SU1388730A1 - Device for determining propagation rate and absorption factor of ultrasound - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в химической и микробиологической промьппленности, в гидроакустике дл  прецизионных измерений акустических параметров жидких сред. Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей устройства и повьшение точности измерений за счет частотно-независимого управлени  разностью фаз, расширени  диапазона рабочих частот и обеспечени  возможности различени  фаз, отличакнцихс  на 2 . Устройство содержит генератор 1, измерительную камеру 2 с излучающим и приемным ультразвуковыми преобразовател ми, фазовый детектор 3, суммирующий интегратор 4, сумматор 5, управл емый источник 7 и блок 6 управлени . Суммирующий интегратор 4, введенный в цепь отрицательной обратной св зи регулировани  частоты генератора, обеспечивает функции модул ции фазы, задани  среднего ее значени , фильтрации входных сигналов и запоминани  уровн  на врем  перестройки частоты генератора 1. Блок 6 управлени  обеспечивает модул цию разности фаз и измерени  центральной частоты и девиации частоты. Сумматор 5 обеспечивает перестройку на частоты гармоник, отличающихс  по разности фаз на 2 , 2 кл. I слThe invention relates to a measuring technique and can be used in chemical and microbiological industries, in hydroacoustics for precision measurements of the acoustic parameters of liquid media. The purpose of the invention is to expand the functionality of the device and increase the accuracy of measurements due to frequency-independent control of the phase difference, expansion of the operating frequency range and the ability to distinguish the phases, differing by 2. The device comprises a generator 1, a measuring chamber 2 with radiating and receiving ultrasonic transducers, a phase detector 3, a summing integrator 4, an adder 5, a controlled source 7, and a control unit 6. A sum integrator 4, introduced into the negative feedback loop of the oscillator frequency control, provides the functions of phase modulation, setting its average value, filtering the input signals and storing the level for the oscillator frequency tuning time 1. Control unit 6 modulates the phase difference and measures frequency and frequency deviation. The adder 5 provides adjustment to harmonic frequencies differing in phase difference of 2, 2 cells. I cl

Description

Фиг.11

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в гидроакустике дл  прецизионных измерений акустических параметров жидких сред.The invention relates to a measurement technique and can be used in hydroacoustics for precision measurements of acoustic parameters of liquid media.

Цель изобретени  - повьшение точности измерени  и расширение функциональных возможностей устройства за счет частотно-независимого управлени  разностью фаз, расширени  диапазона рабочих частот и различени  фаз, отличающихс  на 2fr.The purpose of the invention is to increase the measurement accuracy and expand the functionality of the device by frequency-independent control of the phase difference, extending the range of operating frequencies and distinguishing phases differing by 2fr.

На фиг. 1 изображена блока-схема предлагаемого устройства; на фиг.2- форма фазочастотной характеристики (ФЧХ) измерительной камеры, измер емые величины частот и задаваемые уровни модул ции фазы на выходе блока згправлени .FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device; 2 shows the form of the phase-frequency characteristic (PFC) of the measuring chamber, the measured frequency values and the set levels of phase modulation at the output of the control unit.

Устройство содержит последовательно соединенные генератор 1, измерительную камеру 2 с излучающим и приемным акустическими преобразовател ми (.не показаны), фазовый детектор 3, суммирующий интегратор 4 и сумматор 5, блок 6 управлени , вход которого подключен к выходу генератора а выход - к второму входу суммирующего интегратора А, и управл емый источник 7, выход которого соединен с вторым входом сумматора 5, второй вход фазового детектора 3 подключен к выходу генератора 1, выход сумматора 5 соединен с управл ющим входом генератора 1.The device contains a generator 1 connected in series, a measuring chamber 2 with radiating and receiving acoustic transducers (not shown), a phase detector 3, a summing integrator 4 and an adder 5, a control unit 6, the input of which is connected to the generator output and the output to the second input summing integrator A, and a controlled source 7, the output of which is connected to the second input of the adder 5, the second input of the phase detector 3 is connected to the output of the generator 1, the output of the adder 5 is connected to the control input of the generator 1.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Напр жение генератора 1 возбуждает излучающий преобразователь измерительной камеры 2, который излучает ульт-развуковую волну, распростран ющуюс  в исследуемой среде. Ультразвукова  волна преобразуетс  на приемном преобразователе в электрические колебани , поступающие на первый вход фазового детектора 3, на второй вход которого подаетс  сигнал с генератора 1. На выходе фазового детектора 3 формируетс  сигнал , уровень которого пропорционален разности фаз q входных сигналов без учета целого числа If . Этот сигнал поступает на первый суммирующий вход интегратора 4. На второй вход интегратора 4 поступает сигнал с выхода блока 6 управлени . Уровень сигнала модул ции фазы ±s (f на выходе блока 6 управлени  представл 0The voltage of the generator 1 excites the radiating transducer of the measuring chamber 2, which emits an ultrasonic wave propagating in the medium under study. The ultrasonic wave is converted at the receiving transducer into electrical oscillations arriving at the first input of the phase detector 3, the second input of which receives a signal from the generator 1. At the output of the phase detector 3, a signal is generated whose level is proportional to the phase difference q of the input signals without taking into account the integer If. This signal is fed to the first summing input of the integrator 4. The signal from the output of the control unit 6 is fed to the second input of the integrator 4. The level of the phase modulation signal is ± s (f at the output of control unit 6 is 0

5five

00

5five

00

5five

00

5five

ет собой периодическую последовательность трех уровней. Если средний уровень iff сигнала на выходе блока 6 управлени  не равен уровню сигнала на выходе фазового детектора 3, то напр жение на выходе интегратора будет измен тьс  и по цепи отрицательной обратной св зи через сумматор 5 будет обеспечивать фазовую автоматическую подстройку частоты (ФА11Ч) генератора 1 на центральную частоту f, соответствующую разности фаз п на ФЧХ измерительной камеры. Дискретное переключение уровн  сигнала модул ции фазы+S tf будет отслеживатьс  ФАПЧ, что будет вызыва ь модул цию разности фаз между сигналами на входе и выходе измерительной камеры 2 и соответствующую ей девиацию частоты +sf (см.фиг.2). Величина перепадов сигна- ла модул ции ±s ср относительно среднего значени  Cip соответствует модул ции разности фаз на t. .em is a periodic sequence of three levels. If the average level iff of the signal at the output of control unit 6 is not equal to the level of the signal at the output of phase detector 3, the voltage at the integrator output will vary and over the negative feedback circuit through adder 5 will provide phase automatic frequency control (FA11CH) of generator 1 at the center frequency f corresponding to the phase difference n on the phase response of the measuring chamber. The discrete switching of the phase modulation signal level + S tf will be monitored by the PLL, which will cause the modulation of the phase difference between the signals at the input and output of the measuring chamber 2 and the corresponding frequency deviation + sf (see figure 2). The magnitude of the modulation signal difference ± s cf relative to the average Cip value corresponds to the modulation of the phase difference by t. .

Блок 6 управлени  обеспечивает измерение центральной частоты ±f и девиации частоты +sfц соответствующих выбранному номеру п из номеров гармоник измерительной камеры 2. Дл  определени  номера гармоники п фиксируют частоту f, уровень сигнала на выходе управл емого источника 7 измен ют на величину, приблизительно соответствующую разности центральных частот двух гармоник, отличающихс  по фазе на 21Г . При этом ФАПЧ точно настраиваетс  на частоту той гармоники, в область которой был перестроен генератор 1 при изменении уровн  на выходе управл емого источника 7„ Номер п гармоники определ ют по разности 2if центральных частот f t 2 и f в соответствии соThe control unit 6 measures the center frequency ± f and the frequency deviation + sfц corresponding to the selected number n from the harmonics numbers of the measuring chamber 2. To determine the harmonic number n, they fix the frequency f, the signal level at the output of the controlled source 7 is changed by an amount approximately equal to the difference center frequencies of two harmonics differing in phase by 21G. At the same time, the PLL is precisely tuned to the frequency of the harmonic in which the oscillator 1 was rebuilt with a change in the level at the output of the controlled source 7 "The harmonic number n is determined by the difference 2if of the center frequencies f t 2 and f in accordance with

и следующим выражением: and the following expression:

fnfn

п P

ufuf

(1)(one)

Дл  измерени  скорости распространени  и коэффициента поглощени  ультразвука в исследуемой среде измерительную камеру 2 заполн ют средой с известными значени ми скорости распространени  Ср и коэффициента поглощени  Ыр ультразвука. Записывают установивщиес  значени  f р центральной частоты и девиации частоты sfnp.To measure the propagation velocity and the absorption coefficient of ultrasound in the test medium, the measuring chamber 2 is filled with a medium with known values of the propagation velocity Cp and the absorption coefficient Up of ultrasound. Record the set values of f p of the center frequency and the frequency deviation sfnp.

Затем измерительную камеру 2 заполн ют исследуемой средой и по установившимс  значени м центральной частоты f, и девиации частоты sf пи определ ют скорость распространени  С f и коэффициент поглощени  oi,, в соответствии со следующими выражени ми:Then the measuring chamber 2 is filled with the test medium and by the established values of the center frequency f, and the deviations of the frequency sf pi determine the propagation velocity C f and the absorption coefficient oi, according to the following expressions:

Си Si

Ч H

I I

ff

nu Uli,nu Uli,

iriflirifl

huhu

- Bf,- Bf,

J.J.

(2) (3)(2) (3)

деde

В В In In

посто нна , характеризующа  потери энергии в измерительной камере 2, не св занные с поглощением ультразвука в исследуемой среде,constant characterizing the energy loss in the measuring chamber 2, not associated with the absorption of ultrasound in the test medium,

1 Г . - (4) f.1G. - (4) f.

5f5f

прetc

прetc

ФАПЧ с помощью суммирующего интегратора 4 позвол ет компенсировать погрешности измерени , обусловленные изменением уровней сигналов на втором входе сумматора 5 или на управл ющем входе генератора 1. Управл емый источник 7 обеспечивает дискретное переключение двух уровней и и U(, + ДУ , разность между которыми uU соответствует перестройке частоты генератора 1 на величину дР,PLLs using the sum integrator 4 compensate for measurement errors caused by changes in the signal levels at the second input of the adder 5 or at the control input of the generator 1. The controlled source 7 provides discrete switching of two levels and and U (, + remote control, the difference between them is uU corresponds to the frequency tuning of the generator 1 by the value of dP,

5five

00

5five

00

Claims (1)

определ емую соотношением 4 f ё uF 3if. Оставл   величину &U посто нной , но смеща  уровень U, можно выбирать частоты диапазона работы ФАПЧ. Формула изобретени defined by the relation 4 f u uF 3if. By keeping the value of & U constant, but by shifting the level U, you can select the frequencies of the PLL. Invention Formula Устройство дл  измерени  скорости распространени  и коэффициента поглощени  ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор, измерительную камеру с излучающим и приемным ультразвуковыми преобразовател ми и фазовый детектор, блок управлени , вход которого соединен с выходом генератора, отличающеес  тем, что, с целью повьшени  точности измерений и расширени  функциональных возможностей, оно снабжено последовательно соединенными суммирующим интегратором, первый вход которого соединен с выходом фазового детектора, и сумматором, выход которого соединен с управл ющим входом генератора, управл емым источником, выход которого соединен с вторым входом сумматора, второй вход фазового детектора соединен с выходом генератора , а второй вход суммирующего интегратора соединен с выходом блока управлени ,An apparatus for measuring the propagation velocity and the absorption coefficient of ultrasound, containing a series-connected generator, a measuring chamber with radiating and receiving ultrasonic transducers and a phase detector, a control unit, the input of which is connected to the output of the generator, characterized in that in order to increase the accuracy of measurement and expansion functionality, it is equipped with series-connected summing integrator, the first input of which is connected to the output of the phase detector, and an adder, the output of which is connected to the control input of the generator, a controllable source, the output of which is connected to the second input of the adder, the second input of the phase detector is connected to the output of the generator, and the second input of the summing integrator is connected to the output of the control unit, (тИЛ(til ( itS пГ %(itS PG% litlit