Гидрологический измеритель скорости звука

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости ультразвука в жидкостях и газах, в частности при проведении гидрофизических исследований морей и океанов. Цельи изобретения является повышение достоверности результатов измерения путем обеспечения оперативного контроля стабильности характеристик измерителя в процессе измерений. Введение в измеритель дополнительных блоков: имитатора эхо-сигналов, второго коммутатора , одновибратора, резистора и блока формирования командных сигналов , позволяет в процессе измерений проводить оперативный контроль стабильности характеристик электронного тракта и неисправностей измерителя путем подключения к электронному тракту имитирующих эхо-сигналов, характеристики которых близки к характеристикам реальных эхо-сигналов, а погрешность задания временного интервала определяется нестабильностью генератора опорных импульсов. По полученным значениям контролируемой скорости и установленного в процессе лабораторных испытаний допуска судят о работоспособности измерителя и достоверности предшествующих результатов . 2 ил. $ (/

СОЮЗ СО8ЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 С 01 Н 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н Д ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (61) 1255871 (21) 4048256/25-28 (22) 07.01.86 (46) 15.03.89. Бюл. Ф 1О (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро Морского гидрофизического института АН УССР (72) А. П. Толстошеев и В. B. Холкин (53) 534.22(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 125587 1. кл. G 01 Н 5/00, 1985. (54) ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости ультразвука в жидкостях и газах, в частности при проведении гидрофизических исследований морей и океанов. Целью изобретения является повышение достоверности результатов измерения путем обеспечения оперативного контроля

Изобретение относится к измеритель ной технике, может быть использовано для измерения скорости ультразвука s жидкостях и газах, в частности при проведении гидрофиз ических исследова= ний морей и океанов, и является усовершенствованием изобретения по авт. св. Р 1255871 °

Цель изобретения — повышение достоверности результатов измерения путем обеспечения оперативного контроля стабильности характеристик измерителя в процессе измерений.

Л0, 1465715 А2 стабильности характеристик измерителя н процессе измерений. Введение в измеритель дополнительных блоков: имитатора эхо-сигналов, второго коммутатора, одновибратора, резистора и блока формирования командных сигналов, позволяет в процессе измерений проводить оперативный контроль стабильности характеристик электронного тракта и неисправностей измерителя путем подключения к электронному тракту имитирующих эхо-сигналов, характеристики которых близки к характеристикам реальных эхо-сигналов, а погрешность задания временного интервала определяется нестабильностью генератора опорных импульсов. По полученным значениям контролируемой скорости и установленного в процессе лабораторных испытаний допуска судят о работоспособности измерителя и достоверности предшествующих результатов. 2 нл.

2 1

isa фиг. 1 представлена структурная схема гидрологического измерителя скорости звука; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие его работу.

Гидрологический измеритель скоро-.. сти звука (фиг. 1) содержит последовательно соединенные управляемый генератор i формирователь 2 импульсов, делитель 3 частоты, распределитель

4 импульсов, генератор 5 возбуждающих импульсов, ограничитель 6, усилитель

7, компаратор 8, первый RS-триггер

9, первый коммутатор 10, интегратор

11 и синхронный фильтр 12, выход ко3 146571 торого соединен с входом управляемого генератора 1, а к выходу последнего подключены последовательно соединенные линия 13 связи и регистратор

14, дешифратор 15, первый, второй и

5 третий входы которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами распределителя 4 им; пульсов, четвертый вход — с выходом делителя 3 частоты, а первый выход— с управляющим входом компаратора 8 и управляющим входом синхронного фильтра 12, второй RS-триггер 16, ! выход которого соединен с информационньм вхОдом первого коммутатора 10

S-вход — с первым выходом распределителя 4 импульсов, R-вход " с вторым выходом денифратора 15 и R-входом первого RS-триггера 9, измерительную 2О, ячейку 17, подключенную к выходу генератора 5 возбуждающих импульсов и состоящую из электраакустическаго преобразователя 18, первого 19 и вто рого 20 отражателей, имитатор 21 эхо- . 25 сигналов, включающий последовательно соединенные генератор 22 опорных импульсов, счетчик 23 и формирователь

24 имитирующих эхо-сигналов, одновибратор 25, вход которого подключен к первому выходу распределителя 4 импульсов, а выход — к входу "Установка" счетчика 23, второй коммутатор . 26, первый информационный вход кото( рого соединен с выходом формирователя 24, а выход — с входом ограничи,теля 6, резистор 27, подключенный к второму информационному входу вто2 1 2 1 2 1 2

0,0 0,1 1 1 1 0

Ъзмерение" "Контроль"

Управляющие входы коммутатора 26

Уровни сигнала на управляющих входах

Реализуемое соединение: выход 24 — вход 6 выход 27 — вход 6

Режим работы измерит еля

В режиме "Измерение" на первый управляющий вход второго коммутатора

26 и вход генератора 22 опорных импульсов с выхода блока 28 формирования командных сигналов через линию

13 связи поступает аигнал (фиг. 2д) соответствующий уровню логического нуля. При этом генератор 22 опорных импульсов запирается и на его выходе

4 роro коммутатора 26, и блок 28 формирования командных сигналов, который связан через линию 13 связи с первым управляющим входом второго коммутатора 26 и входом генератора

22 опорных импульсов, а второй управляющий вход второго коммутатора

26 подключен к первому выходу распределителя 4 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Управляемый генератор 1 генерирует синусоидальный высокочастотный сигнал с частотой Г, преобразуемый формирователем 2 импульсов в последовательность прямоугольных илпульсов, которая поступает на вход делителя 3 частоты, имеющего коэффициент деления п., Последовательность импульсов (фиг. 2а) с выхода делителя 3 частоты подается на. вход распределителя 4 импульсов и четвертый вход дешифратора 15. По фронту импульса (фиг. 2б) с первого выхода распределителя 4 импульсов генератор 5 возбуждающих импульсов вырабатывает короткий импульс (фиг. 2к), а второй RS-триггер 16 устанавливается в состояние логической единицы (фиг. 2п) .

Измеритель имеет два режима работы: "Измерение" и "Контроль". Второй коммутатор 26, в качестве которого .мажет быть использован аналоговый . коммутатор типа 590 КНЗ, осуществляет. функцию переключения режимов работы, приведенную в таблице. отсутствует сигнал (фиг. 2ж) опорной частоты Г,, а второй коммутатор 26 устанавливается в разомкнутое положение, что обеспечивает отключение выхода имитатора 21 эхо-сигналов от измерительной части схемы измерителя. Короткий импульс (фиг. 2к) с выхода генератора 5 возбуждающих импульсов возбуждает электроакустичес5 14657 кий преобразователь IS измерительной ячейки 17. Электроакустический преобразователь 18 излучает в исследуемую среду ультразвуковой импульс.

В результате отражений излученного импульса от первого 19 и второго 20 отражателей в электроакустическом преобразователе 18 возбуждаются два эхо-сигнала (A»r. 2к}. Временной интервал между эхо-сигналами определяется расстоянием L между отражателями 19 и 20 (акустической базой) и скоростью С распределения ультразвука в исследуемой среде. Полученные эхо-сигналы поступают на вход ограничителя б, В режиме "Контроль" на первый управляющий вход второго коммутатора

26 и вход генератора 22 опорных импульсов с выхода блока 28 формирователя командных сигналов через линию

13 связи поступает сигнал (фиг. 2д), соответствующий уровню логической единицы. При этом генератор 22 опор- 25 ных импульсов переводится в режим генерации и на его выходе формируется последовательность(фиг. 2ж ) прямоугольных импульсов опорной частоты 1 О„, а второй коммутатор 26 устанав- 30 ливается в одно из двух положений, определяемое сигналом (фиг. 2б) с первого выхода распределителя 4 импульсон. При наличии импульса на этом выходе второй коммутатор 26 ус35 танавлива ется в положение, при котором параллельно выходу генератора 5 возбуждающих импульсов подключается резистор 27, шунтирующий электроакустический преобразователь 18, с целью предотвращения излучения им в режиме

"Контроль" зондирующего акустического сигнала и как следствие, исключения влияния отраженных акустических эхосигналов на работу измерителя в этом 4 режиме.

По фронту импульса (фиг. 2б) с первого выхода распределителя 4 ю пульсов одновибратор 25 формирует короткий отрицательный импульс (фиг. 2е),5 поступающий на вход установки счетчика 23 и определяющий начало цикла .формирования имитирующих эхо-сигналов.

На счетный вход счетчика 23 поступает сигнал (фиг. 2ж) опорной частоты У „ эб с выхода генератора 22 опорных им- пульсов. Коэффициент m пересчета счетчика устанавливается таким, чтобы выполнялось соотношение

15 6

m 2 (Lz-L)

Fon С где 1, и L — расстояния от электроакустического преобразователя до первого 19 и второго 20 отражателей соответственно;

ф— контрольное значение скорости звука из заданного диапазона измерений.

На выходе счетчика 23 формируются два прямоугольных импульса (фиг. 2з), временные положения которых соответствуют временным положениям эхо-сигналов, получаемых с электроакустического преобразователя 18 в режиме "Измерение" при скорости звука С в исследуемой среде.

Импульсы с выхода счетчика 23 поступают на вход формирователя 24 имитирующих эхо-сигналов. Последний может быть выполнен из последовательно соединенных резистора и катушки индуктивности. Значения сопротивления и индуктивности этих элементов выбираются такими, чтобы колебательная система, образующаяся при подключении формирователя 24 к электроакустическому преобразователю 18, обеспечивала при ее возбуждении импульсами с выхода сче тчика 23 формирование на входе ограничителя 6 имитирующих эхо-сигналов с характеристиками, близкими к характеристикам эхо-сигналов, получаемых на электроакустическом преобразователе 18 при отражении зондирующего импульса от отражателей 19 и 20.

Импульсы (фиг. 2и) с выхода формирователя 24 поступают на первый информационный вход второго коммутатора

26, который по спаду ячпульса (фиг. 2б) с выхода распределителя 4 импульсов отключает резистор 27 и подключает выход формирователя 24 к входу ограничителя 6. Таким образом, в режиме "Контроль" на вход ограничителя 6 поступает два электрических импульса (фиг. 2к), имитирующих экос иг налы.

По следующее преобраз ов ание сигналов, поступающих на вход ограничителя 6, не зависит от режима работы измерителя и осуществляется следующим образом.

3 .= 1 5 Т вЂ” (2 4 + + op+ 2в)1бб

1И «4 С (от!

2 ()

= 2 5 Тч (2 "с(«„t+ "с(б| + A + "пр2" 8 ) (3) 7 14657

Сигналы с выхода ограничителя 6, предотвращающего перегрузку входа усилителя 7 в момент формирования возбуждающего импульса (фиг. 2к), усиливаются усилителем 7 и поступают на информационный вход компаратора, 8, стробируемого импульсом (фиг. 2л) с первого выхода дешифратора 15. Длительность стробирующего импульса обе- 10 спечинает формирование сигналов (фиг. 2м) на выходе компаратора 8 только во время приема первого и вто-! рого эхо-сигналов в режиме "Измере ние" или первого и второго импульсов, 15 имитирующих эхо-сигналы, в режиме пКонтроль". Помехозащищенность компаратора 8 обеспечивается выбором величины напряжения на его опорном входе (не показан), заведомо превышающей 20 уровень шумов.

Последовательности прямоугольных импульсов (фиг. 2м) с ныхода компаратора 8 поступают на S-вход первого

RS-триггера 9. По фронту первого им- 25 пульса первой импульсной последовательности первый RS-триггер 9 устанав ливается в состояние логической еци( ницы (фиг. 2о).. Бозвра,цение выхода первого RS-триггера 9 в состояние логи- 10 ческого нуля происходит по фронту сиг1 нала (фиг. 2н), поступающего íà Rвход этого триггера с второго выхода ! дешифратора 15. Временное положение ( этого сигнала (фиг. 2н) определяется импульсами (фиг. 2н) с второго выхода распределителя 4 импульсов и последова тельностью импульсов (фиг. 2а) с

Гс частотой — с выхода делителя 3 чаи стоты, поступающих соответственно на второй и четвертый входы дешифратора

15. Аналогично на ныходе первого RSтриггера 9 формируется импульс (фиг. 2о), соответствующий второй импульсной последовательнос ги (фиг. 2м) íà S-входе данного триггера. Длительности первого, и второго i импульсов (фиг. Зо) на выходе первого RS-триггера 9 определяют нре- БО мя интегрирования интегратора 11 и соответствуют выражениям: в режиме "Измерение"

15 период сигнала (фиг. 2а) на выходе делителя 3 частотыы; время прохождения ультразвукового колебания между первым 19 и вторым 20 отражателями (на базовом расстоянии L); время прохождения ультразвукового колебания между электроакустическим преобразователем 18 и первым отражателем 19 (на расстояL7) Ф задер,"а<а при передаче мекду моментами запуска генератора 5 возбуждающих импульсов и излучением акус— тического импульса электроакустическим преобразователем 18; задержка при приеме между моментом прихода отраженного акустического сигнала, возбуждающего электроакустический преобразователь

18 и моментом срабатывания первого RS-триггера 9; задержка в волноводе.(не показан ) электроакустического преобразователя 18, где Г,„ л с(б) в режиме "Контроль"

1,5 Ти (""с*+ "чс + сч+ шТсп+

+ «,+ + ° „); (4) = 2,5 Т q — (,д+ „ст+ с+ 2шТоп +

+ "ф + " +iï, )ð,(5) где 7,,, „,, „— задержки в одновибраторе 25, счетчике ."

23, формирователе 24 и втором коммутаторе 26 соответственно; „- длительность импульса (фиг. 2е) установки счетчика 23, формируемого одновибратором 25;

Т „ — период следования импульсов на выходе генератора 22 опорных импульсов.

Пары импульсов с первого RS-триггера 9 (фиг. 2о) поступает на управляющий вход первого коммутатора 10.

Информационный вход первого коммутагора 10 соединен с выходом второго

-RS-триггера 16, уровень сигнала на

9 14657 котором (фиг. 2п) определяет направление интегрирования интегратора 11.

Уровень сигнала на выходе второго

RS-триггера 16 соответствует логи5 ческой единице в течение времени между фронтом импульса с первого выхода (фиг. 2б) распределителя 4 импульсов и фронтом первого импульса (фиг. 2н) с второго выхода дешифратора 15 и ло-10 гическому нулю в остальное время цикла, что, KBK следует из временных диаграмм, определяет формирование на входе интегратора 11 (выходе первого коммутатора 10) пары импульсов 15 (фиг. 2р) — импульса положительной полярности длительностью,„ в режиме "Измерение" или С,„в режиме "Контроль" и импульса отрицательной полярности длительностью с „или С и для соответствующего режима.

Величина приращения напряжения на вьжоде интегратора 11 (фиг. 2с) после окончания цикла заряд — разряд пропорциональна в режиме "Измерение" раэ-25 разности длительностей с „и д „, определяемых выражениями (2) и (3), а в режиме "Контроль" — разности длительностей, и и 2 „, определяемых выражениями (4) и (5) . Напряжение с 30 выхода интегратора 11 через синхронный фильтр 12, управляемый стробирующим сигналом (фиг. 2л) с первого выхода дешифратора 15, поступает на управляющий вход управляемого генерато- 35 ра 1 (фиг. Зш) .

Приращение частоты выходного сигнала управляемого генератора 1 пропорционально входному напряжению на его управляющем входе, т.е. пропорци- 40 ональнс в режиме "Измерение" разности длительностей с,„и с „, которая, как следует из выражений (2) и (3), равна (8) 2 а,с() = Ту1 в режиме "Контроль" (9) ro, что

2 L

"c(g> (10) и

Т

Fcu

20 из выражения (8) следует, что частота выходного сигнала управляемого генератора 1 пС см (12) и при определенных длине измер1 тельной базы L и значении коэффициента деления делителя 3 частоты определяется только скоростью распространения звука в исследуемой среде и не зависит от параэитньж задержек в электронно-акустическом канале измерителя.

В режиме "Контроль" нз выражений (9) и (11) следует, что частота выходног о с иг нала управляемого генератора 1 п си о (l 3) а в режиме Контроль" — разности длительностей °,„и с „, которая, как следует из выражения (4) и (5), равна150 dCAGA

С (14) "1и " ц 2 "с в1 тд {6) i 1и- i и = mT Ол " Tu (2) и не .зависит от паразитных задержек в электронно-акустическом канале измерителя, определяющих погрешность измерения или контроля скорости звука.

Функ цио ниро в ан ие з амкнуто и ав томатическай системы направлено на вытолнение н установившемся режиме следующих равенств. в режиме Измерениец в режиме 1Измерение с учетом тои при определенных значениях коэффициентов и и m определяется только пепериодом Т „„ следования импульсов выходного сигнала генератора 22, Частотный сигнал с выхода управляемого генератора 1 через линию связи поступает на регистратор 14.

Для осуществления контроля характеристики преобразования электронного тракта измерителя скорости звука с допустимой погрешностью d С до„значение относительной нестабильности d, вы" . ходного сигнала генератора 22 опорных импульсов; как следует из выражений (8) — (10) должно удовлетворять тре б ов анив

14657

Так, при допустимом значении йС акоп = 3 10 мс и значении С „

-2 — 1500 мс, соответствующем середине задаваемого для гидрологических измерителей диапазона измерения скорости звука от С и= 1400 мс -" до С „„,к, =1600 мс, отражающего реальные значения существующих скоростей зву ка в Мировом океане, значение / „ должно быть dÃer 2 10 5. Указанное значение do может быть обеспечено применением в генераторе 22 кварцевого резонатора типа PK 170БВ-14БП, для которого d, 61,5 10 без применения 15 каких-либо мер термостабильности.

При необходимости уменьшения dC « (может быть применена термостабилизаl цня rенератора 22.

Дпительность « импульса на выхо, де одновибратора 25 должна удовлетворять соотношению л n„ осч оод 1э5 Тц

Таким образом, использование в измерителе дополнительных олоков: имитатора эхо-сигналов, второго коммутатора одновибрагора резистора и блоУ бО ка формирования командных сигналов, (15) (, 25 где 2,„- время, необхоцимое для ус-! . тановки счетчика 23 в ис(ходное состояние.

По данным о погрешности генератора 22 опорных импульсов и допустимой температурной (или иной) погрешности электронного тракта, выявленной в ( процессе лабораторных испытаний, получают достоверные данные о пределах (допусках) ухода значения скорости

Ск в режиме 1онтроль, соответству1Ф г И

35 ющих нормальной работоспособности электронного тракта гидрологического измерителя скорости звука.. В процессе эксплуатации оператор периодически переводит измеритель в режим "1(онтроль" для определения скорости Ск.

Выход С„-из допуска свидетельствует об уходе характеристик электронного тракта или появлении неисправности.

m 2 О, - J.,) оп с к расстояния от злектроакустического преобразователя до первого и второго отражателей соответственно; контрольное значение скорости звука из заданного диапазона измерений. где J.„è Ь, 15 12 позволяет в процессе измерений проводить оперативный контроль стабильности характеристик электронного тракта и выявлять неисправности, что повышает достоверность результатов измерений.

Формула изобретения

Гидрологический измеритель скорости звука по авт. св. Р 1255871, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности результатов измерения, он снабжен имитатором эхо-сигналов, выполненным из последовательно соединенных генератора опорных импульсов, счетчика и формирователя имитирующих эхо-сигналов, одновибратором, выход которого соединен с входом "Установка" счетчика, вторым коммутатором, первый информационный вход которого соединен с выходом формирователя имитирующих эхо-сигналов, резистором, подключенным к второму информационному входу второго коммутатора, и блоком формирования командных сигналов, выход которого посредством линии связи подключен к управляющему входу генератора опорных импульсов и первому управляющему входу второго коммутатора, второй управляющий вход второго коммутатора соединен с входом одновибратора и первым выходом распределителя импульсов, а выход — с входом ог.раничителя при этом отношение коэффициента m пересчета счетчика к частоте.Г „ генератора опорных импульсов выбрано из соотношения!

- — - 21

Фиг, f

РРмим,изнееение Рыин„%иереев"

Фиг.8

Составитель В. Белозеров

Редактор А. Orap Техред <,яндык Ко р рек то р М. щароши

Заказ 933/41 Тираж 512 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета w изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101