SU823882A1 - Сигнализатор промерзани иОТТАиВАНи пОчВы - Google Patents

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано' для сигнализации и момента промерзания и оттаивания почвы на определенной глубине.

Известно устройство для определения момента промерзания и оттаивания почвы на определенной глубине, представляющее . собой заполненную водой коробку (камеру), поверх которой плавает поплавок - поршень. При расширении воды, вследствие замерзания ее в коробке поплавок замыкает сигнальную цепь. При оттаивании льда цепь вновь размыкается [1].

Недостатком системы является низкая надежность работы, связанная с наличием механических контактов, изменением' их переходного сопротивления при длительном хранении во влаж-20 ной атмосфере, большом перепаде температуры и т.д. При частичном промерзании слоя воды:в камере чувствительность датчика снижается.

Известны ультразвуковые уровнеме- *·* ры, предназначенные для определения наличия в сигнальном зазоре датчика жидкой или газообразной среды, в работе которых используется принцип оценки изменения'энергии акустичес2 кого импульса в волноводе при его ¹ демпфировании [2 ].

Однако применение подобных датчиков в сигнализаторе промерзания и оттаивания почвы приводит к резкому уменьшению динамического диапазона чувствительности. Это объясняется тем, что волновые сопротивления воды и льда отличаются между собой гораздо меньше, чем жидкости газообразной среды.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является сигнализатор уровня, содержащий генератор переменного напряжения,две акустические головки, расположенные соосно в горизонтальной .плоскости, усилитель и индикатор.

Фиксация момента смены среды на контролируемом уровне происходит по изменению затухания продольных ультразвуковых волн, возбуждаемых излучающей головкой гмНедостатком устройства при использовании его для сигнализации момента промерзания почвы является.то, что декременты поглощения воды и льда на продольных волнах отличаются всего на 30%.

. 3

Это приводит к снижению точности фиксации момента промерзания почвы.

Цель изобретения увеличение динамического диапазона чувствительности, обеспечение надежности работы и возможности дистанционного контроля работоспособности устройства.

Поставленная цель достигается тем, 'что в сигнализаторе акустические головки выполнены в виде пьезокерамических излучателя и приемника продольных ,θ поперечных волн, ориентированных чувствительными гранями под углом об к линии наблюдения,причем угол оС выбирается из соотношения ' << arcctg ,

d.

где ^иР угол между направлением оси максимальной чувствительности датчика и нормально к линии наблюдения ; амплитуда напряжения на выходе приемного датчика, соответствующая сигналу Р - волны при жидкой фазе среды; амплитуда напряжения на выходе приемного датчика, соответствующая суммарному сигналу при твердой фазе среды.

На фиг.1 приведена принципиальная схема сигнализатора момента промерзания почвы; на фиЬ,2 - эпюры, поясняю- 35 щие одновременное формирование SH и SH.P и продольных волн.

Сигнализатор содержит генератор 1 переменного напряженияизлучающий акустическую головку 2 поперечных типа SH и продольных волн, приемную акустическую головку поперечных типа SH и продольных волн 3, усилитель 4, индикатор,5, заполненную : водой и акустически заглушенную камеру 6. : ~ 45

Генератор служит для запуска ультразвукового излучателя акустической головки 2.

Акустическая головка 2 предназначена для излучения одновременно 50 поперечных типа SH и продольных (Р) ультразвуковых колебаний, амплитуда которых связаны соотношением:

¹¹ ’ ; ,⁵⁵ где К<<1 - коэффициент, значение которого выбирается из условия обеспечения требуемого динамического диапазона чувствительности сигнализа- 60 тора.

Акустическая головка 3 предназначена для приема одновременно поперечных типа SH и продольных ультразвуковых колебаний. 65

Особенностью излучающей (приемной) головки является то, что генерация (прием) SH и Р волн осуществляется одними и теми же конструктивными элементами ультразвукового преобразователя . Именно это обстоятельство позволяет однозначно судить об исправности системы, предразначенной для возбуждения и регистрации поперечных SH волн по ее работоспособности в режиме возбуждения и регист рации Р волн при незамерзании вода в камере.

.Акустические головки могут быть выполнены в'виде пьезокерамических датчиков смещений с одной степенью свободы, например·биморфного типа, ориентированных под углом к линии наблюдения.

В этом случае, при идентичных соосно расположенных излучателе и приемнике упругих волн имеет следующее очевидное соотношение для амплитуд выходе приемнием SH и Р волн fe W 5tp> -ιΑι *1 к (и) * >

где - угол между направлением оси максимальной чувствительности датчика N и нормалью к линии наблюдения АВ (фиг.2).

Сказанное поясняется эпюрами, приведенными на фиг.2

- расстояние между излучателем (и) и приемником (П) ультразвуковых колебаний (линия наблюдения) ;

- амплитуда ультразвуковых колебаний, излучаемых в направлении оси максимальной чувствительности излучателя;

- амплитуда ультразвуковых колебаний, регистрируемых приемником в направлении его оси максимальной чувствительности Ν_η;

- направление нормали к чувствительной грани излучателя и приемника соответственно;

Q - горизонтальная плоскость, в которой расположены чувствительные грани акустических головок.

Выход акустической головки 3 соединен со входом усилителя 4. Усилитель обеспечивает необходимый уровень сигналов на входе индикатора 5, к входу которого он подключен.

Индикатор 5 предназначен для регистрации сигналов на выходе усилителя 4 и может иметь электрическую (в виде определенного уровня напряжения), световую (разного цвета) или где

(и)

звуковую (разной тональности) индикацию.

Камера 6, заполненная водой, предназначена для размещения в ней акустических головок _t Для устранения влияния многократно отраженных от стенок камеры ультразвуковых колебаний и паразитного прохождения их по корпусу, стенки камеры выполнены акустически заглушенными с применением, например, резинопористой изо- . ,ляции. Камера с вмонтированными, в нее’⁰ (акустическими головками устанавливается й почве на определенной глубине.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, если вода в камере 6 не замерзла, излучаемые головкой 2 ультразвуковые продольные колебания проходят через слой жидкости и преобразуются акустической головкой 3 в переменное электрическое напряжение. Выходной сигнал усиливается схемой 4 и регистрируется индикатором 5 в виде, например, определенного уровня напряжения. Уровень регистрируемого сигнала сви- 25 детельствует об исправности электроакустического тракта и о наличии жидкой фазы среды в камере 6. SH компонента возбуждаемых колебаний через жидкость не проходит jq

После промерзания почвы до определенной глубины вода в камере переходит из жидкой фазы в твердую (превращается в лед). При этом через сигнальный зазор между акустическими, го-35 ловками распространяются, наряду с продольными,и поперечные колебания типа SH. Поскольку при возбуждении и приеме Р и SH волн выдерживается соотношение (1) и затухание на выходе индикатора 5 резко возрастает 40 (в К^-'* раз) .

Использование предлагаемого устройства, за счет излучения и приема поперечных типа SH и продольных волн, позволяет одновременно повы- 45 сить надежность работы и динамический диапазон чувствительности сигнализатора, обеспечить возможность контроля его исправности без извлечения из почвы. Несколько таких 5Q устройств, размещенных на разных глубинах промерзания грунта и толщи'не ледяного покрова соответственно.

Claims (3)

1. Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано дл  сигнализации и момента промерзани  и оттаивани  почвы на определенной глубине. Известно устройство дл  определени  момента промерзани  и оттаивани  почвы на определенной глубине, представл юиее . собой заполненную водой коробку (камеру), поверх которой плавает поплавок - поршень.; При расширении воды, вследствие замерзани  ее в коробке поплавок замыкает сигнальную цепь. При оттаивании льда цепь вновь размыкаетс  1J. . Недостатком системы  вл етс  низка  надежность работы, св занна  с наличием механических контактов, измекениемих переходного сопротивлени  при длительном хранении во влаж ной атмосфере, большом перепаде температуры и т.д. При частичном промер зании сло  воды;в камере чувствитель ность датчика снижаетс . Известны ультразвуковые уровнемеры , предназначенные дл  определени  Ношичи  в сигнальном зазоре датчика жидкой или газообразной среды , в работе которых используетс  принцип оценки изменени энергии акустического импульса в волноводе при его демпфировании 2. Однако применение подобных датчиков в сигнализаторе промерзани  и оттаивани  почвы приводит к резкому уменьшению динамического диапазона чувствительности.-Это объ сн етс  тем, что волновые сопротивлени  воды и льда отличаютс  между собой гораздо меньше, чем жидкости газообразной среды.. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  сигнализатор уровн , содержащий генератор переменного напр жени ,две акустические головки, расположенные соосно в горизонтальной .плоскости/ усилитель и индикатор. Фиксаци  момента смены среды на контролируемом уровне происходит по изменению затухани  продольных ультразвуковых волн, возбуждаемых излучающей головкой З . Недостатком устройства при использовании его дл  сигнализации момента промерзани  почвы  вл етс ,то, что декременты поглощени  воды и льда на продольных волнах отличаютс  всего на 30%. Это приводит к снижению точности фиксации момента промерзани  почвы. Цель изобретени  увеличение динамичеркого диапазона чувствительности обеспечение надежности работы и возможности дистанционного контрол  работоспособности устройства. Поставленна  цель достигаетс  тем ЧТО в сигнализаторе акустические головки выполнены в виде пьезокерамиче ких излучател  и приемника продольны поперечных волн, ориентированных чувствительными гран ми под углом оС к линии наблюдени ,причем угол d выбираетс  из соотношени  oL- arcctg где ( - угол между направлением оси максимальной чувствительности дат-1ика и нормально к линии наблюдени  ; . Up амплитуда напр жени  на выходе приемного датчика , соответствующа  сигналу Р - волны при жидкой фазе среды; и - амплитуда напр жени  на выходе приемного датчика , соответствующа  суммарному сигналу при ,. твердой фазе среды. На фиг.1 приведена принципиальна  схема сигнализатора момента промерза ни  почвы; на.фиЬ.2 - эпюры, по сн ю щие одновременное формирование SH и продольных волн. Сигнализатор содержит генератор переменного напр жени , излучающий акустическую головку 2 поперечных типа SH и продольных волн, приемную акустическую головку поперечных типа SH и продольных волн 3, усилитель 4, индикатор,5, заполненную : водой и акустически заглушенную камеру б. . Генератор служит дл  запуска уль развукового излучател  акустической головки 2. Акустическа  головка 2 предназна чена дл  излучени  одновременно поперечных типа ЗИ и продольных (Р) ультразвуковых колебаний, амплитуды которых св заны соотношением: - . где К«1 - коэффициент, значени которого выбираетс  из услови  обес печени  требуемого динамического ди пазона чувствительности сигнгшизатора . Акустическа  головка 3 предназна чена дл  приема одновременно попере ных типа SH и продольных ультразвуковых колебаний. Особенностью излучающей (приемной) оловки  вл етс  то, что генераци  (прием) SH и Р волн осуществл етс  дними и теми же конструктивными лементами ультразвукового преобраовател  . Именно это обсто тельство озвол ет однозначно судить об исравности системы, предразначенной л  возбуждени  и регистрации попеечных SH волн по ее работоспособости в режиме возбуждени  и регист ации Р волн при незамерзании воды камере. -Акустические головки могут быть выполнены ввиде пьезокерамических датчиков смещений с одной степенью свободы, напримербиморфного типа, ориентированных под углом к линии наблюдени . В этом случае, при идентичных соосно расположенных излучателе и приемнике упругих волн имеет следующее очевидное соотнощение дл  амплитуд 1на выходе приемнием SH и Р волн г-щ---К., где Л - угол между направлением оси максимальной чувствительности датчика N и нормалью к линии наблюдени  АВ (фиг.2). Сказанное по сн етс  эпюрами, приведенными на фиг.2 где 00 рассто ние между излучателем (и) и приемником (П) ультразвуковых колебаний (лини  наблюдени ) ; амплитуда ультразвуковых колебаний, излучаемых в направлении оси максимальной чувствительности ) излучател ; амплитуда ультразвуковых колебаний, регистрируемых приемником в направлении его оси максимальной чувствительности Мр Nu.Nfl направление нормйли к чувствительной грани излучател  и приемника соответственно; Q - горизонтальна  плоскость, в которой расположены чувствительные грани акустических головок. Выход акустической головки 3 соединен со входом усилител  4. Усилитель обеспечивает необходимый уровень сигналов на входе индикатора 5, к входу которого он подключен. Индикатор 5 предназначен дл  регистрации сигнсшов на выходе усилител  4 и может иметь электрическую (в виде определенного уровн  напр жени ), световую (разного цвета) или звуковую {разной тональности) инди кацию. Камера б, заполненна  водой, пре назначена дл  размещени  в ней акустических головок 5 Дл  устранени  вли ни  многократно отраженных от стенок камеры ультразвуковых колеба НИИ и паразитного прохождени  их по корпусу, стенки камеры выполнены акустически заглушенными с применением , например, резинопористой изо ,л ции. Камера, с вмонтированными в н .акустическими головками устанавлива етс  в почве на определенной глубин Устройство работает следующим образсм. В исходном состо нии, если вода в камере б не замерзла, излучаемые головкой 2 ультразвуковые продольные колебани  проход т через слой жидкости и преобразуютс  акустической головкой 3 в переменное электрическое напр жение. Выходной сигнал усиливаетс  схемой 4 и регистри руетс  индикатором 5 в виде, например , определенного уровн  напр жени Уровень регистрируемого сигнала .сви детельствует об исправности электроакустического тракта и о наличии жидкой фазы среды в кг1мере 6. SH компонента возбуждаег лх колебаний через жидкость не проходит После промерзани  почвы до опред ленной глубины вода в камере перехо дит из жидкой фазы в твердую (превращаетс  в лед). При этом чарез сиг нальный зазор между акус.тическими. г ловками распростран ютс , нар ду с продольными,и поперечные колебани  типа SH. Поскольку при возбуждении и приеме Р и SH волн выдерживаетс  соотношение (1) и затухание на выкоде индикатора 5 резко возрастает (в К- раз) . , Использование предлагаемого устройства , за счет излучени  и приема поперечных типа SH и продольных волн, позвол ет одновременно повысить надежность работы и динамический диапазон чувствительности сигнализатора , обеспечить возможность контрол  его исправности без извлечени  из почвы. Несколько таких устройств, размещенных на разных глубинах промерзани  грунта и толщине лед ного покрова соответственно. Формула изобретени  Сигнализатор промерзани  и оттаивани  почвы, содержащий заполненную водой акустически заглушенную камеру, две расположенные в ней на некотором рассто нии друг от друга соосно в горизонтальной плоскости акустические головки, соединенные соответственно с выходом генератора переменного напр жени  и входом индикатора через усилитель, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  динамического диапазона чувствительности и обеспечени  возможности дистанционного контрол  работоспособности устройства, акустические головки выполнены в виде пьезокерамических излучател  и приемника продольных и поперечных волн, ориентированных чувствительными- гран ми под углом oi к линии наблюдени , причем угол ( выбираетс  из соотношени  о1 arcctg де ( - угол между направлением оси максимальной чувствительности датчика и нормалью к линии наблюдени ; и - амплитуда напр жени  на выходе приемного датчика, соответствующа  сигналу Р волны при жидкой фазе среды; и - амплитуда напр жени  на выходе приемного датчика, соответствующа  суммарному сигналу при твердой фазе среды. Источники информации, рин тые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 45432, кл. G 01 F 33/24, .1934.
2. 2.Авторское свидетельство СССР 510647, G 01 F 23/28, 1973.
3. 3.Колесников Н.В. и др. Конроль уровн  жидкости на судах. Судостроение, 1969, с. 149.

   ita

   Фиг. 2

   Ш