Метод измерения скорости звука в жидкости
METHOD FOR MEASURING THE SPEED OF SOUND IN A LIQUID

Изобретение относится к гидроакустике, а конкретно к устройствам для измерения скорости звука в текущих жидкостях и в воде, и может быть размещено как на стационарных, так и на подвижных объектах, движущихся с большими скоростями.
Скорость звука в жидких средах - одна из основных акустических характеристик среды, может быть определена непосредственно с помощью специальных приборов.
Известен измеритель скорости звука (ИСЗ), основанный на кольцевом методе измерения частоты следования импульсов, содержащий акустический приемопередающий преобразователь и отражатель, предварительный усилитель, усилитель мощности.
Известный ИСЗ погружается в исследуемую жидкую среду. При подаче напряжения электропитания на ИСЗ схема запуска излучения формирует электрический зондирующий сигнал, поступающий на акустический приемопередающий преобразователь, который формирует акустический зондирующий сигнал. Этот зондирующий сигнал, проходя через жидкую среду, достигает отражателя, отражается от него, достигает акустического приемопередающего преобразователя и преобразуется в электрический сигнал, который усиливается электронной схемой и снова подается на схему запуска излучения, и т.д. Таким образом, в ИСЗ устанавливается так называемый режим автоциркуляции. При этом электрический сигнал проходит путь: предварительный усилитель, электронный ключ, усилитель мощности, акустический приемопередающий преобразователь, далее акустический сигнал проходит в жидкой среде расстояние от акустического приемопередающего преобразователя до отражателя и обратно, преобразуется в электрический сигнал акустическим приемопередающим преобразователем и снова поступает на вход предварительного усилителя и т.д. Мультивибратор перезапускается сигналом от усилителя мощности и служит для поддержания автоколебательного режима при нахождении ИСЗ вне измеряемой жидкой среды (например, на воздухе), либо в случае прерывания акустического сигнала по каким-либо причинам (например, попадания посторонних предметов в жидкую среду между акустическим приемопередающим преобразователем и отражателем). Частота автогенерации (F) зависит от расстояния между акустическим приемопередающим преобразователем и отражателем, от скорости звука в жидкой среде и от задержек в электронной схеме устройства и рассчитана по известной в науке и технике формуле
где F - частота автогенерации, Гц;
V - скорость звука в жидкой среде, м/с;
L - расстояние между акустическим приемопередающим преобразователем и отражателем, м;
з
t - временная задержка импульсов в электрических цепях измерителя скорости звука, с.
Выходной триггер делит частоту автоциркуляции на 2 и подает ее на регистратор. Регистратор по частоте автоциркуляции (F) вычисляет значение скорости звука в жидкой среде (V) (Серавин Г.Н. Измерения скорости звука в океане. - М.: Гидрометеоиздат, 1979. - С. 84. - рис. 29 г. ).
Недостатком этого устройства является наличие временной задержки импульсов в электрических цепях измерителя скорости звука, которая образуется при прохождении сигнала через предварительный усилитель, электронный ключ, усилитель мощности и которая приводит к нелинейной зависимости частоты следования импульсов от скорости звука, что, в конечном счете, вносит погрешность в значение скорости звука, полученную с помощью известного измерителя скорости звука.
Наиболее близким к предлагаемому устройству и выбранным в качестве прототипа является измеритель скорости звука в жидкой среде, содержащий акустический приемопередающий преобразователь, отражатель, жестко закрепленный на общем основании с акустическим приемопередающим преобразователем и параллельно ему, перпендикулярно плоскости основания. ИС3-прототип также содержит усилитель мощности, предварительный усилитель, генератор, генератор строба, компаратор, микроконтроллер, датчик температуры и дисплей. RU 58214 U1, (МПК G01H 5/00 (2006. 011 приоритет 26.05.2006, «ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКИХ СРЕДАХ», Коваль С.Л., Черевко Е.А., Ламека А.П.). Функционально можно определить, что данная модель ИСЗ имеет единый акустический приемопередающий преобразователь и единую схему формирования и обработки акустического сигнала.
Недостатками этого устройства являются:
1) сложность конструкции, предполагающая наличие отражателя со своими требованиями к толщине и весу конструкции;
2) необходимость срабатывания второго компаратора настроенного на срабатывание по n-отражению и обеспечивающего возможность измерения длительности времени между принятыми акустическим приемопередающим преобразователем первым и n-м отражениями акустических сигналов и преобразованных в электрические сигналы, например, между первым и девятым отражениями, что в свою очередь, снижает точность измерения скорости звука в жидкой среде;
3) необходимость срабатывания формирователя строба, шунтирующего ключа для обеспечения компенсации влияния общей точки;
4) низкая точность измерения скорости звука в жидкой среде из-за того, что имеется большая временная погрешность вследствие, наложений n-отражений от отражателя акустического сигнала преобразованных далее в электрические сигналы, что и искажает истинное значение скорости звука в жидкой среде;
5) ограничения по времени измерения скорости звука, определяемые необходимостью дождаться прихода n-отраженной от отражателя акустического сигнала, прежде чем отправить новый акустический импульс;
Перечисленные недостатки, присущие аналогу и прототипу, устранены в заявляемом техническом решении «Метод измерения скорости звука».
Цель изобретения - упрощение конструкции устройства, повышение быстродействия и точности измерения скорости звука в жидкой среде.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в использовании раздельной схемы формирования сигнала имеющей функцию создания импульсного сигнала с информацией о времени подачи сигнала, который должен направляться на передатчик акустического сигнала, при этом, схема обработки импульсного акустического сигнала полученного от приемника акустического сигнала, имеет функцию определения времени приема импульсного сигнала и функцию получения расчета замеренной скорости звука по разности информации о времени подачи сигнала и полученному времени приема импульсного акустического сигнала с учетом запаздывания в линиях задержки. Таким образом:
а) схема обработки импульсного акустического сигнала развязывается от акустических наводок и наводок в электрической схеме в виде сложного электрического сигнала (помеха), содержащего гармоники от принятых акустическим приемопередающим преобразователем акустических сигналов и преобразованных в электрические сигналы возникающих при совмещении схемы формирования сигнала и схемы обработки сигнала;
б) в получаемом импульсном акустическом сигнале нет n-отражений от отражателя;
в) кроме того, нет необходимости ждать окончания прихода ни отраженного импульсного акустического сигнала, ни n-отраженного импульсного акустического сигнала.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач:
Признаки, указывающие, что схема формирования сигнала выполнена в виде схемы формирования сигнала имеющей функцию создания сигнала с информацией о времени подачи сигнала, который должен направляться на передатчик акустического сигнала, при этом, схема обработки акустического сигнала полученного от приемника акустического сигнала, имеет функцию определения времени приема импульсного сигнала и функцию получения расчета замеренной скорости звука по разности информации о времени подачи сигнала и полученному времени приема цифрового сигнала с учетом запаздывания в линиях задержки. Таким образом, акустический сигнал выполняет двойную функцию как инициирующий элемент для считывания времени приема сигнала и как передаточный элемент информации о времени отправки сигнала, с упрощением как конструкции, так и уменьшением помех в среде измерения и с учетом наличия элемента синхронизации по отсчету времени как в схеме формирования сигнала, так и в схеме обработки акустического сигнала.
Признаки, указывающие, что схема формирования сигнала выполнена в виде схемы формирования сигнала имеющей функцию создания импульсного сигнала с частотой наполнения соответствующей информации о времени подачи сигнала. Таким образом, конкретизируется исполнение схемы формирования сигнала имеющего двойную функцию как инициирующий элемент для считывания времени приема сигнала и как передаточный элемент информации о времени отправки сигнала, с упрощением как конструкции, так и уменьшением помех в среде измерения.
Признаки, указывающие, что схема формирования сигнала выполнена в виде схемы формирования сигнала имеющей функцию создания импульсного сигнала с информацией о времени подачи основного сигнала, а затем схемой формирования сигнала создается основной сигнал, предназначенный для определения времени приема. Таким образом, конкретизируется исполнение схемы формирования сигнала имеющего двойную функцию как инициирующего элемента для считывания времени приема сигнала с упрощением как конструкции, так и как передаточного элемента информации о времени отправки сигнала, с упрощением как конструкции, так и уменьшением помех в среде измерения.
На Рис. 1 изображен ИСЗ, имеющий схему формирования сигнала 1, передатчик акустического сигнала 2, излучающий импульсный акустический сигнал 3 с определенной кодировкой, через измеряемую жидкую среду 4 и который попадает на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6 при наличии элемента синхронизации по отсчету времени 7.
На Рис. 2 изображен ИСЗ, имеющий схему формирования сигнала 1, передатчик акустического сигнала 2, излучающий импульсный акустический сигнал 9 с частотой наполнения соответствующей информации о времени подачи сигнала, через измеряемую жидкую среду 4 и который попадает на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6 при наличии элемента синхронизации по отсчету времени 7.
На Рис. 3 изображен ИСЗ, имеющий схему формирования сигнала 1, передатчик акустического сигнала 2, излучающий импульсный акустический сигнал 10 с информацией о времени подачи основного сигнала, а затем схемой формирования сигнала создается основной сигнал предназначенный для определения времени приема 11, через измеряемую жидкую среду 4 и который попадает на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6.
Метод измерения скорости звука работает следующим образом: Базисный принцип построения измерителя скорости звука определен согласно Рис. 1, когда схема формирования сигнала 1, через передатчик акустического сигнала 2, формирует и излучает импульсный акустический сигнал 3 с двумя функциями: а) с целью доставить импульсный акустический сигнал, через измеряемую жидкую среду 4 на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6, чтобы получить информацию о времени приема акустического сигнала; б) с целью доставить импульсный акустический сигнал с кодированной информацией о времени отправки акустического импульсного сигнала от передатчика акустического сигнала 2, через измеряемую жидкую среду 4 на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6, чтобы получить информацию о времени отправки импульсного акустического сигнала. На схеме обработки акустического сигнала 6 происходит вычитание из времени приема акустического сигнала время излучения акустического сигнала, с последующим расчетом скорости звука. Элемент синхронизации по отсчету времени 7 обеспечивает совместимость времени отправки акустического импульсного сигнала с временем приема акустического сигнала.
Вариантом данного принципа построения метода по Рис. 2 является то, когда метод измерения скорости звука работает следующим образом: схема формирования сигнала 1, через передатчик акустического сигнала 2, формирует и излучает импульсный акустический сигнал 9 с двумя функциями: а) с целью доставить импульсный акустический сигнал, через измеряемую жидкую среду 4 на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6, чтобы получить информацию о времени приема акустического сигнала; б) с целью доставить импульсный акустический сигнал 9 с частотой наполнения соответствующей информации о времени акустического импульсного сигнала от передатчика акустического сигнала 2, через измеряемую жидкую среду 4 на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6, чтобы получить информацию о времени отправки импульсного акустического сигнала. На схеме обработки акустического сигнала 6 происходит вычитание из времени приема акустического сигнала время излучения акустического сигнала, с последующим расчетом скорости звука. Элемент синхронизации по отсчету времени 7 обеспечивает совместимость времени отправки акустического импульсного сигнала с временем приема акустического сигнала.
Вариантом данного принципа построения метода по Рис. 3 является то, когда метод измерения скорости звука работает следующим образом: схема формирования сигнала 1, через передатчик акустического сигнала 2, формирует и излучает импульсный акустический сигнал 10 с двумя функциями: а) с целью доставить импульсный акустический сигнал, через измеряемую жидкую среду 4 на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6, чтобы получить информацию о времени приема акустического сигнала; б) с целью доставить импульсный акустический сигнал 10 с информацией о времени подачи основного сигнала, а затем схемой формирования сигнала создается основной сигнал 11 предназначенный для определения времени акустического импульсного сигнала от передатчика акустического сигнала 2, через измеряемую жидкую среду 4 на приемник акустического сигнала 5 и далее на схему обработки акустического сигнала 6, чтобы получить информацию о времени отправки импульсного акустического сигнала. Обоснование необходимости, почему разделяются импульсный акустический сигнал 10 с информацией о времени подачи основного сигнала и основной сигнал 11 определяется тем, когда, с одной стороны информация о времени подачи основного сигнала 10 слишком длинна (на пример в двоичном коде) чтобы не повлиять на все время измерений скорости звука, с другой стороны, по условиям снижения акустических помех при приеме требуется акустический сигнал соответствующей длины и частоты наполнения. На схеме обработки акустического сигнала 6 происходит вычитание из времени приема акустического сигнала время времени излучения акустического сигнала, с последующим расчетом скорости звука. Элемент синхронизации по отсчету времени 7 обеспечивает совместимость времени отправки акустического импульсного сигнала с временем приема акустического сигнала.