SU757975A1 - Ультразвуковое измерительное устройство - Google Patents

Description

10

1

Предлагаемое устройство относится к средствам ультразвуковой измерительной техники и может быть использовано для измерения плотности среды, в основном жидкости в научных исследованиях и в промышленности.

Известен ультразвуковой плотномер, основанный на измерении затухания прошедшего через контролируемую среду ультразвука, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, рабочую и компенсационную ультразвуковые камеры с отражающими экранами, электромеханическую следящую 15 систему и вторичный прибор, при этом рабочая компенсационная камеры расположены с противоположных сторон . пьезоэлектрического преобразователя, а отражающие экраны в каждой из ка- 20 мер установлены на разных расстояниях от пьезоэлектрического преобразователя [1] .

Также известен ультразвуковой плотномер, основанный на измерении затухания прошедшего через контролируемую среду ультразвука и содержащий пьезоэлектрический преобразователь, рабочую и компенсационную

25

ультразвуковые камеры, расположен30

ные с противоположных сторон пьезоэлектрического преобразователя, с отражающими экранами, установленными на разных расстояниях от пьезоэлектрического преобразователя, при этом в компенсационной камере между пьезоэлектрическим преобразователем и отражающим экраном расположен приводимый во вращение синхронным двигателем модулирующий диск-обтюратор .

В обоих устройствах о плотности контролируемой среды судят на основе сравнения амплитуд ультразвуковых волн, прошедших соответственно , контролирующую и эталонную среды. Однако амплитуда ультразвука зависит не только от плотности, но и от других акустических параметров среды например, коэффициента поглощения, поэтому однозначное определение плотности возможно только для опреде ленного класса веществ, для которых известна зависимость амплитуда от плотности. Это сужает область применения плотномеров и является источником погрешностей. Кроме того, в обоих устройствах необходимо применение эталонных жидкостей с извест ными акустическими характеристиками.

3

757975

4

К недостатку следует отнести также и наличие в них механических подвижных частей„

Наиболее близким по технической сущности к. предлагаемому· является ультразвуковое измерительное устройство , содержащее замкнутый электроакустический тракт из генератора высокочастотных колебаний, камеры с излучающим и приемным преобразователями, усилителя, схемы определения уровня 0,707, и блока настройки час·* тоты,последовательно соединенные формирователь и селектор одиночных импульсов, а также фильтр низкой частоты и индикатор, измеритель девиации частоты, состоящий из последовательно соединенных преобразователя частоты, преобразователя частота-напряжение , усилителя-детектора низкой частоты, индикатора и подключенный к выходу генератора высокочастотных колебаний, при этом преобд разователь частота-напряжение выпол-с нен в виде последовательно соединенны:: формирователя, селектора одиночных импульсов и фильтра низкой частоты, а второй вход селектора одиночных импульс'ов через второй формирователь подключен к выходу генератора высокочастотных колебаний £3] .

Показания индикатора известного устройства, прямо пропорциональны полосе пропускания камеры с двумя преобразователями, заполненной исследуемой средой и обратно пропорциональны' частоте данного акустического резонанса, которая, в свою очередь, при постоянной длине камеры пропорциональна скорости ультразвука в исследуемой среде.

Таким образом, показания индикатора обратно пропорциональны добротности резонирующей камеры. Последняя определяется, в основном, поглощением ультразвука в исследуемой среде, а также потерями энергии при отражении волны излучающего и принимающего пьезоэлектрических преобразователей. Указанные потери зависят от удельного акустического' сопротивления .среды, т.е. от произведения плотности среды и скорости ультразвука в ней. Эта зависимость является достаточно сложной и информация о плотности среды может быть получена только с помощью расчетов, и /довольно неточно. Сказанное является недостатком известного устройства.

Целью изобретения является увеличение точности измерения плотности среды.

Поставленная цель достигается тем, что ультразвуковое устройство, содержащее замкнутый электроакустический тракт из генератора высокочастотных колебаний, камеры с двумя

преобразователями, усилителя, схемы определения уровня 0,707 и блока настройки частоты, последовательно соединенные формирователь и селектор одиночных импульсов, а также фильтр низкой частоты и индикатор^ снабжено измерительным блоком иэ последовательно соединенных схемы сравнения, усилителя постоянного напряжения и ключа, соединенными в замкнутую цепь через фильтр низкой частоты, и смесителем, входы которого подключены к выходам генератора и усилителя, а выход подключен к одному из входов формирователя, ко второму входу которого подключен выход схемы определения уровня 0,707, при этом выход селектора одиночных импульсов подключен к управляющему входу ключа, а вход индикатора подключен к выходу усилителя постоянного напряжения.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит электроакустический тракт,составленный из последовательно соединенных генератора 1 высокочастотных электрических колебаний, заполненной исследуемой средой камеры 2 с излучающим 3 и приемным 4 пьезоэлектрическими преобразователями, усилителя 5, схемы 6 определения уровня 0,707 и блока настройки частоты 7. Выходы генератора 1 й усилителя 5 через смеситель 8 подключены к последовательно соединенным формирователю 9 и селектору одиночных импульсов 10. Схема сравнения 11, выполненная, например, в виде сумматора, с подключенным к одному входу опорным напряжением Но подсоединена к входу усилителя постоянного напряжения 12, который через ключ 13 и фильтр низкой частоты 14 связан со входом схемы 11. Элементы 11-13 составляют измеритель*· ный блок. К выходу усилителя постоянного напряжения 12 подключен также индикатор 15, например вольтметр постоянного напряжения, причем выход схемы 6 подключен ко входу формирователя 9, а выход селектора 10 подключен к управляющему входу ключа 1.3у

Устройство работает следующим образом. Высокочастотный электрический сигнал, вырабатываемый генератором 1, преобразуется преобразователем 3 в ультразвуковые волны, распространяющиеся в исследуемом веществе в камере 2. Волны, прошедшие среды, преобразуются приемным преобразователем 4 νΒ электрический сигнал, усиливаемый усилителем 5. Приемный преобразователь 4 выполнен широкополосным, если исследуется сравнительно мало поглощающая среда, он снабжен необходимы ми согласующими слоями для исключения заметной реверберации ультразвука в

5

757975

6

камере. Частота генератора 1 все время изменяется в ту или иную сторону под воздействием блока 7 настройки частоты. Ввиду широкополосности приемника 4 выходное напряжение его оказывается модулированным по закону резонансной характеристики излучателя 3, когда частота генератора 1 изменяется вблизи его резонанса. Напряжение преобразователя 4 максимально, когда частота равна резонансной частоте излучающего преобразователя 3, и уменьшается при отходе в любую сторону. Когда напряжение уменьшается до 0,707.от максимального значения, срабатывает схема б и воздействует на блок настройки 7. Посредством этого блока изменяется направление перестройки частоты на про тивоположное. В результате частота генератора 1 качается в пределах полосы пропускания излучающего преобразователя 3.

Ультразвуковые волны достигают преобразователя 4 с опозданием лТгде Е - расстояние между преобраэова

телями,

с - скорость ультразвука в исследуемой среде.

На выходе смесителя 8 выдается сигнал биений, период Т которого равен _г

Т = * К -ι Е.

где К - скорость изменения частоты.

Формирователь *9 вырабатывает из сигнала биений импульсы длительностью Т. Селектор одиночных импульсов 10 пропускает один импульс с формирователя 9 в течение каждого интервала между двумя импульсами схемы б. Длительность этого интервала равна ι где - полоса излучающего преобразователя 3. Импульс селектора 10 замыкает ключ 13 на время Т, равное длительности своего импульса. Постоянная составляющая последовательности импульсов длительностью Т, выделенная фильтром 14, пропорциоΤΚ-ι

где ϋ₁- вынальна 0

И еГГ

I С Сй г ;

ходное напряжение усилителя 12. Схема сравнения 11 вырабатывает сигнал, равный разности опорного напряжения и_ои выходного напряжения фильтра 14, который усиливается усилителем 12. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 12 в измерительном блоке устанавливается равновесие

и.

и.

откуда

и.

(2)

Аналогичные соотношения будут, ес ли селектор 10 вырабатывает импульс,

равный длительности заданного целого

числа периодов биений,

С другой стороны плотность р ЙСследуемой среды выражается так

♦г¹

г- -V-’

где К₂ - константа.

’* Из сравнения формулы (2) и(3) вы• текает, что

^υι= КэЯ (4)

где К^- константа. _ν

15 Напряжение и.-) измеряют цифровым или аналоговым индикатором 15, гра ~ дуированным в единицах плотности.

Положительный эффект заявленного устройства вытекает из возмож „ ности непосредственного непрерывного определения плотности среды. В предложенном устройстве устранено влияние акустических параметров на точность измерения плотности. Скорость распространения ультразвука

“ учитывается автоматически, отражаясь на периоде биений. Величина поглощения ультразвука погрешности измерения не вносит, так как она отражается только на амплитуде принятого

30 ультразвукового сигнала, но не на его частоте, являющейся носителем информации о плотности.

35

Claims (1)

1. Формула изобретения

   Ультразвуковое измерительное устройство, содержащее замкнутый электроакустический тракт из генератора

   40 высокочастотных колебаний, камеры с излучающим и приемным преобразователями, усилителя, схемы определения уровня 0,707 и блока настройки частоты, последовательно соединенные

   45 формирователь и селектор одиночных импульсов, а также фильтр низкой частоты и индикатор, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности измерения плотности среды, оно снабжено измерительным блоком из последовательно соединенных схемы сравнения, усилителя постоянного напряжения и ключа, соединенными в замкнутую цепь через фильтр низкой частоты, и смесителем,

   55 входы которого подключены к выходам генератора высокочастотных колебаний и усилителя, а выход подключен к одному из входов формирователя, ко второму входу которого подключен вы60 ход схемы определения уровня 0,707, при этом выход селектора одиночных импульсов подключен к управляющему входу ключа измерительного блока, а вход индикатора подключен к вы65 ходу усилителя постоянного напряжения

   7

   75797

   8