен традиционно [5, с.274, рис.6.83].The strobe generator 8 is made traditionally [5, p.274, Fig.6.83].
Компаратор 9 выполнен традиционно [4, с.159, рис.5.5].The comparator 9 is made traditionally [4, p.159, Fig.5.5].
Микроконтроллер 10 представляет собой микросхему типа 80С51 фирмы Intel или аналогичную, являющуюся однокристалльной микроЭВМ с набором различных интерфейсов.Microcontroller 10 is a chip type 80C51 from Intel or similar, which is a single-chip microcomputer with a set of different interfaces.
Датчик температуры 11 имеет частотный выход и выполнен на микросхеме ТМР04 фирмы Analog Devices.The temperature sensor 11 has a frequency output and is made on a chip TMP04 firm Analog Devices.
Дисплей 12 представляет собой традиционный ЖКИ.Display 12 is a traditional LCD.
Использование предлагаемого измерителя скорости звука позволяет исключить влияние погрешности в измерении скорости звука, вызванное временной задержкой в электрических цепях ИСЗ. Точность измерения скорости звука зависит только от точности установки и измерения расстояния между первым и вторым отражателями.The use of the proposed sound velocity meter eliminates the influence of errors in the measurement of sound speed caused by a time delay in the electrical circuits of the satellite. The accuracy of measuring the speed of sound depends only on the accuracy of the installation and measuring the distance between the first and second reflectors.
Предлагаемый ИСЗ позволяет исключить процесс калибровки изделия и снизить трудоемкость обслуживания во время эксплуатации.The proposed satellite allows you to exclude the process of calibration of the product and reduce the complexity of maintenance during operation.
Отсутствие влияния времени задержек в электрических цепях τз позволяет выбрать более низкую рабочую частоту ИСЗ, чем в ИСЗ, работающем по кольцевому методу, и тем самым увеличить допустимую длину кабеля между преобразователем и аппаратной частью ИСЗ без потери полезного сигнала.The absence of the influence of the delay time in the electrical circuits τ s allows you to choose a lower satellite operating frequency than in a ring-based satellite, and thereby increase the permissible cable length between the converter and the satellite’s hardware without losing the useful signal.
Предлагаемый ИСЗ можно эксплуатировать на подвижных объектах или измерять скорость звука в текущих жидкостях, так как исключается влияние эффекта Доплера на точность измерения.The proposed satellite can be operated on moving objects or measure the speed of sound in flowing liquids, since the influence of the Doppler effect on the measurement accuracy is excluded.
Автоматический процесс измерения позволяет дистанционно и программно управлять работой ИСЗ.The automatic measurement process allows you to remotely and programmatically control the operation of the satellite.
ЛитератураLiterature
1. Носов В.А. Проектирование ультразвуковой измерительной аппаратуры. Москва, Машиностроение, 1972 г.1. Nosov V.A. Design of ultrasonic measuring equipment. Moscow, Mechanical Engineering, 1972
2. Ю.Ф.Тарасюк, Г.Н.Серавин. Гидроакустическая телеметрия. Ленинград, Судостроение, 1973 г.2. Yu.F. Tarasyuk, G.N. Seravin. Hydroacoustic telemetry. Leningrad, Shipbuilding, 1973
3. Подводные электроакустические преобразователи. Под ред. В.В.Богородского. Справочник. Ленинград, Судостроение, 1983 г.3. Underwater electro-acoustic transducers. Ed. V.V. Bogorodsky. Directory. Leningrad, Shipbuilding, 1983
4. А.Г.Алексеенко, Е.А.Коломбет, Г.И.Стародуб. Применение прецизионных аналоговых микросхем. Москва, Радио и связь, 1985 г.4. A.G. Alekseenko, E.A. Kolombet, G.I. Starodub. The use of precision analog microcircuits. Moscow, Radio and Communications, 1985
5. Ю.Н.Ерофеев. Импульсная техника. Москва, Высшая школа, 1984 г.5. Yu.N. Erofeev. Impulse technique. Moscow, Higher School, 1984
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003115607/28A RU2244270C1 (en) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | Device for measuring sound speed in liquid environment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003115607/28A RU2244270C1 (en) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | Device for measuring sound speed in liquid environment |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003115607A RU2003115607A (en) | 2004-12-10 |
RU2244270C1 true RU2244270C1 (en) | 2005-01-10 |
Family
ID=34881213
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003115607/28A RU2244270C1 (en) | 2003-05-26 | 2003-05-26 | Device for measuring sound speed in liquid environment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2244270C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2808100C1 (en) * | 2023-06-09 | 2023-11-23 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Sound velocimeter for liquid medium |
-
2003
- 2003-05-26 RU RU2003115607/28A patent/RU2244270C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Ю.Ф.ТАРАСЮК, Г.Н.СЕРАВИН. Гидроакустическая телеметрия. - Л.: Судостроение, 1973, с.107. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2808100C1 (en) * | 2023-06-09 | 2023-11-23 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Sound velocimeter for liquid medium |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR20050004213A (en) | Ultrasonic flowmeter and ultrasonic flowmetering method | |
US5349860A (en) | Apparatus for measuring the thickness of clad material | |
JPS5828554B2 (en) | ultrasonic distance meter | |
JPS592859B2 (en) | Clock circuit for pulse reflection ultrasonic flaw detection | |
US4453238A (en) | Apparatus and method for determining the phase sensitivity of hydrophones | |
Williamson et al. | Coherent Detection Technique for Variable‐Path‐Length Measurements of Ultrasonic Pulses | |
Lees et al. | Ultrasonic measurement of dental enamel demineralization | |
RU2244270C1 (en) | Device for measuring sound speed in liquid environment | |
Richardson et al. | Sonic depth sounder for laboratory and field use | |
RU2808100C1 (en) | Sound velocimeter for liquid medium | |
SU1345063A1 (en) | Method of determining depth and velocity of propagation of ultrasonic waves in articles | |
RU2284015C2 (en) | Method and device for measuring flux discharge | |
RU2160887C1 (en) | Ultrasonic flowmeter | |
RU2106602C1 (en) | Ultrasound flowmeter | |
JPS6073311A (en) | Ultrasonic-wave water-level measuring apparatus | |
SU1379621A1 (en) | Method of measuring thickness of polymer coatings using ultrasound | |
SU682816A1 (en) | Device for measuring sound reflection factor | |
SU1249465A1 (en) | Method of dynamic calibrating of hot-wire anemometer | |
SU917074A1 (en) | Method of sound reflection factor determination | |
SU1296942A1 (en) | Ultrasonic meter of flow velocity | |
SU1460620A1 (en) | Method of measuring the mean ultrasound velocity in positively nonhomogeneous layer | |
SU1004757A1 (en) | Ultrasonic device for measuring mechanical stresses | |
SU1582112A1 (en) | Method of determining speed of propagation of uldtrasonic oscillations | |
SU580498A1 (en) | Ultrasound propagation rate meter | |
RU2073830C1 (en) | Method of measurement of flow rate of liquid and gaseous media |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190527 |