RU2529734C1 - Time-of-flight method of determining sound speed in liquid medium and apparatus therefor - Google Patents

Time-of-flight method of determining sound speed in liquid medium and apparatus therefor Download PDF

Info

Publication number
RU2529734C1
RU2529734C1 RU2013122644/28A RU2013122644A RU2529734C1 RU 2529734 C1 RU2529734 C1 RU 2529734C1 RU 2013122644/28 A RU2013122644/28 A RU 2013122644/28A RU 2013122644 A RU2013122644 A RU 2013122644A RU 2529734 C1 RU2529734 C1 RU 2529734C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sound
pulses
sound pulses
time interval
base
Prior art date
Application number
RU2013122644/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Андреевич БЕЛОГОЛЬСКИЙ
Лариса Михайловна САМОРУКОВА
Станислав Владимирович Сильвестров
Original Assignee
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") filed Critical Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри")
Priority to RU2013122644/28A priority Critical patent/RU2529734C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2529734C1 publication Critical patent/RU2529734C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: procedure of measuring sound speed using a time-of-flight method includes setting a measurement base using a special measure of length in the form of a rectangular parallelepiped with two polished sound-reflecting surfaces. The rectangular parallelepiped is mounted vertically on an adjustable base of the working measurement volume bounded by a cover in the form of plane-parallel plate. Receiving/transmitting piezoelectric transducers are installed opposite the sound-reflecting face of the rectangular parallelepiped and the sound-reflecting base, said transducers being connected to an electric pulse generator and a time interval measuring device. The piezoelectric transducers are mounted on the outer surface of the plane-parallel plate, and adjustment elements are placed on the base, connected to the upper part of the device by squirrel wheel. The measurement procedure includes multiple reflection of sound pulses. Sound speed is estimated based on the time interval from the beginning of generation of sound pulses by the generator to the time of receiving the sound pulses, taking into account adjustment corrections.
EFFECT: increased accuracy of measuring sound speed.
2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области метрологии и измерительной техники и может быть использовано в гидроакустике для определения скорости звука в жидких средах.The invention relates to the field of metrology and measuring equipment and can be used in sonar to determine the speed of sound in liquid media.

Известен времяпролетный способ определения скорости звука, заключающийся в формировании базы измерения с помощью двух расположенный напротив друг друга пьезопреобразователей - передающего и принимающего звуковые импульсы [Авторское свидетельство СССР, СССР, №1483285, кл. GOIH 5/00, 1987] [1].Known time-of-flight method for determining the speed of sound, which consists in the formation of a measurement base using two opposite piezoelectric transducers - transmitting and receiving sound pulses [Copyright certificate of the USSR, USSR, No. 1483285, class. GOIH 5/00, 1987] [1].

Известно устройство для реализации способа, содержащее передающий пьезопреобразователь, приемный пьезопреобразователь, генератор электрических импульсов и измеритель временных интервалов, подключенные соответственно к передающему и приемному пьезопреобразователю [1].A device for implementing the method is known, comprising a transmitting piezoelectric transducer, a receiving piezoelectric transducer, an electric pulse generator and a time interval meter connected respectively to a transmitting and receiving piezoelectric transducer [1].

Недостатком известных способа и устройства является низкая точность задания базы измерения, а значит, и низкая точность определения скорости звука в среде.A disadvantage of the known method and device is the low accuracy of setting the measurement base, and hence the low accuracy of determining the speed of sound in the medium.

Известен времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде, заключающийся том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых импульсов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии Lt,Р один от другого, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прихода которых судят о скорости звука в жидкой среде [И.Л. Кузнецов. A.M. Молоков, Ф.П. Шнитман. Анализ точности времяпролетного преобразователя скорости звука в воде. Сб. Научн. трудов ВНИИФТРИ. Гидрофизические измерения. М., 1985. С.33-39] [2].There is a known time-of-flight method for determining the speed of sound in a liquid medium, which consists in the fact that at given temperature and pressure, sound pulses are used to direct sound pulses to two sound reflectors installed in parallel in a liquid medium at a distance L t , P from one another, the second of which closest to the shapers of sound pulses, and receive reflected sound pulses, by the time of arrival of which they judge the speed of sound in a liquid medium [I.L. Kuznetsov. AM Molokov, F.P. Schnittman. Analysis of the accuracy of the time of flight transducer of sound velocity in water. Sat Scientific Proceedings of VNIIFTRI. Hydrophysical measurements. M., 1985. P.33-39] [2].

Известно устройство для определения скорости звука в жидкой среде, содержащее основание, которое выполнено звукоотражающим в виде пластины, прямоугольный параллелепипед (далее - параллелепипед) длиной Lt,Р с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним торцом на основании, рабочий измерительный объем, электрически последовательно соединенные генератор электрических импульсов и приемно-передающий пьезопреобразователь (далее - пьезопреобразователь), установленный напротив свободного торца стержня и основания, и измеритель временных интервалов, поключенный к пьезопреобразователю [2].A device for determining the speed of sound in a liquid medium containing a base, which is made sound-reflecting in the form of a plate, a rectangular parallelepiped (hereinafter, a parallelepiped) of length L t , P with plane-parallel sound-reflecting ends, fixed with one end on the base, a working measuring volume, electrically connected in series an electric pulse generator and a transceiver piezoelectric transducer (hereinafter referred to as the piezoelectric transducer) mounted opposite the free end of the rod and base, and zmeritel time slots to connection to the piezoelectric transducer [2].

Данные способ и устройство приняты за прототипы. Недостатком прототипов являются недостаточно высокая точность определения скорости звука в жидкой среде, связанная с погрешностями из-за дифракционных (краевых) эффектов разделения звукового луча по сечению на два, изменений температуры и давления среды, а также отсутствием элементов юстировки, от которых зависит параллельность базы измерения и направления перемещения звуковых импульсов.These method and device are taken as prototypes. The disadvantage of the prototypes is the lack of accuracy in determining the speed of sound in a liquid medium, associated with errors due to diffraction (edge) effects of dividing the sound beam into two sections, changes in temperature and pressure of the medium, as well as the absence of alignment elements on which the parallel measurement base depends and directions of movement of sound pulses.

Первый вид погрешности связан с тем, что в прототипе один преобразователь одной половиной расположен над параллелепипедом, задающим базу измерения, а второй половиной - над звукоотражающим основанием рабочего измерительного объема, что неизбежно вызывает дифракционные эффекты на краю параллелепипеда. Второй вид погрешности связан с отсутствием средств юстировки звукоотражающего основания относительно направления оси диаграммы направленности излучения пьезопреобразователя, что приводит к неточному формированию длины базы измерения.The first type of error is due to the fact that in the prototype one transducer, one half, is located above the parallelepiped that defines the measurement base, and the second half, above the sound-reflecting base of the working measuring volume, which inevitably causes diffraction effects at the edge of the parallelepiped. The second type of error is due to the lack of means for adjusting the sound-reflecting base relative to the direction of the axis of the radiation pattern of the piezoelectric transducer, which leads to inaccurate formation of the length of the measurement base.

Кроме того, в прототипе пьезопреобразователь непосредственно контактирует с жидкой средой, которая может находиться под высоким давлением и при высокой температуре. Это неизбежно влияет на характеристики пьезопреобразователя и точность измерения времени распространения звуковых импульсов, а значит, и точность определения скорости звука.In addition, in the prototype, the piezoelectric transducer is in direct contact with a liquid medium, which can be under high pressure and at high temperature. This inevitably affects the characteristics of the piezoelectric transducer and the accuracy of measuring the propagation time of sound pulses, and hence the accuracy of determining the speed of sound.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является устранение указанных недостатков, то есть повышение точности определения скорости звука.The technical result obtained from the introduction of inventions is the elimination of these disadvantages, that is, improving the accuracy of determining the speed of sound.

Данный технический результат достигается тем, что в известном времяпролетном способе определения скорости звука в жидкой среде, заключающемся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых сигналов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии Lt,Р один от другого и задающие базу измерения, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерения Lt,Р судят о скорости звука в жидкой среде, используют дополнительно третий и четвертый звукоотражатели, расположенные выше указанных, параллельные первым двум, образованные плоскостями плоскопараллельной пластины, причем третий звукоотражатель размещают на нижней поверхности пластины, контактирующей с жидкой средой, а четвертый - в плоскости формирования звуковых импульсов, затем измеряют интервал времени τ1 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ2 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ3 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ4 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ5 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов от второго звукоотражателя, интервал времени τ6 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, интервал времени τ7 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, от второго отражателя, интервал времени τ8 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, а скорость звука C определяют из математического выражения:This technical result is achieved by the fact that in the known time-of-flight method for determining the speed of sound in a liquid medium, which consists in the fact that at given temperature and pressure, sound pulses direct sound pulses to two sound reflectors installed in parallel in a liquid medium at a distance L t , P one from another and specifying the measurement base, the second of which is the closest to the shapers of sound pulses, and receive reflected sound pulses, along the time of passage of which the measurement base L t , P judge the speed of sound in a liquid medium, use the third and fourth sound reflectors located above the above, parallel to the first two, formed by the planes of a plane-parallel plate, the third sound reflector being placed on the lower surface of the plate in contact with the liquid medium, and the fourth in plane of the sound pulses, then measure the time interval τ 1 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the first generator, until the reception of sound pulses reflected s from the first acoustic reflector, the time interval τ 2 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the first generator, until the reception of sound pulses sequentially reflected from the first, third and first acoustic reflector, the time interval τ 3 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the second generator to the time of reception of sound pulses reflected from the first acoustic reflector, the time interval τ 4 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the second generator, until receiving ulcers postglacial pulses sequentially reflected from the first, third and first acoustic reflector, the time interval τ 5 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the third generator to the moment of reception of sound pulses from the second acoustic reflector, the time interval τ 6 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the third generator, until the moment of receiving sound pulses created by the third driver, successively twice reflected from the second sound reflector and once from the third sound reflector, inter tore time τ 7 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the fourth shaper to the moment of receiving sound pulses generated by the fourth shaper from the second reflector, time interval τ 8 from the start of formation of sound pulses generated by the fourth shaper to the moment of receiving sound pulses generated by the fourth shaper, successively twice reflected from the second sound reflector and once from the third sound reflector, and the speed of sound C is determined from the mathematical expression:

C = 2 L t , P ± Δ L t P [ ( τ 2 τ 1 ) + ( τ 4 τ 3 ) 2 ] [ ( τ 6 τ 5 ) + ( τ 8 τ 7 ) 2 ] ,                           (1)

Figure 00000001
C = 2 L t , P ± Δ L t P [ ( τ 2 - τ one ) + ( τ four - τ 3 ) 2 ] - [ ( τ 6 - τ 5 ) + ( τ 8 - τ 7 ) 2 ] , (one)
Figure 00000001

где ±ΔLt,P - поправка на допускаемую недоюстировку.where ± ΔL t, P is the correction for the allowable misadjustment.

В части устройства технический результат достигается тем, что в устройстве, содержащем основание, которое выполнено звукоотражающим в виде пластины, параллелепипед длиной Lt,P с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним из торцов на основании, рабочий измерительный объем, генератор электрических импульсов и пьезопреобразователь, установленный напротив свободного торца стержня и основания, соединенные между собой, и измеритель временных интервалов, подключенный к пьезопреобразователю, дополнительно введены плоскопараллельная пластина, установленная в верхней части устройства, три дополнительных пьезопреобразователя, электрически подключенные к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов, а также беличье колесо, при этом пьезопреобразователи установлены на верхней плоскости плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы расположены на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом.In the device part, the technical result is achieved in that in the device containing the base, which is made sound-reflecting in the form of a plate, a parallelepiped of length L t, P with plane-parallel sound-reflecting ends, fixed by one of the ends on the base, the working measuring volume, the electric pulse generator and the piezoelectric transducer, mounted opposite the free end of the rod and the base, interconnected, and a time interval meter connected to the piezoelectric transducer, additionally introduced a parallel plate installed in the upper part of the device, three additional piezoelectric transducers, electrically connected to an electric pulse generator and a time interval meter, as well as a squirrel wheel, while the piezoelectric transducers are mounted on the upper plane of the plane-parallel plate, and the alignment elements are located on the base connected to the upper part devices squirrel wheel.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 приведены основные элементы устройства, на фиг.2 - расположение пьезопреобразователей относительно плоскопараллельной пластины, на фиг.3 - диаграмма, поясняющая принцип реализации способа, на фиг.4 - временная диаграмма, поясняющая существо способа.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows the main elements of the device, figure 2 - the location of the piezoelectric transducers relative to the plane-parallel plate, figure 3 is a diagram explaining the principle of the method, figure 4 is a timing chart explaining the essence of the method.

Устройство содержит параллелепипед 1 с плоскопараллельными полированными звукоотражающими торцами 2, 3, задающими базу измерения Lt,P. Параллелепипед 1 закреплен одним из торцов, например торцом 3, на звукоотражающем основании 4 рабочего измерительного объема 5 с жидкой средой.The device contains a parallelepiped 1 with plane-parallel polished sound-reflecting ends 2, 3, defining the measurement base L t, P. The parallelepiped 1 is fixed by one of the ends, for example the end 3, on the sound-reflecting base 4 of the working measuring volume 5 with a liquid medium.

Связующим звеном основания и верхних частей устройства является беличье колесо 6 и элементы юстировки (являющиеся элементами ноу-хау в части устройства заявителя) параллелепипеда 1 относительно направления распространения звуковых сигналов. Через отверстия беличьего колеса 6 жидкая среда проникает в зону измерения скорости звука. Объем 5 закрыт крышкой в виде плоскопараллельной пластины 7, установленной на беличьем колесе 6 параллельно звукоотражающему основанию 4. На плоскопараллельной пластине 7 снаружи установлено четыре пьезопреобразователя 8, …, 11 (фиг.1, 2). Пьезопреобразователи 8, 9 и 10, 11 расположены на периферии пластины 7 диаметрально противоположно, как показано на фиг.2.The connecting link between the base and the upper parts of the device is the squirrel wheel 6 and the alignment elements (which are the know-how elements in the part of the applicant’s device) of the parallelepiped 1 with respect to the direction of propagation of sound signals. Through the holes of the squirrel wheel 6, the liquid medium penetrates into the zone of measuring the speed of sound. The volume 5 is closed by a lid in the form of a plane-parallel plate 7 mounted on the squirrel wheel 6 parallel to the sound-reflecting base 4. On the plane-parallel plate 7, four piezoelectric transducers 8, ..., 11 are installed outside (Figs. 1, 2). The piezoelectric transducers 8, 9 and 10, 11 are located on the periphery of the plate 7 diametrically opposite, as shown in figure 2.

При этом звукоотражающие поверхности торца 2 параллелепипеда 1 и основание 4 рабочего объема 5 выполнены из одного материала, например, нержавеющей стали.At the same time, the sound-reflecting surfaces of the end face 2 of the parallelepiped 1 and the base 4 of the working volume 5 are made of one material, for example, stainless steel.

Устройство также включает в себя генератор электрических импульсов и измеритель временных интервалов (на чертеже не показаны), подключенные к преобразователям 8, …, 11.The device also includes an electric pulse generator and a time interval meter (not shown in the drawing) connected to converters 8, ..., 11.

В основе любого времяпролетного способа определения скорости звука, в том числе в аналоге, прототипе и заявленном способе, лежит необходимость точного измерения величины базы измерения Lt,P и времени τ ее прохождения звуковыми импульсами. Использование в качестве базы измерения параллелепипеда 1 со звукоотражающими торцами 2, 3 позволяет при заданных температуре t и давлении P с большой точностью задать величину базы измерения при использовании современных образцовых средств измерения длины. Основные виды погрешностей в измерении величины базы измерения в этом случае будут проявляться из-за влияния температуры t и давления P, а также из-за недоюстировки устройства (не совпадения направлений вертикальных граней параллелепипеда 1 и направления движения звуковых импульсов). Способ определения последнего вида погрешности в величине (±ΔLt,P) является ноу-хау заявителя в части способа.The basis of any time-of-flight method for determining the speed of sound, including the analogue, prototype and the claimed method, is the need for accurate measurement of the measurement base Lt, P and time τ of its passage by sound pulses. The use of a parallelepiped 1 with sound-reflecting ends 2, 3 as a measurement base allows, at given temperature t and pressure P, to set the measurement base with high accuracy using modern standard length measuring instruments. The main types of errors in the measurement of the measurement base in this case will be manifested due to the influence of temperature t and pressure P, as well as due to the device misconfiguration (the directions of the vertical faces of the parallelepiped 1 do not coincide with the direction of movement of the sound pulses). The method for determining the latter type of error in the amount of (± ΔL t, P ) is the know-how of the applicant in terms of the method.

Значения поправок на длину базы измерения при изменениях температуры t и давления P рассчитываются по известным зависимостям [А.А. Александров, Д.К. Ларкин. Экспериментальное определение скорости ультразвука в воде в широком диапазоне температур и давления. Теплоэнергетика, 1976, №2, 75-78]. Погрешность из-за разъюстировки устройства легко устраняется в предложенном техническом решении введением плоскопараллельной пластины 7 и пьезопреобразователей 8, …, 11.The values of the corrections for the length of the measurement base with changes in temperature t and pressure P are calculated from known dependences [A.A. Alexandrov, D.K. Larkin. Experimental determination of the speed of ultrasound in water over a wide range of temperatures and pressures. Heat engineering, 1976, No. 2, 75-78]. The error due to misalignment of the device is easily eliminated in the proposed technical solution by the introduction of plane-parallel plate 7 and piezoelectric transducers 8, ..., 11.

С другой стороны, расположение пьезопреобразователей 8, …, 11 по внешней стороне пластины 6 по отношению к исследуемой среде позволяет исключить влияние среды на характеристики пьезопреобразователей, а значит, на измерение длины базы и времени распространения звука.On the other hand, the location of the piezoelectric transducers 8, ..., 11 on the outer side of the plate 6 with respect to the medium under study allows us to exclude the influence of the medium on the characteristics of the piezoelectric transducers, and hence on the measurement of the base length and sound propagation time.

Однако введение данных признаков приводит к появлению на пути распространения звуковых импульсов четырех (а не двух, как в прототипе) звукоотражателей “а”, “б”, “в”, “г” (фиг.1) и, как следствие этого, к появлению двух отраженных от этих звукоотражателей звуковых импульсов на входе каждого пьезопреобразователя. В связи с этим определение времени τ прохождения звуковыми импульсами базы измерения Lt,P носит более сложный характер, чем в прототипе, в котором время τ равно разности времен прихода звуковых импульсов, отраженных от границ базы измерения.However, the introduction of these signs leads to the appearance on the propagation path of sound pulses of four (and not two, as in the prototype) sound reflectors “a”, “b”, “c”, “d” (Fig. 1) and, as a consequence of this, to the appearance of two sound pulses reflected from these sound reflectors at the input of each piezoelectric transducer. In this regard, the determination of the time τ of the passage of sound pulses of the measurement base L t, P is more complex than in the prototype, in which time τ is equal to the difference in the arrival times of sound pulses reflected from the boundaries of the measurement base.

На фиг.1 условно стрелками показаны звуковые импульсы τ1, τ2, τ3, τ4, последовательно поступившие на вход пьезопреобразователей 8, 9 после отражений от звукоотражателей “а”, “в”, “а”, а также звуковые импульсы τ5, τ6, τ7, τ8, последовательно отразившиеся от звукоотражателей “б”, “в”, “б” и пришедшие на вход пьезопреобразователей 10, 11.In Fig. 1, conventionally, the arrows indicate the sound pulses τ 1 , τ 2 , τ 3 , τ 4 sequentially received at the input of the piezo transducers 8, 9 after reflections from the sound reflectors “a”, “b”, “a”, as well as the sound pulses τ 5 , τ 6 , τ 7 , τ 8 , successively reflected from the sound reflectors “b”, “c”, “b” and coming to the input of the piezo transducers 10, 11.

На фиг.3, 4 для ясности данные отражения показаны во временной последовательности.3, 4, for clarity, the reflection data is shown in time sequence.

Импульс τ1 условно характеризует интервал времени от начала формирования звукового импульса до момента его приема после отражения от звукоотражателя “а” (пьезопреобразователь 8).The pulse τ 1 conditionally characterizes the time interval from the beginning of the formation of the sound pulse to the moment it is received after reflection from the sound reflector “a” (piezoelectric transducer 8).

Импульс τ2 - интервал времени от начала формирования звукового импульса до момента его приема после отражения последовательно от звукоотражателей “а”, “в”, “а”, как следует из второй диаграммы на фиг.2 (пьезопреобразователь 8).The pulse τ 2 is the time interval from the beginning of the formation of the sound pulse to the moment of its reception after reflection in series from the sound reflectors “a”, “b”, “a”, as follows from the second diagram in figure 2 (piezoelectric transducer 8).

Импульс τ3 - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателя “а” (пьезопреобразователь 9).Pulse τ 3 is the time interval from the beginning of the formation of sound pulses to the moment of receiving pulses successively reflected from the sound reflector “a” (piezoelectric transducer 9).

Импульс τ4 - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента их приема, когда они последовательно отражаются от звукоотражателей “а”, “в”, “а” (пьезопреобразователь 9).The pulse τ 4 is the time interval from the beginning of the formation of sound pulses to the moment of their reception, when they are successively reflected from the sound reflectors “a”, “b”, “a” (piezoelectric transducer 9).

Импульс τ5 - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, отраженных от звукоотражателя “б” (пьезопреобразователь 10).Pulse τ 5 is the time interval from the beginning of the formation of sound pulses to the moment of receiving pulses reflected from the sound reflector “b” (piezoelectric transducer 10).

Импульс τ6 - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателей “б”, “в”, “б” (пьезопреобразователь 10).Impulse τ 6 is the time interval from the beginning of the formation of sound pulses to the moment of receiving pulses successively reflected from the sound reflectors “b”, “c”, “b” (piezoelectric transducer 10).

Импульс τ7 - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателя “б” (пьезопреобразователь 11).Pulse τ 7 is the time interval from the beginning of the formation of sound pulses to the moment of receiving pulses sequentially reflected from the sound reflector “b” (piezoelectric transducer 11).

Импульс τ8 - интервал времени от начала формирования звуковых импульсов до момента приема импульсов, последовательно отраженных от звукоотражателей “б”, “в”, “б” (пьезопреобразователь 11).Impulse τ 8 is the time interval from the beginning of the formation of sound pulses to the moment of receiving pulses successively reflected from the sound reflectors “b”, “c”, “b” (piezoelectric transducer 11).

Нетрудно заметить, что для пьезопреобразователей 8, 9 удвоенное среднее время, необходимое для прохода звуковым импульсом расстояния от звукоотражателя “в” до “а” (фиг.1-4), будет равноIt is easy to see that for piezoelectric transducers 8, 9, the doubled average time required for the sound pulse to travel from the sound reflector “b” to “a” (Figs. 1–4) will be equal to

( τ 2 τ 1 ) + ( τ 4 τ 3 ) 2                              (2)

Figure 00000002
( τ 2 - τ one ) + ( τ - four τ 3 ) 2 (2)
Figure 00000002

Аналогично для преобразователей 10, 11 удвоенное среднее время, необходимое для прохода звуковым импульсом расстояния от звукоотражателя “в” до “б” (фиг.1-4), будет равноSimilarly, for transducers 10, 11, the doubled average time required for the sound pulse to travel from the sound reflector “c” to “b” (FIGS. 1-4) will be equal to

( τ 6 τ 5 ) + ( τ 8 τ 7 ) 2                              (3)

Figure 00000003
( τ 6 - τ 5 ) + ( τ - 8 τ 7 ) 2 (3)
Figure 00000003

Время прохода звуковым импульсом базового расстояния Lt,P в таком случае будет равно разности величин (2) и (3). Поделив на полученное время величину базы измерения, получим уравнение (1) для определения скорости звука предложенным способом.In this case, the sound pulse passage time of the base distance L t, P will be equal to the difference of values (2) and (3). Dividing the measurement base by the obtained time, we obtain equation (1) for determining the speed of sound by the proposed method.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Сначала с помощью пьезопреобразователей 8, …, 11 (фиг.2) и элементов юстировки осуществляют юстировку основания 4 относительно пластины 7 по равенству времен прохождения импульсом слоя жидкости в измерительном объеме. Разность между временами на практике не должна превышать 10 нc.First, using piezoelectric transducers 8, ..., 11 (FIG. 2) and alignment elements, the base 4 is aligned with respect to the plate 7 according to the equality of the times the pulse travels through the liquid layer in the measuring volume. The difference between the times in practice should not exceed 10 ns.

Последовательно или одновременно от пьезопреобразователей (8, 9) и (10, 11) к звукоотражателям “а” и “б”, соответственно, направляют звуковые импульсы с помощью генератора электрических импульсов и измеряют времена τ1, …,τ8 и при известности базы измерения Lt,P по формуле (1) и при использовании ноу-хау в части способа определяют скорость звука в жидкой среде.Sequentially or simultaneously from the piezoelectric transducers (8, 9) and (10, 11) to the sound reflectors “a” and “b”, respectively, they direct sound pulses using an electric pulse generator and measure the times τ 1 , ..., τ 8 and when the base is known measurements of L t, P according to the formula (1) and when using the know-how regarding the method, determine the speed of sound in a liquid medium.

В данном способе отсутствуют погрешности, связанные с наличием дифракционных эффектов, поскольку звуковые импульсы не попадают на края параллелепипеда 1 в отличие от прототипа.In this method, there are no errors associated with the presence of diffraction effects, since sound pulses do not fall on the edges of the parallelepiped 1, in contrast to the prototype.

На результаты измерений не влияют изменения физических характеристик среды, поскольку пьезопреобразователи 7 и 8 не контактируют с ней.The measurement results are not affected by changes in the physical characteristics of the medium, since the piezoelectric transducers 7 and 8 do not contact it.

С помощью элементов юстировки (ноу-хау в части устройства) и при использовании поправки (ноу-хау в части способа) с помощью заявленного устройства определяется скорость звука в жидкой среде с высокой точностью (0,01…0,05) м/с в диапазоне скоростей звука в жидкой среде (800…2000) м/с.Using the adjustment elements (know-how regarding the device) and using the correction (know-how regarding the method) using the claimed device determines the speed of sound in a liquid medium with high accuracy (0.01 ... 0.05) m / s the range of sound speeds in a liquid medium (800 ... 2000) m / s.

Этим достигается поставленный в заявке технический результат.This achieves the technical result set in the application.

Claims (2)

1. Времяпролетный способ определения скорости звука в жидкой среде, заключающийся в том, что при заданных температуре и давлении с помощью формирователей звуковых импульсов направляют звуковые импульсы на два звукоотражателя, параллельно установленные в жидкой среде на расстоянии Lt,P один от другого и задающие базу измерения, второй из которых - ближайший к формирователям звуковых импульсов, и принимают отраженные звуковые импульсы, по времени прохода которыми базы измерений Lt,P судят о скорости звука в жидкой среде, отличающийся тем, что используют дополнительно третий и четвертый звукоотражатели, расположенные выше указанных, параллельные первым двум, образованные плоскостями плоскопараллельной пластины, причем третий звукоотражатель размещают на нижней поверхности пластины, контактирующей с жидкой средой, а четвертый - в плоскости формирования звуковых импульсов, затем измеряют интервал времени τ1 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ2 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых первым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ3 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, отраженных от первого звукоотражателя, интервал времени τ4 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых вторым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, последовательно отраженных от первого, третьего и первого звукоотражателей, интервал времени τ5 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов от второго звукоотражателя, интервал времени τ6 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых третьим формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, интервал времени τ7 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, от второго отражателя, интервал времени τ8 от начала формирования звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, до момента приема звуковых импульсов, создаваемых четвертым формирователем, последовательно дважды отраженных от второго звукоотражателя и один раз от третьего звукоотражателя, а скорость звука C определяют из математического выражения:
C = 2 L t , P ± Δ L t P [ ( τ 2 τ 1 ) + ( τ 4 τ 3 ) 2 ] [ ( τ 6 τ 5 ) + ( τ 8 τ 7 ) 2 ]
Figure 00000004
,
где ±ΔLt,P - поправка на допускаемую недоюстировку.
1. The time-of-flight method for determining the speed of sound in a liquid medium, which consists in the fact that at given temperature and pressure, sound pulses are used to direct sound pulses to two sound reflectors installed in parallel in a liquid medium at a distance L t, P from one another and defining the base measuring the second of which - the closest to the formers acoustic pulses and receiving the reflected sound pulses, the time base measuring passage which L t, P is judged on the sound velocity in a liquid medium, wherein Thu used additionally third and fourth acoustic reflector disposed above said parallel first two formed planes parallel plate, said third acoustic reflector disposed on the lower surface of the plate, in contact with the liquid medium, and the fourth - in the plane of the sound pulses, then measure the time interval τ 1 from the beginning of the formation of sound pulses created by the first driver, until the moment of receiving sound pulses reflected from the first sound reflector, the interval in Yemeni τ 2 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the first generator, until the reception of sound pulses sequentially reflected from the first, third and first acoustic reflector, the time interval τ 3 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the second generator, until the reception of sound pulses reflected a first acoustic reflector, the time interval τ 4 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the second generator, until the reception of sound pulses sequentially reflected s from the first, third and first acoustic reflector, the time interval τ 5 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the third generator to the moment of reception of sound pulses from the second acoustic reflector, the time interval τ 6 from the beginning of the formation of sound pulses generated by the third generator to the moment of reception of sound pulses created by the third driver, successively twice reflected from the second sound reflector and once from the third sound reflector, time interval τ 7 from the beginning of the formation of sound of the pulses generated by the fourth shaper, until the sound pulses generated by the fourth shaper are received from the second reflector, the time interval τ 8 from the beginning of the formation of sound pulses created by the fourth shaper, until the sound pulses created by the fourth shaper are received, twice reflected from the second one reflector and once from the third reflector, and the speed of sound C is determined from the mathematical expression:
C = 2 L t , P ± Δ L t P [ ( τ 2 - τ one ) + ( τ four - τ 3 ) 2 ] - [ ( τ 6 - τ 5 ) + ( τ 8 - τ 7 ) 2 ]
Figure 00000004
,
where ± ΔL t, P is the correction for the allowable misadjustment.
2. Устройство для определения скорости звука в жидкой среде, содержащее основание, выполненное звукоотражающим в виде пластины, прямоугольный параллелепипед длиной Lt,p с плоскопараллельными звукоотражающими торцами, закрепленный одним из торцов на основании, измерительный объем, генератор электрических импульсов и приемно-передающий пьезопреобразователь, установленный напротив свободного торца прямоугольного параллелепипеда и основания, соединенные между собой, и измеритель временных интервалов, подключенный к пьезопреобразователю, отличающееся тем, что оно снабжено плоскопараллельной пластиной, установленной в верхней части устройства, тремя дополнительными приемно-передающими пьезопреобразователями, электрически подключенными к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов, а также беличьим колесом, при этом пьезопреобразователи установлены на верхней плоскости плоскопараллельной пластины, а юстировочные элементы расположены на основании, связанном с верхней частью устройства беличьим колесом. 2. Device for determining the speed of sound in a liquid medium, containing a base made sound-reflecting in the form of a plate, a rectangular parallelepiped of length L t, p with plane-parallel sound-reflecting ends, fixed by one of the ends on the base, a measuring volume, an electric pulse generator and a transceiver piezoelectric transducer mounted opposite the free end of the rectangular parallelepiped and the base, interconnected, and a time interval meter connected to the piezoelectric transducer lu, characterized in that it is equipped with a plane-parallel plate installed in the upper part of the device, three additional receiving and transmitting piezoelectric transducers, electrically connected to an electric pulse generator and a time interval meter, as well as a squirrel wheel, while the piezoelectric transducers are mounted on the upper plane of the plane-parallel plate, and the adjustment elements are located on the base connected with the upper part of the device by a squirrel wheel.
RU2013122644/28A 2013-05-17 2013-05-17 Time-of-flight method of determining sound speed in liquid medium and apparatus therefor RU2529734C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013122644/28A RU2529734C1 (en) 2013-05-17 2013-05-17 Time-of-flight method of determining sound speed in liquid medium and apparatus therefor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013122644/28A RU2529734C1 (en) 2013-05-17 2013-05-17 Time-of-flight method of determining sound speed in liquid medium and apparatus therefor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2529734C1 true RU2529734C1 (en) 2014-09-27

Family

ID=51656792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013122644/28A RU2529734C1 (en) 2013-05-17 2013-05-17 Time-of-flight method of determining sound speed in liquid medium and apparatus therefor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2529734C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2786786C1 (en) * 2022-04-25 2022-12-26 Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) Time-of-flight method for determining the speed of sound in liquid media and a device for its implementation

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1316497A (en) * 1969-05-19 1973-05-09 Inst Francais Du Petrole method and apparatus for visual representation in a model of a surveyed medium
SU792129A1 (en) * 1978-07-14 1980-12-30 Ленинградский Ордена Ленина Кораблестроительный Институт Method of measuring sound velocity in viscoelastic materials
SU811137A1 (en) * 1978-04-17 1981-03-07 Белорусский Республиканский Центрстандартизации И Метрологии Method of determining ultrasound propagation speed
SU1244502A1 (en) * 1985-01-09 1986-07-15 Донской Ордена Трудового Красного Знамени Сельскохозяйственный Институт Method of measuring velocity of ultrasound in substance layer
SU1732177A1 (en) * 1989-12-13 1992-05-07 Ленинградский государственный университет Method of determining ultrasound velocity temperature coefficient
SU1742632A1 (en) * 1989-12-27 1992-06-23 Ленинградский государственный университет Measurement technique for determining temperature coefficient of ultrasonic speed
RU92000526A (en) * 1992-10-14 1996-12-20 Научно-производственное объединение "Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" TIME-SPAN METHOD FOR DETERMINING SOUND SPEED IN A LIQUID ENVIRONMENT AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1316497A (en) * 1969-05-19 1973-05-09 Inst Francais Du Petrole method and apparatus for visual representation in a model of a surveyed medium
SU811137A1 (en) * 1978-04-17 1981-03-07 Белорусский Республиканский Центрстандартизации И Метрологии Method of determining ultrasound propagation speed
SU792129A1 (en) * 1978-07-14 1980-12-30 Ленинградский Ордена Ленина Кораблестроительный Институт Method of measuring sound velocity in viscoelastic materials
SU1244502A1 (en) * 1985-01-09 1986-07-15 Донской Ордена Трудового Красного Знамени Сельскохозяйственный Институт Method of measuring velocity of ultrasound in substance layer
SU1732177A1 (en) * 1989-12-13 1992-05-07 Ленинградский государственный университет Method of determining ultrasound velocity temperature coefficient
SU1742632A1 (en) * 1989-12-27 1992-06-23 Ленинградский государственный университет Measurement technique for determining temperature coefficient of ultrasonic speed
RU92000526A (en) * 1992-10-14 1996-12-20 Научно-производственное объединение "Всесоюзный научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" TIME-SPAN METHOD FOR DETERMINING SOUND SPEED IN A LIQUID ENVIRONMENT AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
И.Л. Кузнецов. A.M. Молоков, Ф.П. Шнитман. Анализ точности времяпролетного преобразователя скорости звука в воде. Сб. Научн. трудов ВНИИФТРИ. Гидрофизические измерения. М., 1985, С.33-39. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2786786C1 (en) * 2022-04-25 2022-12-26 Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) Time-of-flight method for determining the speed of sound in liquid media and a device for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10928414B2 (en) Signal travel time flow meter
EP3256862B1 (en) Improved beam shaping acoustic signal travel time flow meter
CN1725019B (en) Clamp type doppler ultrasonic flow rate distribution instrument
US2753542A (en) Calibrated apparatus for measuring liquid levels
CN103471998B (en) Thermoplastic material reflection and transmission coefficients laser measurement system
KR20100079462A (en) Ultrasonic flowmeter and method of measuring flux by ultrasonic waves
CN102914333A (en) Detection method of using ultrasonic waves for flow detection
CN102829829A (en) Method and device for detecting ultrasonic flow by time-difference method
RU2529734C1 (en) Time-of-flight method of determining sound speed in liquid medium and apparatus therefor
RU2562001C1 (en) Inspection method of doppler current velocity meter
RU2436050C1 (en) Method of defining sound velocity in fluids
RU2545065C2 (en) Method to measure acoustic speed in water
SU811137A1 (en) Method of determining ultrasound propagation speed
RU2549245C1 (en) Method to determine speeds in moving medium
RU2692409C1 (en) Method of measuring liquid level
RU2786786C1 (en) Time-of-flight method for determining the speed of sound in liquid media and a device for its implementation
JPS6040916A (en) Correcting method of temperature-change error of ultrasonic wave flow speed and flow rate meter
SU1345063A1 (en) Method of determining depth and velocity of propagation of ultrasonic waves in articles
RU166612U1 (en) PRIMARY TRANSMITTER OF ULTRASONIC FLOW METER
SU233271A1 (en)
Salvi et al. A continuous-wave method for sound speed measurement based on an infinite-echo model
JPS58184524A (en) Ultrasonic water thermometer
US20030230149A1 (en) Ultrasonic flow-measuring method
SU1059440A1 (en) Device for ultrasonic flowmeter graduation
SU317322A1 (en) METHOD OF MEASURING TIME DIFFERENCE