SU1465715A2 - Гидрологический измеритель скорости звука - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  скорости ультразвука в жидкост х и газах, в частности при проведении гидрофизических исследований морей и океанов. Цельи изобретени   вл етс  повышение достоверности результатов измерени  путем обеспечени  оперативного контрол  стабильности характеристик измерител  в процессе измерений. Введение в измеритель дополнительных блоков: имитатора эхо-сигналов, второго коммутатора , одновибратора, резистора и блока формировани  командных сигналов , позвол ет в процессе измерений проводить оперативный контроль стабильности характеристик электронного тракта и неисправностей измерител  путем подключени  к электронному тракту имитирующих эхо-сигналов, характеристики которых близки к характеристикам реальных эхо-сигналов, а погрешность задани  временного интервала определ етс  нестабильностью генератора опорных импульсов. По полученным значени м контролируемой скорости и установленного в процессе лабораторных испытаний допуска суд т о работоспособности измерител  и достоверности предшествующих результатов . 2 ил. $ (/

Description

1

Изобретение относитс  к измеритель ной технике, может быть использовано дл  измерени  скорости ультразвука в жидкост х и газах, в частности при проведении гццрофизических исследова кий морей и океанов, и  вл етс  усовершенствованием изобретени  по- авт. св. Ь 1255871.

Цель изобретени  - повьппение достоверности результатов измерени  пу- тем обеспечени  операт1шного контрол  стабильности характеристик измерител  в процессе измерений.

2 .

На фш . 1 представд ена структурна  схема гидрологического измерителЛ скорости звука; на фиго 2 - временные диаграммь, по сн ющие его работу.

Гидрологический измеритель скорог сти звука (фиг. 1) содержит последовательно соединенные управл емьп генератор , формирователь 2 импульсов, делитель 3 частоты, распределитель 4 импульсов, генератор 5 возбуждающих импульсов, ограничитель 6, усилитель 7, компаратор В, первый RS-триггер 9, первый коммутатор 10, интегратор П и синхронный фильтр 12, -выход ко

О) О1

4j

СП

гч

314

торого соединен с входом управл емого генератора 1, а к выходу последнего подключены последовательно соединенные лини  13 св зи и регистратор 14, деши|)ратор 15, первый, второй и третий входы которого сос динены соответственно с первым, вторым и третьим выходами распределител  А импульсов , четвертьш вход - с выходом делител  3 частоты, а первый выход - с управл ющим входом компаратора 8 и управл ющим входом сишгронного фильтра 12, второй RS-триггер 16, выход которого соединен с информаци- онным входом первого коммутатора 10, S-вход - с первым выходом распределител  4 импульсов, R-Бход - с вторым выходом дешифратора 15 и R-входом .первого RS-триггера 9, измерительную  чейку 17, подключенную к выходу генератора 5 возбуждающих импульсов и состо щую из электроакустического преобре1зовател  18, первого 19 и второго 20 отражателей, имитатор 21 эхог сигналов, включающий последовательно соединенные генератор 22 опорных импульсов , счетчик 23 и формирователь 24 имитирующих эхо-сш налов, одновиб- ратор 25, вход которого подключен к первому выходу распределител  4 импульсов , а выход - к входу Установка счетчика 23, второй коммутатор 26, первый информационньй вход кото-, рого соединен с выходом формрфовате- л  24, а выход - с входом ограничител  6, резистор 27, подключенный к второму информационном входу вто

5 о

5

15

рого коммутатора 26, и блок 28 формировани  командных сигналов, который св зан через линию 13 св зи с первым управл ющим входом второго коммутатора 26 и входом генератора 22 опорных импульсов, а второй управл ющий вход второго коммутатора 26 подключен к первому выходу распределител  4 импульсов.

Устройство работает следующим образом о

Управл емый генератор 1 генерирует синусоидальный высокочастотный сигнал с частотой F,-, преобразуемый формирователем 2 импульсов в последовательность пр моугольньтх и.-1пуль- сов, котора  поступает на вход делител  3 частоты, имеющего коэффициент делени  и.

Последовательность импульсов (фиг. 2а) с выхода делител  3 частоты подаетс  на вход распределител  4 импульсов и четвертый вход дешифратора 15. По фронту импульса (фиг.. 26) с первого выхода распределител  4 импульсов генератор 5 возбуждающих импульсов вырабатывает короткий импульс (фиг. 2к), а второй RS-триггер 16 устанавливаетс  в состо ние логической единицы (фиг. 2п).

Измеритель имеет два режима работы: Измерение и Контроль. Второй коммутатор 26, в качестве которого может быть использован аналоГовьй коммутатор типа 590 КНЗ, осуществл ет , функцию переключени  режимов работы , приведенную в таблице.

Управл ющие входы коммутатора 26 Уровни сигнала на управл ющих входах Реализуемое соединение; выход 24 - вход 6 выход 27 - вход 6 Режим работы измерител 

В режиме Измерение на первый управл ющий вход второго коммутатора 26 и вход генератора 22 опорных импульсов с выхода блока 28 формировани  командных сигналов через линию 13 св зи поступает сигнал (фиг. 2д) соответствующий уровню логического нул . При этом генератор 22 опорных импульсов запираетс  и на его выходе

1 2 1

О ,0 О 1 1 1 10

Измерение Контроль

отсутствует сигнал (фиг. 2ж) опорной частоты Fof, , а второй коммутатор 26 устанавливаетс  в разомкнутое положение , что обеспечивает отключение . gg вькода имитатора 21 эхо-сигналов от измерительной части схемы измерител . Короткий импульс (фиг. 2к) с выхода генератора 5 возбуждающих импульсов возбуждает электроакустичес514657

кий преобразователь 18 измерительной  чейки 17. Электроакустический пребразователь 18 излучает в исследуемую среду ультразвуковой импульс. В результате отражений излученного импульса от первого 19 и второго 20 отражателей в электроакустическом преобразователе 18 возбуждаютс  два эхо-сигнала (фиг, 2к). Временной ин- ю тервал между эхо-сит-налами определ етс  рассто нием L между отражател ми 19 и 20 (акустической базой) и скоростью С распределени  ультразвука в исследуемой среде. Полученные 15 эхо-сигналы поступают на вход ограничител  6.

В режиме Контроль на первый управл ющий вход второго коммутатора 26 и вход генератора 22 опорных им- 20 пульсов с выхода блока 28 формировател  командных сигналов через линию 13 св зи поступает сигнал (фиг. 2д), соответствуюЕЦий уровню логической единицы. При этом генератор 22 опор- 25 ых импульсов пер водитс:  в режим геерации и на его выходе формируетс  оследовательность(фиг. 2ж) пр могольных импульсов опорной частоты jj , а второй коммутатор 26 устанав- до иваетс  в одно из двух положений, предел емое сигналом (фиг. 26) с ервого выхода распределител  4 имульсов . При наличии импульса на этом выходе второй коммутатор 26 устанавливаетс  в положение,- при котором параллельно выходу генератора 5 озбуждающих импульсов подключаетс  резистор 27, шунтирующий электроакустический преобразователь 18, с целью предотвра1 1ени  излучени  им в режиме Контроль зондирующего акустического сигнала и как следствие, исключени  вли ни  отраженных акустических эхо- сигналов на работу измерител  в этом режиме.

По фронту импульса (фиг. 26) с первого выхода распределител  4 импульсов одновибратор 25 формирует короткий отрицательный импульс (фиг. 2е ),д поступающий на вход установки счетчика 23 и определ ющий начало цикла формировани  имитирующих эхо-сигналов. На счетный вход счетчика 23 поступает сигнал (фиг. 2ж) опорной частоты Fpn .g с выхода генератора 22 опорных импульсов . Коэффициент m пересчета счетчика устанавливаетс  таким, чтобы выполн лось соотношение

35

15

m

. 2 (Ьг- LO

(1)

5 о

g

5

где L, и 1,2 рассто ни  от электроакустического преобразовател  до первого 19 и второго 20 отражателей соответственно; Сц - контрольное значение

скорости звука из заданного диапазона измерений .

На выходе счетчика 23 формируютс  два пр моугольных импульса (фиг. 2з), временные положени  которых соответствуют временным положени м эхо-сигналов , получаемых с электроакустического преобразовател  18 в режиме Измерение при скорости звука С к в исследуемой среде.

Ьшульсы с выхода счетчика 23 поступают на вход формировател  24 им«т- тируюп;их эхо-сигналов. Последний может быть выполнен из последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности . Значени  сопротивлени  и индуктивности этих элементов выбираютс  такими, чтобы колебательна  система, образующа с  при подключении формировател  24 к электроакустическому преобразователю 18, обеспечивала при ее возбуждении импульсами с выхода счетчика 23 формирование на входе ограничител  6 имитирующих эхо-сигналов с характеристиками, близкими к характеристикам эхо-сигналов, получаемых на электроакустическом преобразователе 18 при отражении зондирующего импульса от отражателей 19 и 20.

Импульсы (фиг. 2и) с выхода формировател  2А поступают на первый информационный вход второго коммутатора 26, который по спаду импульса (фиг. 2б) с выхода распределител  4 импульсов отключает резистор 27 и подключает выход формировател  24 к входу ограничител  6. Таким образом, в режиме Контроль на вход ограничител  6 поступает два-электрических импульса (фиг. 2к), имитирующих эхо- сигналы.

Последующее преобразование сигналов , поступающих на вход ограничител  6, не зависит от режима работы измерител  и осуществл етс  следующим образом.

А6571

Сигналы с выхода ограничител  6, предотвращающего перегрузку входа усилител  7 в момент формировани  возбуждающего импульса (фиг. 2к)

усиливаютс  усилителем 7 и поступают на информационный вход компаратора 8, стробируемого импульсом (фиг. 2л) с первого выхода дешифратора 15. Длительность стробирующего импульса обе-ю спечивает формирование сигналов (фиг. 2м) на выходе компаратора 8 только во врем  приема первого и второго эхо-сигналов в режиме Измерение или первого и второго импульсов, is имитирующих эхо-сигналы, в режиме Контроль. Помехозап ищенность компаратора 8 обеспечиваетс  выбором величины напр жени  на его опорном входе (не показан) , заведомо превьпаающей 20 уровень шумов.

Последовательности пр моугольных импульсов (фиго 2м) с выхода компаратора 8 поступают на S-вход первого RS-триггера 9. По фрЬнту первого им- 25 пульса первой импульсной последовательности первый RS-триггер 9 устанавливаетс  в состо ние логической е:щ- ницы (фиг. 2о)..Возвращение выхода первого RS-триггера 9 в состо ние логи- }0 ческого нул  происходит по фронту сиг- нала {фиг. 2н), поступающего на R- вход этого триггера с второго выхода дешифратора 15. Временное положение этого сигнала (фиг. 2н) определ етс  импульсами (фиг. 2в) с второго выхода распределител  4 импульсов и последовательностью импульсов (фиг. 2а) с

р частотой - с выхода делител  3 чап40

стоты, поступающих соответственно на второй и четвертый входы дешифратора 15. Аналогично на выходе первого RS- триггера 9 формируетс  импульс (фиг. 2о), соответствующий второй45

импульсной последовательности (фиг, 2м) на S-входе данного триггера . Длительности первого 1, и второго С импульсов (фиг. Зо) на выходе первого RS-триггера 9 определ ют вре- 50 м  интегрировани  интегратора 11 н соответствуют выражени м: в режиме Измерение

-  . 1 t; Т - (2 1И М

tJau

V,

2,5 Т,- (21;,д,„+2€(Б) ) (3)

ю is 20

25 }0 - н

период сигнала (фиг. 2а) на выходе делител  3 часто ты;

(б) врем  прохождени  ультразвукового колебани  между первым 19 и вторым 20 отражател ми (на базовом рассто нии L) ;

-ri врем  прохождени  ультразвукового колебани  между электроакустическим преобразователем 18 и первым отражателем 19 (на рассто нии L,) ;

L - задержка при передаче между моментами запуска генератора 5 возбуждающих импульсов и излучением акустического импульса электроакустическим преобразователем 18;

llnp задер жа при приеме между

моментом прихода отраженного акустического сигнала, , возбуждающего электроакустический преобразователь 18 и моментом срабатьюани  первого RS-триггера 9;

Т, - задержка в волноводе (не показан }электроакустического преобразовател  18,

в режиме Контроль

, 1,5 Ту - (

од Vtт

+

+ пр ); . (А)

2,,5 Т ч, - (C,+ i cr+ c.+ 2mTon +

. + I/

од

+ -г +1

Пр

), (5)

где

Oft

1, - задержки в одСек ,

новибраторе 25, счетчике Г 23, формирователе 24 и втором коммутаторе 26 соответственно; длительность импульса

(фиг. 2е) установки счетчика 23, формируемого однови- братором 25;

Топ - период следовани  импульсов на выходе генератора 22 опорных импульсов. Пары импульсов с первого RS-триггера 9 (фиг. 2о) поступает на управл ющий вход первого коммутатора 10. Информационный вход первого коммутатора 10 соединен с выходом второго RS тpиггepa 16, уровень сигнала на

914

котором (фиг. 2п) определ ет направление интегрировани  интегратора 11. Уровень сигнала на выходе второго RS-триггера 16 соответствует логической единице в течение времени меж- ду фронтом импульса с первого выхода (фиг. 26) распределител  4 импульсов и фронтом первого импульса (фиг. 2н) с второго выхода дешифратора 15 и ло- гическому нулю в остальное врем  цикла , что, как следует из временных диаграмм , определ ет формирование на входе интегратора 11 (выходе первого коммутатора 10) пары импульсов

(фиг. 2р) - импульса положительной пол рности длительностью в режиме Измерение ипи С в режиме Контроль и импульса отрицательной пол рности длительностью С дл  соответствующего режима.

Величина приращени  напр жени  на выходе интегратора 11 (фиг. 2с) после окончани  цикла зар д - разр д пропорциональна в режиме Измерение раз разности длительностей и , определ емых выражени ми (2) и (3), а в режиме Контроль - разности длительностей 1, определ емых выражени ми (4) и (5). Напр жение с выхода интегратора 11 через синхрон- ньй фильтр 12, управл емый стробирую- Щим сигналом (фиг. 2л) с первого выхода деши |ратора 15, поступает на управл ющий вход управл емого генерато- ра 1 (фиг. Зга),

Приращение частоты выходного сигнала управл емого генератора 1 пропорционально входному напр жению на его управл ющем входе, т.е. пропорци- онал ьно в режиме Измерение разно сти длительностей ,„ и , котора , как следует из выражений (2) и (3), равна

lu Чи

С(61

(6)

а в режиме Контроль - разности длительностей LIK котора , как следует из выражени  (4) и (5), равна

-1и тТ on - Тц(7)

и не зависит от паразитных задержек в электронно-акустическом канале измерител , определ ющих погрешность измерени  или контрол  скорости звука .

Функционирование замкнутой автоматической системы направлено на выпол1510

некие в установившемс  режиме следук дих равенств:

в режиме Измерение

7 Г- Т

-с(б) и

режиме Контроль тТсп

(8)

(9)

в режиме Измерение с учетом того , что

о- 2 L

с(Б С

(10)

Т -

W р

(И)

из выражени  (8) следует, что частота выходного сигнала управл емого генератора 1

пС

2 L

(12)

и при определенных длине измерительной базы L и значении коэффициента делени  делител  3 частоты определ етс  только скоростью распространени  звука в исследуемой среде и не зависит от паразитных задержек в электронно-акустическом канале измерител  .

В режиме Контроль из выражений (9) и (П) следует, что частота вьг- ходного сигнала управл емого генератора 1

FCK Г (13)

и при определенных значени х коэ44 1- циентов п и га определ етс  только пе- периодом Т о„ следовани  импульсов выходного сигнала генератора 22.

Частотный сигнал с выхода управл емого генератора 1 через линию св зи поступает на регистратор 14.

Дл  осуществлени  контрол  характеристики преобразовани  электронного тракта измерител  скорости звука с допустимой погрешностью С А on значение относительной нестабильности. . ходного сигнала генератора 22 опорных импульсов, как следует из выражений (8) (10) должно удовлетвор ть требованию

Лг

ЛС АОП

(14)

I при допустимом значении

3 -10 МО и значении С к

1500 мс , соответствующем середине задаваемого дл  гидрологических измерителей диапазона измерени  скорости

звука от С ммч 1ДОО мс- до Смаке

1600 мс , отражающего реальные значени  существующих скоростей звука в Мировом океане, значение сЯог должно быть сГог fe 2 . Указанное значение может быть обеспечено применением в генераторе 22 кварцвво

Claims (1)

1. Формула изобретени Гидрологический измеритель скоро сти звука по авт. св. V 1255871, отличающийс  тем, что, с целью повышени  достоверности результатов измерени , он снабжен имитатором эхо-сигналов, выполненным и

   го резонатора типа РК 170БВ-14БП5 дл 

   которого 1 ,510 без применени  последовательно соединенных генера- каких-либо мер термостабильности.тора опорных импульсов, счетчика и

   При необходимости уменыиенрш может быть применена термостабилизаци  генератора 22.

   Длительность СООА импульса на вько- „ де одновибратора 25 должна удовлетвоформировател  имитирующих эхо-сигна лов, одновибраторюм, выход которого соединен с входом Установка счетч ка, вторым коммутатором, первый информационный вход которого соединен с выходом формировател  имитирующих эхо-сигналов, резистором, подключенным к второму информационному входу 25 второго коммутатора, и блоком формировани  командных сигналов, выход ко торого посредством линии св зи подключен к управл ющему входу генератора опорных импульсов и первому упр ть соотношению

   осч 1,5 Т, - тТ

   ОП

   (15)

   где 00,,- врем , необходимое дл  ус- тановки счетчика 23 в исходное состо ние. По данным о погрешности генератора 22 опорных импульсов и допустимой зо Р л ющему входу второго коммутатора.

   температурной (или иной) погрешности электронного тракта, вы вленной в процессе лабораторных испытаний, получают достоверные данные о пределах (допусках) ухода значени  скорости С в режиме Контроль, соответствующих нормальной работоспособности электронного тракта гидрологического измерител  скорости звука,.В процессе эксплуатации оператор периодически переводит измеритель в режим Контроль дл  определени  скорости С |. Выход допуска свидетельствует об уходе характеристик электронного тракта или по в.пении неисправности.

   Таким образом, использование в измерителе дополнительных блоков: имитатора эхо-сигналов, второго коммутатора , одновибратора резистора и блока формировани  командных сигналов.

   35

   второй управл ющий вход второго коммутатора соединен с входом одновибратора и первым выходом распределител  импульсов, а выход - с входом ограничител  при этом отношение коэффициента m пересчета счетчика к частоте pQn генератора опорных импульсов выбрано из соотношени 

   40

   ОП

   2 (L г - Li ) С.

   45

   50

   где L и L - рассто ни  от электроакустического преобразовател  до первого и второго отражателей соответственно; контрольное значение скорости звука из заданного диапазона измерений .

   5715 2

   позвол ет в процессе измерений проводить оперативный контроль стабильности характеристик электронного тракта и вы вл ть неисправности, что повышает достоверность результатов измерений.

   Формула изобретени  Гидрологический измеритель скорости звука по авт. св. V 1255871, отличающийс  тем, что, с целью повышени  достоверности результатов измерени , он снабжен имитатором эхо-сигналов, выполненным из

   10

   формировател  имитирующих эхо-сигналов , одновибраторюм, выход которого соединен с входом Установка счетчика , вторым коммутатором, первый информационный вход которого соединен с выходом формировател  имитирующих эхо-сигналов, резистором, подключенным к второму информационному входу 5 второго коммутатора, и блоком формировани  командных сигналов, выход которого посредством линии св зи подключен к управл ющему входу генератора опорных импульсов и первому упзо Р л ющему входу второго коммутатора.

   35

   второй управл ющий вход второго коммутатора соединен с входом одновибратора и первым выходом распределител  импульсов, а выход - с входом ограничител  при этом отношение коэффициента m пересчета счетчика к частоте pQn генератора опорных импульсов выбрано из соотношени 

   40

   ОП

   2 (L г - Li ) С.

   где L и L - рассто ни  от электроакустического преобразовател  до первого и второго отражателей соответственно; контрольное значение скорости звука из заданного диапазона измерений .