Устройство для измерения скорости звука в жидкостях и газах

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения скорости звука в газах и жидкостях, в частности в морской воде при переменных температурах и давлениях. Цель изобретения - повышение точности измерений за счет постоянного определения величины акустической базы и исключения влияния температурных флуктуаций показателя преломления воздуха. Устройство снабжено оптическим измерителем перемещений, рабочие плечи которого образованы с использованием зеркальных поверхностей отражателей звука. Герметические полости стоек, на которых укреплены отражатели звука, могут быть вакуумированы. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 С 01 Н 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСНОМ,К СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ

flQ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГГИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4287092/25-28 (22) 20.07 ° 87 (46) 23.01.90. Бюп. N 3 (71) Морской гидрофизический институт AH УССР (72) В,И. Бабий и M.Â. Бабий (53) 534 ° 22(088.8) (56) Оптико-механическая промышненность, 1985, № 1, с. 30-33. Авторское свидетельство СССР №- 808866, кл . G 01 H 5/00, 1981. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ

ЗВУКА В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения скорости звуИзобретение относится к измерительной технике и предназначено для прецизионного измерения скорости распространения звука в газах и жидкостях, в частности в морской воде в условиях переменных температур и давлений.

Цель изобретения — повышение точности за счет определения величины акустической базы в процессе измерений и исключения влияния температурных флуктуаций показателя преломпения воздуха.

На чертеже изображена структурная схема устройства.

Устройство для измерения скорости звука содержит последовательно соединенные обратимый электроакустический преобразователь 1, блок 2 излучения и приема, который может быть выполнен в виде генератора импульсов, коммута„„Я0„„15 ВО57 А1

2 ка в газах и жидкостях, в частности в морской воде при переменных температурах и давлениях. Цель изобретения — повышение точности измерений за счет постоянного определения величины акустической базы и исключе ния влияния температурных флуктуаций показателя преломления воздуха.

Устройство снабжено оптическим измерителем перемещений, рабочие плечи которого образованы с использованием зеркальных поверхностей отражателей звука. Герметические полости стоек, на которых укреплены отражатели звука, могут быть вакуумированы. 1 з.п. ф-лы, 1 нл . тора, усилителя и формирователя временных интервалов (не показаны), ана- 2 лого-цифровой преобразователь (АЦП)

3, блок 4 вычислений и блок 5 регистрации, отражатели 6 и 7 звука, расположенные на разных расстояниях от преобразователя 1, выполненные в виде © плоскопараллельных пластин одинаковой толщины из одного материала, и © имеющие оптически зеркальные поверх- 4 ности 8 и 9, которые установлены параллельно рабочей поверхности преобразователя 1 на торцы стоек 10 и 11, например цилиндрические трубы неравной длины. Торцовые плоскости 2 стоек 10 и 11 параллельны. Стойки 10 и 11 укреплены неподвижно на оптичес, ки прозрачном основании 12, выполнен ном, например, в,виде плоскопарал- . лельной пластины или диска.из стекла или лейкосапфира. Внутренние полости

4 менным сдвигом С. В блоке 2 излучения и приема преобразованные отраженные импульсы усиливают и формируют временной интервал С . АЦП 3 преобразует временной интервал в цифровой код, который поступает на первый вход блока 4 вычислений.

Одновременно с этим источник 13 излучает пучок монохроматического света, который расщепляется светорасщепителем 14 на два параллельных световых пучка, которые направляются в светоделитель 15, например, в светоделительный куб с полупрозрачным слоем. Световые пучки 22 и 23 выходят из светоделителя 15 в сторону прозрачного основания 12 и, пройдя через него и внутренние полости стержней 10 и 11, претерпевают отражение от оптически зеркальных поверхностей 8 и 9 отражателей 6 и 7 звука, возвращаются обратно в светоделитель

15 и, отразившись частично от полупрозрачного слоя, направляются в фотоэлектрические приемники 17 и 18.

Другая часть светового пучка, поступившего от источника 13, отразившись в светоделителе 15 от полупрозрачного слоя ВВ, поступает в модуля"".oð 16, где происходит сдвиг частоты излучения на величину частоты модуляции g . В качестве модулятора 16 можно использовать, например, электрооптические или акустооптические ячейки, питаемые от генератора непрерывных электрических колебаний с частотой Я . Сдвинутое по частоте опорное оптическое излучение возвращается из модулятора 16 в обратном направлении в светоделитепь 15, проходит полупрозрачный слой ВВ и попадает в фотоэлектрические приемники 17 и 18. В плоскости фотоприемников 17 и 18 опорное оптическое излучение, поступившее из модулятора 16, интерферирует с пучками света из рабочих плеч 22 и 23 оптического интерферометра-. Преобразованные фотоприемниками 17 и 18 периодические изменения интенсивности света в электрические сигналы усиливаются в избирательных усилителях

19 и 20 на частоте Я . Усиленные электрические гармонические сигналы поступают на вход электронного фазо метра 21 с цифровым выходом, который измеряет сдвиг фаэ д в долях интерференционной полосы между световыми пучками 22 и 23 рабочих плеч интер5О

1538057 стоек 10 и 11 герметизированы и могут быть вакуумированы.

Отражатели 6 и 7 звука могут быть выполнены также в виде оптически про5 зрачных плоскопараллельных пластин (дисков) одинаковой толщины,, например, из стекла или лейкосапфира, у которых оптически зеркальные покрытия нане,сены (например, методом вакуумного напыления) на поверхности, отражаиицие звук, а поверхности 8 и 9, которыми они установлены на стойки 10 и 11,,оставлены оптически прозрачными.

Отражатели 6 и 7 звука, стойки 10 и 11 и основание 12 жестко зафик сированы на заданном расстоянии от рабочей поверхности элехтроакустического преобразователя 1, например, по( средством несущей рамы, выполненной иэ нержавеющей стали или титанового сплава (не показана) . Эти элементы,,объединенные на чертеже штриховой ,линией, образуют узел, погружаемый в исследуемую среду. 25

Устройство дополнительно содержит оптический измеритель перемещений, в качестве которого может быть использован оптический интерферометр, например, типа Майкельсона с фотоэлектрическим измерителем сдвига интерференционных полос, состоящий из источника 13 света, например гелий-неонового лазера, светорасщепителя 14, светоделителя 15, модулятора 16 света, фотоэлектрических приемников 17 и 18, например фотодиодов или ФЭУ, избирательных. усилителей 19 н 20, настроенных на частоту модуляции, электронного фазометра 21 с цифровым выходом, выход фазометра 21 соединен с вторым входом блока 4 вычислений. Позициями

22 и 23 обозначены рабочие плечи оптического интерферометра, 24 и 25 — отраженные акустические импульсы, 26 — 4 исследуемая среда (газ, жидкость). . Интерферометр расположен так, что основание 12„полости стоек 10 и 11 и отражатели 6 и 7 звука образуют его рабочие плечи.

Генератор зондирующих импульсов излучения и приема возбуждает преобразователь 1, от излучающей поверхности которого в исследуемой среде распространяются в сторону отражателей 6 и 7 акустические импульсы. Отразившись от отражателей 6 и 7, акустические импульсы 24 и 25 приходят поочередно к преобразователю 1 с вре1538057 6 тации и при изменениях температуры среды.

Формула изобретения

20 ферометра на частоте модуляции . и 6, 7). Цифровой код с выхода фаэометра 21 поступает на второй вход вычислителя 4.

Вычислитель 4 осуществляет операцию расчета скорости звука С по формуле

2)I.î (д щ Н

10 где I, — номинальное геометрическое о расстояние между плоскостями отражателей 6 и 7 звука (измерительная база); интервал времени между зву-

15 ковыми импульсами, отраженными соответственно от от-. ражателей 6 и 7; — длина световой волны источника 13; д р — полная разность фаз между световыми пучками 22 и 23 в момент измерения С при данных температуре.Т и давлении Р; 25 д р — начальная разность фаз между о световыми пучками при номинальных условиях Т = Т

Р = Р„. Параметры Ь„, Л д gр определяют и вводят в блок 4 вычислений до измерений в среде.

Результаты расчета отображаются на цифровом табло блока 4 вычислений и регистрируются в блоке 5 регистрации, например, на цифропечатающем устройстве.

Точность измерений может быть повьппена также за счет исключения влияния температурного изменения показателя преломления воздуха, эаполняюще40 го полости стоек, путем вакуумирования внутренних полостей стоек 10 и 11 °

При этом повьппается стабильность и надежность работы оптического интерферометра за счет исключения запотевания и окисления зеркальных поверхностей 8 и 9 в процессе зксплуа/

1. Устройство для измерения скорости звука в жидкостях и газах, содержащее блок излучения и приема акустических колебаний, связанный с ним электроакустический преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с вторым выходом блока излучения и приема акустических колебаний, блок регистрации и первый и второй отражатели акустических колебаний, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повы Ъ шения точности путем определения величины акустической базы в процессе измерений, оно снабжено блоком вычислений, оптическим измерителем перемещений и образующими рабочие плечи оптического измерителя перемещений оптически прозрачным плоскопараллельным основанием, двумя полыми герметиэированными стойками, первый и второй отражатели акустических колебаю и выполнены в виде плоскопараллельных пластин равной толщины одинакового материала с оптически зеркальной поверхностью и закреплены на торцовых плоскостях первой и второй герметизированных стоек соответственно, первый и второй входы блока вычислений соединены соответственно с выходами аналого-цифрового преобразователя и оптического измерителя перемещений, а выход блока вычислений подключен к блоку регистрации.

2. Устройство по п. 1, о т л ч ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений за счет исключения влияния температурных флуктуаций показателя преломления воздуха, полости первой и второй герметиэированных стоек вакуумированы.

153В057

Составитель Д. 6Ь рочин

Техред Л.Серикова Корректор Э. Лончакова

Редактор В. Бугренкова

Заказ 1б4 Тираж 411 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по иэобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Проиэводственно-иэдательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101