RU6062U1 - Импульсно-циклический датчик скорости звука - Google Patents

Description

ишщьсночщслшЁСкий ДАТЧИК (жош:;ти ЗВУКА

Полезная модель относится к области акустячдсшос asueрений и ыож@т быть исаользоважа как составная часть устройств для измерения скорости звука арешфцественно в жядкой среде.

Известны шшульсно-циклЕЧЗские датчики скорости звука для жидкой среды. Так в патенте Франции К 2032332« ооублшсоваивои Ю.12.71Г, предложено устройство для измерения скорости звука в море с шгружаешш зондом одноразового использования, содержащее импульсно-циклический датчик скорости звука, который состоит из первичного и вторичного изиервтельшсс преобразователей.

Деричный измерительный преобразователь включает пьезоэлектрический акустический преобразователь и, отстоящий от него на фиксированном расстоянии, пассивный акустический отражатель. Вторичный измерительный преобразователь содержит последовательно подключённые ограничитель сигнала, первый усилитель, формирователь запускающего сигнала, мультивибратор и второй (оконечный) усилитель Выход второго усилителя связан с обратимым акустически преобразователем первичного измерительного преобразовахеля, который через ограничитель сигнала подключён к входу первого усилителя.

Ери погружении в воду первичного измерительного преобразователя первый импульс мультивибратора, усиленный вторым усилителем, ударно возбуждает обратимый пьезоэлектрический акустический преобразователь. Излучённый в воду акустический

CCI H 5/00

иыпульс расаространядтся до акустического отражателя и BOBвращается к обратЕпому акустическому дреобравоватвлю. Соответствующий электрический импульс с его выхода через ограничитель сигнала и усилитель поступает на формирователь запускающего сигнала, выходной импульс которого синхронизирует мультивибратор. Мультивибратор генерирует очередной импульс для ударного возбуждения обратимого пьезоэлектрического акустического преобразователя и так далее-импульсно-циклический процесс работы датчика скорости звука непрерывно продолжается. В результате на выходе мультивибратора имеет место непрерывная последовательность импульсов, частота следования которых пропорциональна измеряемой скорости звука в воде.

Достоинством импульсно-циклического датчика скорости звука в устройстве до патенту Франции 2082332 является относительная простота исполнения.

К его существенному недостатку следует отнести повышенный уровень случайной погрешности, обусловленный недостаточной стабильностью синхронизации мультивибратора принятыми сигналами относительно сложной формы и влиянием импульсных помех.

Аналогичные импульсно-циклические датчики скорости звука входят в состав устройств для измерения скорости звука в воде по патентам G1A 1Ё 4038629 от 2б.., Великобритании и I489QI3 от 19.10.77г. и ФЕТ и I9I2998 от 24.Q9.70r.

Наиболее близким по технической сущности к настоящей полезной модели является импульсно-циклический датчик скорости звука в составе гидрологического измерителя скорости звука по

авторскоиу свидетельству СССР 1 1252675, оцзгбдикованному . Этот датчик состоят из первичного ишеритдхьного преобраюватддя, включающего обратиинй дьегоэлектрический акустический преобраюватед, с отстоящии от него на фиксирование расстоянии пассивный акустически отрахатеяел, и вторичного измерительного преобразователя, содержащего последовательно включённн: усилитель, пороговую схеыу (коидаратор напряжения), временный селектор и инпульсный генератор. Выход импульсного генератора и вход усилителя подсоединены к обрат тиыоиу акустическому преобразователю первичного измерительного преобразователя, а к компаратору напряжения подключён источник опорного напряжения Вторичный измерительннй преобра зователь содержит также формирователь строба, вход которого подключён к вшшду импульсного генератора, а его выход связан с временным селектором.

Достоинством импульсно-циклического датчика скорости звука в устройстве по авторскому свидетельству СССР е 1252675 по сравнению с ранее известными датчиками является более высокая стабильность работы из-за наличия временного селектора, обеспечивает синхронизацию мультивибратора только на время длительности импульса строка. Тем самым исключается синхронизация импульсного генератора от помех на остальном временном промежутке.

Недостатком данного импульсно-циклического датчика скорости звука является относительная сложность и нестабильность синхронизации импульсного генератора принятыми сигналами достаточно сложной формы«

того и достахочво точш)го иыиульсно-цшсгнчвского датчжка скорости авука для жидкой среды, который иожет быть использован Б морских погружаемых ихыврительных зондах.

Доставленная цель достигается теы, что во вторичный измерительный преобразователь предлагаемого импульсно-цикличесвого датчика скорости звука дополнительш введены ограничитель сигнала, второй компаратор напряжения, RS-триггер, второй усилитель, резистор, конденсатор и транзистор, при этом неинвертируемый вход первого компаратора подключён к инвертируемому входу второго компаратора ичерез резистор связан с источником питания, а через конденсатор подключён к общей шине, причём к неинвертируемому входу второго компаратора подсоединён источник второго опорного напряжения. Выход первого компаратора подключён к / -входу триггера, выход второго компаратора - к его s -входу, при этом выход триггера подсоединён к входу второго усилителя и к базе транзистора, коллектор которого подключён к конденсатору, а эмиттерк общей шине. Выход второго усилителя связан с выходом обрат тимого пьезоэлектрического акустического преобразователя, кото рви через ограничите21ь напряжения подключён к входу первого усижтеля.

Простота предлагаемого импульсно-циклического датчика скорости звука обусловлена выполнением его вторичного измерительного преобразователя на интегральных микросхемных элементах.

Сущность полезной модели поясняется фигурами. На фиг«I представлена структурная схема импульсно-циклического датчика скорости звука с основными эпюрами напряжений ((i) ,

//

где i - текущее время. На фиг.2 приведена принципиальная схема скорости звука.

Преддагаешй иывульсно-циклический датчик скорости «вука состоит из первичного и вторичного измерительных преобразователей Первичный измерительный преобразователь включает (смотрите фиг.Х) обратимый пьезоэлектрический акустический

преобразователь I и, отстоящий от него на фиксированном расстоянии, пассивный акустический отражатель 2. Вторичный измерительный преобразователь включает ограничитель сигнала 3, первый усилитель 4, первый компаратор напряжения 3, второй компаратор напряжения 6, -триггер 7, второй усилитель S, транзистор 9, резистор R и конденсатор С

Вход первого усилителя 4 через ограничитель сигнала 3 подсоединён к обратимому акустическому преобразователю Выход первого усижтеля 4 связан с инвертируемш входом первого компаратора 5. Неинвертируемый вход перового компаратора 5 подключён к инвертируемому входу второго компаратора 6. Эти входы через резистор R связаны с источником питашш напряжением Ufi , а через конденсатор С - с общей шиной (корпусом) К инвертируемому входу первого компаратора 5 подключён источник первого опорного напряжения /Vof , а к неинвертируемому входу второго компаратора 6 - источник второго опорного напряжения ричём . од первого компаратора 3 связан с R -входом триггера 7, а выход второго компаратора б - с его 5 -входом. Выход S -триггера 7 подсоединён к входу второго усилителя 8 и к базе транзистора 9. Коллектор транзистора 9 подключён к конденсатору а его эмиттер - к общей шине (корпусу). Выход второго усилителя 8 связан с обратимыы дьеаоэлдктричвскин акустическим преобрахователем I шрвичного иаыврительного преобразователя датчика.

Предлагаемый имдульсно-циклический датчик скорости звука $ункциовирудт следующим образом.

Дри подсоединении к датчику напряжения , конденсатор С начинает заряжаться от него через сопротивл ение резистора / . В исходном состоянии первый компаратор 5 находится в выключенном состоянии - напряжение на его выходе равно нулю. Второй компаратор 6 находится во включённом состоянии - напряжение на его выходе равно /У Триггер 7 закрыт по R -входу и на его выходе напряжение равно нулю, а на вьш}Д8 второго усилителя 8 напряжение равно Hfj , при этом транзистор 9 закрыт и не влияет иа процесс заряда конденсатора С

При достижении на конденсаторе напряжения с равному первому опорному напряжению, включается первый компаратор S , его выходное напряжение сташвигоя равным напряжению питания А/п При этой триггер 7 переключается по R -входу, на его вБцюде устанавливается напряжение рагное /V , а на выходе второго усилителя 8 - напряжение равное нулю. Транзистор 9 открывается и конденсатор С начинает разряжаться. Когда в процессе разряда конденсатора напряжение на нем станет меньше первого опорного напряжения ( 1/( Hoi ) первый компаратор 3 установится в исходное состояние, напряжение на его выходе опять будет равным нулю. Дри достижении на конденсаторе напряжения, меньше второго опорного напряжения ( / ) включается второй компаратор б, напряжение на его выходе станет раввны нулю, при этом триггер 7 переключается по В -входу и устанавливвгется в исходное состояние - напряжение на его выходе станет равньш нулю, одновреыенш) напрязкение на выходе второго усилителя устанахливаетоя равныы 1 , транвистор 9 закрывается и конденсатор С снова начинает шаряжатоя от источника питаниячерез резистор R. При доотожешш на конденсаторе второго опорного напряжения ( /с оа }t BTOpog ко 9паратор б устанавливается в исходное состояние напряжение на его выходе станет равный /V/,

В ревультате на выходе второго усилителя 8 будет шють отрицательный видеоимпульс амплитудой /Ve&u п и длительностью Г , определяемой ёмкостью конденсатора С и сопротивлением цепи коллектор-эмиттер открытого транзистора 9. Ёмкость конденсатора С выбирается иебольшей, а сопротивление открытого транзистора мало, поэтому длительность Г импульса на выходе усилителя 8 состовлявт доли микросекунды.

Этот импульс подаётся на обратимый пьезоэлектрический акустический преобразователь I и ударно возбуждает его. Когда первичный измерительный преобразователь находится г исслодуемой жидкой среде, соответствую111ий акустический импульс распространяется в ней до пассивного акустического отражателя 2 и возвращается к обратимому акустическому преобразователю I через время где Г - скорость звука в жидкости;

т г

(-Ж

d - расстояние между акустическиии преобразователем I и отрахахелем 2.

Соответствущий принятый электрический импульс через ограничитель сигнала 3 поступает на вход первого усилителя 4 На его выходе имеет место сигнал Ипр в вцде радиоимпульса из нескольких полупериодов напряхения, причём второй (отрицательный) полупериод наибольший по амплитуде.

Этот радиоимпульс поступает на инвертируемый вход первого компаратора 5 Максимальный отрицательный полупериод сигнала значительно понижает напряжение на этом входе до уровня меньшего, чем напряжение на конденсаторе в этот момент. В результате первый компаратор 5 включается раньше, чем напряжение на конденсаторе достигает тчения первого опорного напряжения Hoi « На выходе второго усилителя будет иметь место следующий отрицательный видеоимпульс с ашштудой А/зь/х п и длительностью Т , который ударно возбудит обратимый акустический преобрвзоваетель I. Соответствующий акустический импульс излучится в жидкую среду и через время Т вернётся к обратимому акустическому преобразователю I и так далее импульсно-циклический процесс будет непрерывно продолжаться.

В результате на выходе второго усилителя 8 будет иметь место последовательность отрицательных импульсов с амплитудой /7 t длительностью т и периодом следования Т : Частота следования этих импульсов равна

WK

TO есть при фиксированной расстоянии сУ 1южду обратиыьш преобразователем I и пассигвш акустичвсшш отрахатвд@ш 2 дропорциовадьва игиврядыой скорости агука Сж в жидкой среде.

7 предлагаеыого иыпульсно-цикдичзского датчика скорости звука случайная погрешность незначительна, ввиду высокой стабильности работы электроакустического кольца из первично-го и вторичного измерительншс преобразователей Это обусловлено тем, что первый компаратор напряжения 5 после срабатывания от максимального отрицательного полупериода принятого сигнала и быстрого разряда конденсатора С становится нечувствительным к любым аерападам напряжения на инвертируемом (сигнальном) входе до тех пор, пока конденсатор С не зарядится от источника питания л до определённого уровня.

Несмотря на относителыфо сложность структурной схемы предлагаемого шпульсно-цидлического датчика скорости звука, его принципиальная схема (фиг.2) очень проста, так как выпол

нена на интегральных микросхемных элементах. В ней конденсаторы С/ ж С2. являются разделительными. На резисторе и встречно-параллельно включённых диодах Ы и VD2 выполнен ограничитель сигнала. Он защищает от перегрузок вход первого усилителя, выполненного на микросхеме 1)М операционном усилителе, коэффициент усиления которого устанавливается значением сопротивления резистора / в цепи обратной связи.

остальные элементы структурной схеыы вторичного измерительного преобразователя датчика - коыаараторы, RS -триггер, второй усилитель, транзистор и источники ошрншс напряжений.

Испытания изготовленного ш описываешь структурной (фиг.Х) и принципиальной () схеыаи иипульсно-циклического датчика скорости звука для воды, показали его высокую стабильность и надёжность работы. Он имеет малые габариты, ыассу, относительно дешев и прост в промышленном производстве.

Claims (3)

1. Импульсно-циклический датчик скорости звука, содержащий первичный измерительный преобразователь, включающий пассивный акустический отражатель, и отстоящий от него на фиксированном расстоянии обратимый пьезоэлектрический акустический преобразователь, а также вторичный измерительный преобразователь, включающий первый компаратор напряжения, к инвертируемому входу которого подсоединены выход первого усилителя и источник первого опорного напряжения, отличающийся тем, что в него введены ограничитель сигнала, второй компаратор напряжения, RS-триггер, второй усилитель, резистор, конденсатор и транзистор, при этом неинвертируемый вход первого компаратора подключен к инвертируемому входу второго компаратора и через резистор связан с источником питания, а через конденсатор подключен к общей шине, причем к неинвертируемому входу второго компаратора подсоединен источник второго опорного напряжения, выход первого компаратора подключен к R-входу триггера, а выход второго компаратора - к его S-входу, при этом выход триггера подсоединен к входу второго усилителя и к базе транзистора, коллектор которого подключен к конденсатору, эмиттер - к общей шине, а выход второго усилителя связан с выходом обратимого пьезоэлектрического акустического преобразователя и через ограничитель напряжения подключен к входу первого усилителя.

2. Датчик по п. 1, отличающийся тем, что его вторичный измерительный преобразователь выполнен на интегральных микросхемных элементах.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что ограничитель напряжения вторичного измерительного преобразователя состоит из резистора и двух встречно-параллельно включенных диодов.