SU1504520A1 - Method and apparatus for measuring velocity of ultrasound - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области акустических измерений и измерительной техники и может быть использовано при контроле параметров сред , в частности, высокотемпературных газовых потоков. Цель изобретени  - повышение точности определени  скорости ультразвука при большом пространственном разрешении за счет использовани  зависимости степени дифракции от скорости ультразвука. В исследуемую среду излучают ультразвуковые волны с большой и малой степен ми дифракции при известной и измер емой скорост х ультразвука, принимают их после прохождени  через исследуемую среду, измер ют их амплитуды, с учетом отношени  которых определ ют скорость ультразвука. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.The invention relates to the field of acoustic measurements and measuring equipment and can be used to monitor the parameters of media, in particular, high-temperature gas flows. The purpose of the invention is to improve the accuracy of determining the speed of ultrasound at high spatial resolution due to the use of the dependence of the degree of diffraction on the speed of ultrasound. Ultrasonic waves with high and low degrees of diffraction are emitted into the test medium at known and measured ultrasound speeds, taken after passing through the test medium, their amplitudes are measured, taking into account the ratio of which the ultrasound velocity is determined. 2 sp.f-ly, 2 ill.

Description

Изобретение относитс  к акустическим измерени м и измерительной технике и может быть использовано при контроле параметров газовых сред, в частности высокотемпературных газов .The invention relates to acoustic measurements and measurement technology and can be used in monitoring parameters of gaseous media, in particular high-temperature gases.

Цель изобретени  - повышение точности измерений при большом пространственном разрешении за счет использовани  зависимости степени дифракции от скорости ультразвука.The purpose of the invention is to improve the accuracy of measurements at high spatial resolution by using the dependence of the degree of diffraction on the speed of ultrasound.

На фиг. 1 изображена структурна  схема устройства дл  измерени  скорости ультразвука; на фиг. 2 - зависимость скорости ультразвука от отношени  амплитуд дифрагированных волн.FIG. 1 shows a block diagram of a device for measuring the speed of ultrasound; in fig. 2 - dependence of the ultrasound velocity on the ratio of the amplitudes of the diffracted waves.

Устройство дл  определени  скорости ультразвука содержит генератор 1 тактовых импульсов, последонательно электроакустически соединенные генератор 2 зондирующих импульсов, излучатель 3, приемник 4 и усилитель 5, первый и второй ключи 6 и 7, триггер 8, делитель 9 частоты, последовательно соединенные измеритель 10 отношени -и блок регистрации и первую и вторую цепи 12 и 13, кажда  из которых состоит из пикового детектора 14 (15), дополнительного измерител  16 (17) отношени  и блока 18 (19) пам ти, выход генератора 1 тактовых импульсов соединен со входами генератора 2 зондирующих импульсов , триггера 8 и делител  9 частоты , первый выход триггера 8 св зан со вторым входом генератора 2 зондирующих импульсов и с первым входом первого ключа 6, второй выход триггера 8 св зан с первым входом второслThe device for determining the speed of ultrasound contains a generator of 1 clock pulses, subsequently electroacoustically connected generator 2 of probe pulses, emitter 3, receiver 4 and amplifier 5, first and second keys 6 and 7, trigger 8, frequency divider 9, serially connected meter 10 ratio-and the registration unit and the first and second circuits 12 and 13, each of which consists of a peak detector 14 (15), an additional meter 16 (17) ratio and memory block 18 (19), the output of the clock pulse generator 1 is connected to the inputs 2 for generators probing pulses, trigger 8 and the divider 9, the frequency, the first flip-flop output 8 is coupled to the second input of the generator 2 probing pulses and the first input of the first switch 6, the second output of the flip-flop 8 is coupled to the first input vtorosl

оabout

4 СЛ4 SL

toto

31503150

го ключа 7, вторые входы первого и второго ключей 6 и 7 соединены с выходом усилител  5, выходы первого и второго ключей 6 и 7 подключены со- ответственно со входами пиковых детекторов 14 и 15, выход делител  9 частоты св зан со вторыми входами блоков 18 и 19 пам ти, выходы которых соединены со входами измерител  10 отношени , а вторые входы дополнительных измерителей 16 и 17 отношени  первой и второй цепей 12 и 13 предназначены дл  подключени  к источникам опорных напр жений. key 7, the second inputs of the first and second keys 6 and 7 are connected to the output of the amplifier 5, the outputs of the first and second keys 6 and 7 are connected respectively to the inputs of the peak detectors 14 and 15, the output of the frequency divider 9 is connected to the second inputs of the blocks 18 and 19 memories whose outputs are connected to the inputs of the ratio meter 10, and the second inputs of the additional meters 16 and 17 of the ratio of the first and second circuits 12 and 13 are intended to be connected to the sources of the reference voltages.

Сущность способа определени  скорости ультразвука заключаетс  в следующем .The essence of the method for determining the speed of ultrasound is as follows.

Предварительно определ етс  зависимость степени дифракции от скорое- ти ультразвука дл  исследуемой среды . В исследуемую среду излучают ультразвуковые волны с большой (D/ ) и малой ( 5) отношени ми дифракции при известной и измер емой скорост х ультразвука, где D - эффективный диаметр преобразовател , с помощью которого излучают ультразвуковые волны, Л - длина излучаемой ультразвуковой волны, принимают зти волны после прохождени  через исследуемую среду, измер ют их амплитуды и определ ют скорость ультразвуковой волны в исследуемой среде при помощи предварительно определенной зависи- мости с учетом отношени  А/Ар/А Ар, где Ад и АО - амплитуды волн с большой и малой степен ми дифракции при известной скорости ультразвука, А и А - соответствующие амплитуды дл  . излученной волны с неизвестной скоростью .The dependence of the degree of diffraction on the ultrasound velocity for the test medium is preliminarily determined. Ultrasonic waves with high (D /) and small (5) diffraction ratios are emitted into the studied medium at known and measured ultrasound speeds, where D is the effective diameter of the transducer with which the ultrasonic waves are emitted, L is the length of the emitted ultrasonic wave, they receive these waves after passing through the medium under study, measure their amplitudes, and determine the velocity of the ultrasonic wave in the medium under investigation using a predetermined dependence with regard to the ratio A / Ap / A Ap, where Hell and AO are the amplitudes n with high and low degrees of diffraction at a known ultrasonic velocity, A and A - corresponding to amplitude. radiated wave with unknown velocity.

В устройстве дл  1«мерени  скорости ультразвука применен вариант варьировани  степени дифракции волны путем изменени  частоты излучаемой волны.In the device for measuring the speed of ultrasound, the variant of varying the degree of wave diffraction by varying the frequency of the emitted wave is applied.

Соотношение А/Ар/А /А тождественно отношению Р/РО, где Рр - давлени  идеальной плоской волны, учи- The ratio A / Ap / A / A is identical to the ratio P / PO, where Pp is the pressure of an ideal plane wave,

тывающему дифракционное затухание ультразвуковой волны. Скорость с ультразвуковой Волны может быть представлена в видеdiffraction attenuation of the ultrasonic wave. The speed with ultrasonic waves can be represented as

С-1в(А/Ао/А /А;), UoC-1c (A / Ao / A / A;), Uo

где п - степень полинома;where n is the degree of the polynomial;

В - коэффициент полинома.B is the coefficient of a polynomial.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

Генератор 1 тактовых импульсов Вырабатывает тактовые импульсы с периодом повторени  TO. Эти импульсы поступают на счетный вход триггера 8, первьш вход генератора 2 зондирующих импульсов и вход делител  9 частоты, коэффициент делени  которого 1:3 выбран из расчета трехтактной работы измерител  10 отношени , во врем  первых двух тактов формируютс  сигналы соответствующих цепей 12 и 13, поступающие во врем  третьего такта на входы измерител  10 отношени . Генератор 2 зондирующих импульсов может быть выполнен в виде управл емого генератора радиоимпульсов , частота заполнени  которого управл етс  триггером 8. С выхода генератора 2 зондирующих импульсов радиоимпульсы длительностью р.н подаютс  на ультразвуковой излучатель 3, который излучает ультразвуковой импульс в исследуемую среду. Частоты F , F излучени  выбираютс  такими, что при частоте F излучаетс  ультразвукова  волна с большой степенью дифракции (D/Л il), а при F у - волна с малой степенью дифракции (В/ЛТ З). Ультразвуковой приемник 7 принимает ультразвуковой импульс, преобразует в электрический ,- который усиливаетс  усилителем 5 и поступает на входы ключей 6 и 7 Радиоимпульс в зависимости от состо ни  триггера 8 проходит через ключ 6 или 7 и попадает соответственно либо на первую цепь 12, либо на вторую цепь 13, т.е. на вход соответствующего пикового детектора 14 или 15. С выхода пикового детектора 14 (15) напр жение, соответствующее максимальной амплитуде прин того сигнала, поступает на первый вход дополнительного измерител  отношени  на второй вход которого подаютс  в зависимости от канала опорные напр жени  АО либо А (AQ по цепи 12, А по цепи 13), значени  которых получают с использованием этого же устройства при измерении в газовой среде при известной скорости ультразвука , и значени  эти фиксируют. Напр жение с выхода измерител  16 (17), соответствующее отношению А/А (или А /А), поступает в блок пам ти 18 (19), в котором запоминаетс . С приходом второго тактового импульса с выхода генератора 1 тактовых импульсов на входы делител  9 частоты и триггера 8 последний измен ет свое состо ние, излучатель 3 излучает ультразвуковой импульс с другой частотой заполнени  и сигнал, прошедший среду, прин тый приемником 4, усиленный усилителем 5, через соответствующий ключ (6 или 7) поступает в соответствующую цепь (12 или 13) и записываетс  в соответствующем блоке пам ти. Третий тактовый импульс генератора 1 тактовых импульсов возвращает триггер 8 в первоначальное состо ние и в исследуемую среду излучаетс  ультразвуковой импульс с первоначальной частотой заполнени . Одновременно тот же третий тактовый импульс с генератора 1 импульсов поступает на делитель 9 частоты, на выходе делител  9 частоты по вл етс  импульс, который поступает на вторые входы блоков 18 и 19 пам ти, что приводит к прохождению соответствующих напр жений на их выходы, а также к подготовке блоков 18 и 19 пам ти к прин тию новой информации. Напр жени с выходов блоков 18 и 19 поступают н основной измеритель 10 отношени . Напр жение на выходе измерител  10 отнощени  соответствует отношению А/АР/А /АР и поступает на блок 11 регистрации.Clock Generator 1 Generates clock pulses with a repetition period TO. These pulses arrive at the counting input of the trigger 8, the first input of the generator 2 probe pulses and the input of the frequency divider 9, whose division ratio 1: 3 is selected based on the three-stroke operation of the ratio meter 10, the signals of the corresponding circuits 12 and 13 are generated during the first two cycles during the third cycle to the inputs of the ratio meter 10. The probe pulse generator 2 can be made in the form of a controlled radio pulse generator, the filling frequency of which is controlled by a trigger 8. From the output of the probe pulse generator 2, radio pulses of rn duration are fed to the ultrasonic emitter 3, which emits an ultrasonic pulse to the medium under study. The frequencies F, F of the radiation are chosen such that, at the frequency F, an ultrasonic wave with a high degree of diffraction (D / L il) is emitted, and at F y a wave with a small degree of diffraction (B / LT C). Ultrasonic receiver 7 receives an ultrasonic pulse, converts it into an electric one, which is amplified by amplifier 5 and fed to the inputs of keys 6 and 7. A radio pulse, depending on the state of trigger 8, passes through key 6 or 7 and hits either the first circuit 12 or the second, respectively. chain 13, i.e. To the input of the corresponding peak detector 14 or 15. From the output of the peak detector 14 (15), the voltage corresponding to the maximum amplitude of the received signal is fed to the first input of an additional ratio meter to the second input of which is fed, depending on the channel, the reference voltages AO or A ( AQ is on chain 12, A on chain 13), the values of which are obtained using the same device when measured in a gaseous medium at a known speed of ultrasound, and these values are fixed. The voltage from the output of meter 16 (17), corresponding to the A / A ratio (or A / A), is fed to memory block 18 (19), in which it is stored. With the arrival of the second clock pulse from the output of the clock generator 1 to the inputs of the frequency divider 9 and the trigger 8, the latter changes its state, the emitter 3 emits an ultrasonic pulse with a different filling frequency and the signal passed through the medium received by the receiver 4, amplified by amplifier 5, through the corresponding key (6 or 7) enters the corresponding circuit (12 or 13) and is recorded in the corresponding memory block. The third clock pulse of the clock pulse generator 1 returns the trigger 8 to the initial state and an ultrasonic pulse with the initial frequency of filling is emitted into the test medium. At the same time, the same third clock pulse from the pulse generator 1 arrives at the frequency divider 9, a pulse appears at the output of the frequency divider 9, which arrives at the second inputs of the memory blocks 18 and 19, which causes the corresponding voltages to pass to their outputs, and also for the preparation of blocks 18 and 19 of memory for the adoption of new information. The voltages from the outputs of blocks 18 and 19 are fed to the main ratio meter 10. The voltage at the output of the meter 10 corresponds to the ratio A / AP / A / AR and goes to the registration block 11.

Claims (1)

Формула изобретени Invention Formula 1, Способ определени  скорости ультразвука в средах, основанный на излучении и приеме ультразвука, измерении параметров прин того ультразвука и определении с их учетом скорости ультразвука, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, счто, с целью повьппе- ни  точности измерений, при помощи акустического преобразовател  излучают ультразвуковые волны с разными степен ми дифракции D/ / в среду с известной скоростью ультразвука и1, A method for determining the speed of ultrasound in media, based on the emission and reception of ultrasound, measuring the parameters of the received ultrasound and determining the speed of ultrasound, which is based on ultrasound, with the aim of studying measurements using an acoustic transducer emit ultrasonic waves with different degrees of diffraction D / / into the medium with a known ultrasound velocity and в исследуемую среду и принимают их, измер ют амплитуды прин тых волн, а скоррсть ультразвука определ ют с учетом отношени  А:Ао:А :А(, по известной зависимости, где А, А и А, А - амплитуды, измеренные дл  D// 1 и D// 5 соответственно, D - эффективный диаметр акустическогоthey are taken into the medium under study, the amplitudes of the received waves are measured, and the ultrasound skorst is determined taking into account the ratio A: Ao: A: A (according to the well-known relationship where A, A and A, A are the amplitudes measured for D / / 1 and D // 5 respectively, D is the effective diameter of the acoustic преобразовател , Д- длина излучаемой волны,converter, D is the length of the radiated wave, 2, Устройство дл  определени  скорости ультразвука, содержащее последовательно электроакустические2, A device for determining the speed of ultrasound, containing in series electroacoustic соединенные генератор зондирующих импульсов, излучатель, приемник и усилитель, генератор тактовых импульсов , первый и второй ключи, блок регистрации, делитель частотыconnected probe pulse generator, emitter, receiver and amplifier, clock pulse generator, first and second keys, registration unit, frequency divider и триггер, первый выход которого соединен со вторым входом генератора зондирующих импульсов и с первым входом первого ключа, второй выход триггера соединен с первым входом второго ключа, выход генератора тактовых импульсов соединен с входами генератора зондирующих импульсов и триггера, вторые входы первого и второго ключей подключены к выходу усилител , отличающеес and the trigger, the first output of which is connected to the second input of the probe pulse generator and to the first input of the first key, the second output of the trigger is connected to the first input of the second key, the output of the clock generator is connected to the inputs of the probe pulse generator and the trigger, the second inputs of the first and second keys are connected to the output of the amplifier, different тем, что, с целью повьш1ени  точности измерений, оно снабжено основным измерителем отношени  и первой и второй цеп ми, кажда  из которых состоит из последовательно соединенных пикового детектора, дополнительного измерител  отнощени  и блока пам ти, входы которых подключены к выходам первого и второго ключей соответственно , выходы первой и второй цепей соединены с первым и вторым входами основного измерител  отнощени , вторые входы блоков пам ти соединены с выходом делител  частоты, выход основного измерител  отношени  подключен к блоку регистрации, а вторые входы дополнительных измерителей отношени  первой и второй цепей предназначены дл  подключени  к источникам опорного напр жени .In order to improve measurement accuracy, it is equipped with a main ratio meter and first and second circuits, each of which consists of a series-connected peak detector, an additional ratio meter and a memory unit, whose inputs are connected to the outputs of the first and second keys, respectively , the outputs of the first and second circuits are connected to the first and second inputs of the main ratio meter, the second inputs of the memory blocks are connected to the output of the frequency divider, the output of the main ratio meter is connected to loci register and the second inputs of the additional measuring devices ratio of the first and second circuits are designed for connection to a source of reference voltage.