измеритель скорости звука

Формула изобретения

Измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные дискриминатор длительности, коммутатор, интегратор, управляемый по частоте генератор, счетчиковый делитель частоты и регистратор, входом подключенные к выходу управляемого генератора, распределитель импульсов, последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов и ограничитель импульсов, электроакустический преобразователь с отражателем, входом (выходом) соединенный с входом ограничителя импульсов, компаратор, информационным входом соединенный с выходом ограничителя импульсов, а выходом - с первым входом дискриминатора длительности, первый повторитель напряжения, входом соединенный с выходом ограничителя импульсов, накопительный конденсатор, вторым выводом подключенный к общей шине питания, первый управляемый ключ, первый коммутирующий вывод которого соединен с выходом первого повторителя напряжения, а второй - с первым выводом накопительного конденсатора, второй управляемый ключ, коммутирующие выводы которого подключены параллельно выводам накопительного конденсатора, третий управляемый ключ, первый коммутирующий вывод которого соединен с первым выводом накопительного конденсатора, второй повторитель напряжения, входом соединенный с вторым коммутирующим выводом третьего управляемого ключа, аттенюатор напряжения, входом соединенный с выходом второго повторителя напряжения, а выходом - с опорным входом компаратора, первый и второй RS-триггеры, линию задержки, отличающийся тем, что в схему измерителя дополнительно введены первый логический элемент ИЛИ, входы которого соединены с первым и пятым выходами распределителя импульсов, а выход - с входом генератора возбуждающих импульсов, второй логический элемент ИЛИ, входы которого соединены с входами первого элемента ИЛИ, а выход - с строб-входом компаратора, третий логический элемент ИЛИ, входы которого соединены с вторым и шестым выходами распределителя импульсов, а выход - с вторым входом дискриминатора длительности, второй накопительный конденсатор, второй вывод которого соединен с общей шиной питания, четвертый управляемый ключ, первый коммутирующий вывод которого соединен с выходом первого повторителя напряжения, а второй вывод - с первым выводом второго накопительного конденсатора, пятый управляемый ключ, коммутирующие выводы которого подключены параллельно выводам второго накопительного конденсатора, шестой управляемый ключ, первым коммутирующим выводом соединенный с первым выводом второго накопительного конденсатора, а вторым - с входом второго повторителя напряжения, первый логический элемент И, первый вход которого соединен с выходом компаратора, а второй - с прямым выходом первого RS-триггера, вторая линия задержки, входом соединенная с выходом первого логического элемента И, а выходом - с входом управления второго ключа, второй логический элемент И, первым входом соединенный с выходом компаратора, вторым - с прямым выходом второго RS-триггера, а выходом через первую линию задержки соединен с управляющим входом пятого ключа, управляющие входы первого и шестого ключей соединены с прямым выходом второго RS-триггера, а управляющие входы третьего и четвертого ключей соединены с прямым выходом первого RS-триггера, первый и второй входы второго RS-триггера соединены соответственно с вторым и четвертым выходами распределителя импульсов, а первый и второй входы первого RS-триггера соединены соответственно с шестым и восьмым выходами распределителя импульсов, вход чтения коммутатора соединен с выходом компаратора, а отражательная поверхность отражателя выполнена плоской.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике акустического контроля и может быть использовано для измерения скорости распространения акустических колебаний (звука) в жидких средах.

Известен измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные ключевой элемент, интегратор, управляемый по частоте генератор, формирователь импульсов, счетчиковый делитель частоты и распределитель импульсов, последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов, входом соединенный с первым выходом распределителя, ограничитель импульсов и компаратор, логический элемент, первым входом подключенным к выходу компаратора, а вторым - к m выходу делителя частоты, формирователь корректирующих импульсов, первым входом подключенным к выходу компаратора, а вторым к m выходу распределителя, дискриминатор длительности, первым входом подключенным к выходу формирователя корректирующих импульсов и к первому входу ключевого элемента, а вторым - к второму выходу распределителя, а выходом подключенным к второму входу ключевого элемента, первичный акустический преобразователь входом (выходом), подключенным к выходу генератора возбуждающих импульсов.

В основу принципа построения такого измерителя положен частотно-временной принцип, заключающийся в автоматической установке периода следования импульсов управляемого генератора дольным от времени распространения акустического импульса на базовом расстоянии L (удвоенное расстояние от излучающей поверхности измерителя до отражающей поверхности отражателя). Мерой скорости C звука является частота f импульсного сигнала, действующего на выходе управляемого генератора f=K-C/L, где K-коэффициент деления делителя (Исмайлов Т. К., Измайлов А.М., Аллахвердов Ф.М. "Состояние и некоторые перспективы развития средств измерения гидрологических параметров Мирового океана", ИЗМЕРЕНИЕ КОНТРОЛЬ АВТОМАТИЗАЦИЯ, N 4, 1985, с. 3-11).

Недостатком такого измерителя является невысокая точность измерения, обусловленная случайными колебаниями амплитуды приемного сигнала, вызванными различными видами возмущений в контролируемой среде (наличием воздушных пузырьков, температурных градиентов, механических частиц, вихревых течений и. т. д. ), частично нарушающих акустическую прозрачность среды. Колебания амплитуды приемного сигнала приводят к модуляции измеряемого времени распространения акустическим импульсом базового расстояния. Это, в свою очередь, вызывает случайные "качания" частоты f сигналов на выходе управляемого генератора.

Известен измеритель скорости звука, содержащий генератор импульсов, приемо-передающие акустические преобразователи, амплитудный усилитель, дискриминатор, формирователь, пиковый детектор и измеритель частоты. Измеритель работает в двух режимах, обусловленных различными значениями амплитудного дискриминатора. По измерению выходной частоты измерителя в двух режимах работы определяют изменение амплитуды приемного сигнала, случайно возникающее при распространении акустического импульса в среде. Данный измеритель позволяет выявить и оценить величину случайного изменения амплитуды приемного сигнала. Точность измерения достигается посредством расчетного определения поправки изменяющегося времени нарастания амплитуды приемного сигнала до порогового уровня напряжения дискриминатора (а.с. СССР N 503140, кл. G 01 H 5/00, 1976).

Недостатком данного измерителя является невысокая точность измерения, вызванная тем, что учет случайных изменений амплитуды приемного сигнала производится только в дискретные моменты времени. Между указанными моментами производится вычисление поправки. При этом не учитывается тот факт, что амплитуда приемного сигнала в это время может принимать новые значения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является измеритель скорости звука (а.с. СССР N 1587345, G 01 H 5/00, 1990). Такой измеритель содержит последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов, ограничитель амплитуды импульсов и компаратор, последовательно соединенные дискриминатор длительности, коммутатор, интегратор, управляемый по частоте генератор, делитель частоты и первый распределитель импульсов, регистратор, подключенный к выходу управляемого генератора, первый и второй RS-триггеры, последовательно соединенные линия задержки, пиковый детектор, состоящий из первого и второго повторителя напряжений и накопительного конденсатора с одним управляемым ключом, аттенюатор и другой управляемый ключ, второй распределитель импульсов и электроакустический преобразователь со ступенчатым отражателем, входом (выходом), подключенный к выходу генератора импульсов. Вход пикового детектора соединен с выходом ограничителя импульсов, выход компаратора соединен с первым входом второго распределителя импульсов, первый и второй выходы первого распределителя импульсов соединены соответственно с входом генератора импульсов и первым входом дискриминатора, третий выход первого распределителя импульсов подключен к второму входу второго распределителя импульсов и R-входам первого и второго RS-триггеров, S-входы которых подключены соответственно к первому и второму выходам второго распределителя импульсов, третий выход которого соединен с вторым входом дискриминатора длительности и управляющим входом коммутатора, второй вход компаратора соединен с выходами первого и второго управляемых ключей, управляющие входы которых подключены соответственно к прямому и инверсному выходам первого RS-триггера, вход второго управляемого ключа предназначен для подключения к положительному полюсу источника напряжения, а инверсный выход второго RS-триггера соединен с входом линии задержки. В таком измерителе повышение точности измерения достигнуто путем коррекции порога регистрации основного приемного сигнала (сигнала, отраженного от отражающей поверхности отражателя: двойное значение расстояния от данной поверхности до излучающей поверхности электроакустического преобразователя определяет длину L акустической базы) частью амплитудного значения вспомогательного приемного сигнала, т.е. сигнала, отраженного от другой вспомогательной поверхности отражателя, расположенной ближе к излучающей (принимающей) поверхности отражателя. Таким образом, в таком измерителе от единичного возбуждения электроакустического преобразователя образуются два приемных сигнала, следующих друг за другом: первый - вспомогательный, второй - основной.

Недостатком такого измерителя является то, что при контроле скорости звука в тонких турбулентных структурах изменения амплитуды приемного сигнала не в полной мере отслеживаются изменениями амплитуды вспомогательного приемного сигнала. Это может быть объяснено тем, что отражающие поверхности отражателя сдвинуты в пространстве. Выполнение отражателя двухступенчатым приводит также к резкому уменьшению значений амплитуд приемных сигналов. Это, в свою очередь, может приводить (при наличии возмущений в контролируемой среде) к потере сигналов и к срывам в работе измерителя. Увеличение диаметра излучателя для компенсации потерь амплитуды сигналов не всегда возможно. Так для контроля скорости звука в тонких структурах, диаметр излучателя-приемника (активного элемента пьезоэлектрического преобразователя) не должен превышать 3-5 мм. Кроме того, на отражающей поверхности отражателя, вследствии наличия ступеньки, скапливается грязь, что приводит к уменьшению отражательной поверхности отражателя и, следовательно, к уменьшению амплитуды приемного сигнала и требует его периодической чистки. Следует также отметить сложность технологии изготовления такого отражателя.

Задача предлагаемого изобретения - повышение точности измерения и устойчивости работы измерителя путем автоматической коррекции значения уровня регистрации приемного сигнала частью амплитудного значения предыдущего приемного сигнала. Поставленная задача достигается тем, что в измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные дискриминатор длительности, коммутатор, интегратор, управляемый по частоте генератор, счетчиковый делитель частоты, распределитель импульсов и регистратор, входом подключенный к выходу управляемого генератора, последовательно соединенные генератор возбуждающих импульсов и ограничитель импульсов, электроакустический преобразователь с отражателем, входом (выходом) соединенный с входом ограничителя импульсов, компаратор, информационным входом соединенный с выходом ограничителя импульсов, а выходом - с первым входом дискриминатора длительности, первый повторитель напряжения входом соединенный с выходом ограничителя импульсов, накопительный конденсатор вторым выводом подключенным к общей шине питания, первый управляемый ключ, первый коммутирующий вывод которого соединен с выходом первого повторителя напряжения, а второй - с первым выводом накопительного конденсатора, второй управляемый ключ, коммутирующие выводы которого подключены параллельно выводам накопительного конденсатора, третий управляемый ключ, первый коммутирующий вывод которого соединен с первым выводом накопительного конденсатора, второй повторитель напряжения, входом соединенный с вторым коммутирующим выводом третьего управляемого ключа, аттенюатор напряжения, входом соединенный с выходом второго повторителя напряжения, а выходом - с опорным входом компаратора, первый и второй RS-триггеры, линию задержки, согласно изобретению дополнительно введены первый логический элемент ИЛИ, входы которого соединены с первым и пятым выходами распределителя импульсов, а выход - с входом генератора возбуждающих импульсов, второй логический элемент ИЛИ, входы которого соединены с входами первого элемента ИЛИ, а выход с строб-входом компаратора, третий логический элемент ИЛИ, входы которого соединены с вторым и шестым выходами распределителя, а выход - с вторым входом дискриминатора длительности, второй накопительный конденсатор, второй вывод которого соединен с общей шиной питания, четвертый управляемый ключ, первый коммутирующий вывод которого соединен с выходом первого повторителя напряжения, а второй вывод - с первым выводом второго накопительного конденсатора, пятый управляемый ключ, коммутирующие выводы которого подключены параллельно выводам второго накопительного конденсатора, шестой управляемый ключ, первым коммутирующим выводом соединенный с первым выводом второго накопительного конденсатора, а вторым - с входом второго повторителя напряжения, первый логический элемент И, первый вход которого соединен с выходом компаратора, а второй - с прямым выходом первого RS-триггера, вторая линия задержки, входом соединенная с выходом первого логического элемента И, а выходом - с входом управления второго ключа, второй логический элемент И, первым входом соединенный с выходом компаратора, вторым - с прямым выходом второго RS-триггера, а выходом соединен через линию задержки с управляющим входом пятого ключа, управляющие входы первого и шестого ключей соединены с прямым выходом второго RS-триггера, а управляющие входы третьего и четвертого ключей соединены с прямым выходом первого RS-триггера, первый и второй входы второго RS-триггера соединены соответственно с вторым и четвертым выходами распределителя импульсов, первый и второй входы первого RS-триггера соединены соответственно с шестым и восьмым выходами распределителя импульсов, вход чтения коммутатора соединен с выходом компаратора, а отражательная поверхность отражателя выполнена плоской.

Совокупность существенных признаков отличительной части формулы изобретения, позволяющая формировать пороговое напряжение для компаратора из части амплитудного значения предыдущего приемного сигнала в уровне технике не обнаружена, следовательно, предлагаемое устройство соответствует критерию "существенность отличия".

На фиг. 1 изображена блок-схема заявляемого устройства, на фиг. 2 изображены временные диаграммы сигналов, действующих на входах и выходах отдельных функциональных блоков измерителя.

Измеритель скорости звука (фиг. 1) содержит дискриминатор длительности 1, коммутатор 2, интегратор 3, управляемый по частоте генератор 4, счетчиковый делитель 5 частоты, распределитель 6 импульсов, регистратор 7, генератор 8 возбуждающих импульсов, ограничитель 9 импульсов, электроакустический преобразователь 10 с отражателем 11, компаратор 12, первый повторитель 13 напряжения, накопительный конденсатор 14, первый 15, второй 16 и третий 17 управляемые ключи, второй повторитель 18 напряжения, аттенюатор 19, первый 20 и второй 21 RS-триггеры, линию задержки 22, первый 23, второй 24 и третий 25 логические элементы ИЛИ, второй накопительный конденсатор 26, четвертый 27, пятый 28 и шестой 29 управляемые ключи, первый 30 логический элемент И, вторую линию задержки 31 и второй 32 логический элемент И.

Электрические схемы управляемого генератора 4 и генератора 8, ограничителя 9 и компаратора 12 приведены, например, в книге Киясбейли А.Ш., Измайлова А. М. и Гуревича В.М. Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. М.: Машиностроение, 1984. Повторители напряжения 13 и 18 построены на базе микросхем типа 140 УД8А, остальные функциональные элементы построены на микросхемах серии 564: дискриминатор 1- 564 ТМ2, коммутатор 2 - 564 ТР2, счетчиковый делитель 5 - 564 ИЕ14, распределитель 6 - 564 ИЕ9, триггеры 20, 21 - 564 ТМ2, логические элементы ИЛИ (23, 24, 25) - 564 ЛЕ5, управляемые ключи (15, 16, 17, 27, 28, 29,)-564 КТЗ, логические элементы И (30, 32) - 564 ЛА7, линии задержки (22, 31) выполнены на базе микросхемы 564 ЛА7. Электрические схемы перечисленных блоков приведены, например, в книге Ланцов А.Л. и др. Цифровые устройства на комплементарных МДП интегральных микросхемах. М.: Радио и связь, 1983. Электроакустический преобразователь с отражателем выполнены в виде единого функционального и конструктивно законченного блока. Исполнение такого блока приведено, например, в статье Исмайлов Т.К. и Гуревич В. М. Частотно-временной гидрологический измеритель скорости звука. "Океанология" N 5, 1982, с. 839-843.

Измеритель работает следующим образом.

Выходные импульсы управляемого по частоте генератора 4 с частотой следования f через счетчиковый делитель 5, уменьшающего частоту следования f импульсов в К раз, поступают на вход распределителя 6, задающего последовательность работы функциональных блоков устройства. Форма импульсов, действующих на выходе делителя 5 приведена на диаграмме 33 (фиг. 2), а на выходах 1, 2, 4, 5, 6 и 8 распределителя 6 приведена соответственно на диаграммах 34, 35, 36, 37, 38 и 39 (фиг. 2).

По переднему фронту импульса 34 (фиг. 2) с первого выхода распределителя 6 через элемент ИЛИ 23 производится запуск генератора 8, формирующего короткий импульс 40-А, (фиг. 2) ударного возбуждения, воздействующий на электроакустический преобразователь 10. Преобразователь 10 при этом формирует акустический импульс, который излучается в контролируемую среду. Этот импульс после зондирования среды отражается от отражателя 11 воспринимается преобразователем 10 и преобразовывается последним в приемный электрический сигнал 40-а (фиг.2). По переднему фронту импульса 35 (фиг.2) с второго выхода распределителя 6 триггер 21 устанавливается в положение "1" (диаграмма 41, фиг.2). При этом сигнал высокого логического уровня ("1"), сформированный на прямом выходе триггера 21, воздействует на управляющие входы V ключей 15 и 29 и переводит их коммутирующие выводы X в замкнутое состояние. Замкнутые выводы X ключа 15 подключают накопительный конденсатор 14 к выходу повторителя 13, а замкнутые выводы X ключа 29 обеспечивают передачу напряжения, накопленного на конденсаторе 26 от предыдущего приемного сигнала, на опорный вход компаратора 12 через повторитель 18 и аттенюатор 19.

Приемный сигнал 40-а (фиг. 2), сформированный на выходе преобразователя 10, через ограничитель 9 воздействует на вход повторителя 13 и на информационный вход компаратора 12 и через замкнутые выводы X ключа 15 накапливается на конденсаторе 14 до своего амплитудного значения 43-а (фиг.2).

Приемный сигнал 40-а (фиг. 2), поступивший на информационный вход компаратора 12, регистрируется последним на уровне, задаваемом частью амплитудного значения напряжения, образованным от предыдущего приемного сигнала и накопленным на конденсаторе 26. При этом на выходе компаратора 12 формируется нормализованный приемный сигнал 44-А (фиг.2).

Сигнал 44-А (фиг. 2) с выхода компаратора 12 одновременно воздействует на первые входы элементов И 30 и 32, первый вход дискриминатора 1 и вход E коммутатора 2. Выходной сигнал компаратора 12 не пропускается элементом И 30, так как на его втором входе действует сигнал низкого логического уровня "0", поступающий с прямого выхода триггера 20, а пропускается элементом И 32, так как на его втором входе действует сигнал высокого логического уровня "1" с триггера 21. С выхода элемента И 32 сигнал через линию задержки 22 воздействует на управляющий вход V ключа 28 и вызывает замыкание выводов X последнего, что приводит к разряду конденсатора 26.

Выходной сигнал компаратора 12, воздействующий на первый вход дискриминатора 1, вызывает на прямом выходе последнего сигнал "1" ("0"), если на его втором выходе действует сигнал "1" ("0"), поступающий с второго выхода распределителя 6 через элемент ИЛИ 25.

Таким образом, дискриминатор 1 формирует сигнал "1" ("0"), если длительностью зондирования акустическим импульсом среды на базовом расстоянии L будет меньше (больше) двойного значения периода Т импульсов, действующих на выходе делителя 5, т.е. < 2T ( > 2T).

Выходной сигнал компаратора 12, воздействующий на вход E коммутатора 2, вызывает на выходе последнего сигнал "1" ("0"), если на прямом выходе дискриминатора 1 действует сигнал "1" ("0"). После прекращения действия импульса на входе E коммутатора 2, выход последнего переходит в высокоимпедансное состояние.

Сигнал "1" ("0") на выходе коммутатора вызывает повышение (понижение) напряжения на выходе интегратора 3. Таким образом, напряжение на выходе интегратора 3, являющееся управляющим для генератора 4 увеличивается и увеличивает частоту импульсов генератора 4 при < 2T и уменьшается и уменьшает частоту f генератора при > 2T. По переднему фронту импульса 37 (фиг. 2) триггер 21 возвращается в исходное состояние - коммутирующее выводы X ключей 15 и 29 переходят в разомкнутое состояние.

По переднему фронту импульса 37 (фиг.2) с пятого выхода распределителя 6 через элемент ИЛИ 23 вновь запускается генератор 8, формирующий короткий импульс 40-Б (фиг. 2), воздействующий на вход преобразователя 10. Приемный сигнал, вызванный указанным возбуждением преобразователя 10, показан на диаграмме 40-б, фиг. 2. По переднему фронту импульса 38 (фиг. 2) с шестого выхода распределителя 6 триггер 20 устанавливается в положение "1" (диаграмма 42, фиг.2). Сигнал уровня "1", сформированный на прямом выходе триггера 20, воздействует на управляющие входы V ключей 17 и 27 и переводит их коммутирующие выводы X в замкнутое состояние. При этом замкнутые выводы X ключа 17 обеспечивают передачу напряжения, накопленного на конденсаторе 14 от предыдущего приемного сигнала, на опорный вход компаратора 12 через повторитель 18 напряжения и аттенюатор 19, а замкнутые выводы X ключа 27 подключают конденсатор 26 к выходу повторителя 13.

Приемный сигнал 40-б (фиг. 2), сформированный на выходе преобразователя 10 через ограничитель 9 одновременно воздействует на вход повторителя 13 и на информационный вход компаратора 12. Далее описанный выше процесс повторяется с той лишь разницей, что выходной сигнал 44-Б (фиг. 2), сформированный компаратором 12, не пропускается элементом И 32, а пропускается элементом 30. Сигнал, возникающий на выходе элемента 30, через линию задержки 31, воздействует на управляющий вход V ключа 16 и переводит его коммутирующие выводы X в замкнутое состояние, вызывая разряд конденсатора 14. (Линия задержки 22 вводится для обеспечения устойчивой работы компаратора 12.) Импульсы ударного возбуждения 40-а и 40-б (фиг. 2) не воспринимаются компаратором 12, так как во время действия указанных импульсов на строб-входе последнего действуют запретительные сигналы, поступающие с первого и пятого выходов распределителя 6 через элемент ИЛИ 24.

В установившемся режиме работы измерителя происходит чередование условий 2T > и 2T < , сигналов "1" и "0" на выходе дискриминатора 1 и приращений напряжения (положительных и отрицательных) на выходе интегратора 3. При этом среднее значение 2T стремится к значению , а значение частоты f импульсов на выходе управляемого генератора и фиксируемое регистратором 7 будет пропорционально скорости C звука: f = 2K C/L.

Измеритель скорости звука, разработанный по описанному принципу, для контроля скорости звука в турбулизованной морской воде имеет следующие характеристики: диапазон измерения 1400,00 м/с - 1600,00 м/с, диапазон измерения выходной частоты 140000 Гц - 160000 Гц, абсолютная погрешность не более (3-4) см/с, диаметр активного элемента пьезоэлектрического преобразователя 5 мм, коэффициент K=4, длина L=80 мм.

Таким образом, в предлагаемой схеме благодаря коррекции уровня регистрации приемного сигнала частью амплитудного значения предыдущего приемного сигнала достигается высокая точность измерения и практически исключена пульсация частоты выходного сигнала, вызванная колебаниями амплитуды приемного сигнала. Исследования предложенной схемы подтвердили высокую устойчивость работы измерителя в турбулизованных средах. Высокая частота зондирующих импульсов от 8750 Гц до 10000 Гц в указанном диапазоне скоростей позволяет практически исключить воздействие на выходной сигнал изменения энергии акустических импульсов, следующих друг за другом при изменении акустической обстановки в пространстве между излучателем и отражателем.