ИЗМЕРИТЕЛЬ СКОРОСТИ ЗВУКА В ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к метрологии и измерительной технике и может быть использована в гидроакустике для измерения скорости звука в жидкости.
Известен измеритель скорости звука в жидкой среде, включающий общее основание, на котором закреплены акустический приемопередающий преобразователь и два отражателя, выполненные в виде пластин, жестко закрепленных на основании перпендикулярно ему и симметрично относительно линии на плоскости основания, параллельной оси диаграммы направленности. Устройство содержит также электронную систему обработки полученных данных. Для учета линейного расширения акустической базы вследствие колебания температуры, устройство снабжено датчиком температуры исследуемой среды и дополнительно микроконтроллером для вычисления скорости звука при изменении температуры среды (п. РФ №2244270, опубл. 2005.01.10).
Известно устройство измерения скорости звука в жидких средах, в котором для учета влияния изменения температуры базу измерения задают с помощью специальной меры длины, выполненной в виде стержня с двумя полированными звукоотражающими поверхностями. Стержень закрепляют вертикально на основании рабочего объема, снабженного крышкой в виде плоскопараллельной пластины, выполненной с возможностью юстировки относительно звукоотражающего основания рабочего объема. Напротив звукоотражающего торца стержня и звукоотражающего основания устанавливают приемно-передающие пьезопреобразователи, подключенные к генератору электрических импульсов и измерителю временных интервалов. Пьезопреобразователи закрепляют на наружной поверхности плоскопараллельной пластины (з. РФ №92000526).
Однако оба устройства снабжены достаточно сложной электронной системой обработки информации.
Наиболее близким к заявляемому устройству является импульсный цифровой измеритель скорости звука, содержащий обратимый акустический преобразователь и отражатель, отстоящий от преобразователя на фиксированном расстоянии, а также системы регистрации сигналов и обработки полученных данных. Преобразователь подключен к импульсному генератору и системе регистрации и обработки (п. РФ №2208223, опубл. 2003.07.10).
Известно, что точность измерения скорости звука определяется базовым расстоянием (измерительная база) между отражателем и преобразователем, которое во всех известных устройствах такого типа изменяется пропорционально коэффициенту линейного расширения основания, на котором установлены преобразователь (пьезоэлемент) и отражатель. В прототипе уменьшение влияния колебаний температуры на результаты измерений скорости звука достигается за счет введения соответствующей системы обработки данных.
Задача заявляемой полезной модели состоит в разработке устройства для измерения скорости звука в жидкости, в котором уменьшение влияния колебаний температуры на величину скорости звука достигается за счет конструкции устройства, обеспечивающей неизменность заданного базового расстояния в устройстве при изменении температуры жидкости.
Поставленная задача решается измерителем скорости звука в жидких средах, содержащим установленные на общем основании обратимый акустический преобразователь и отражатель, отстоящий от преобразователя на базовом расстоянии, а также соединенную с преобразователем систему регистрации и обработки данных, при этом линейные размеры основания, отражателя и акустического преобразователя вдоль направления излучения при заданном базовом расстоянии определяются следующим соотношением
где
1
L - длина основания, P - длина отражателя,
2
P - длина акустического преобразователя,
t - разница температур,
А - базовое расстояние,
1
2
3
1
2
1
3
α, α И α - коэффициенты линейного расширения материалов основания, отражателя и акустического преобразователя, соответственно, а в качестве материалов основания, отражателя и акустического преобразователя используют материалы, коэффициенты линейного расширения которых удовлетворяют условию α<α и α<α.
1
2
Схема заявляемой конструкции измерителя приведена на фиг.1, где 1 - основание, 2 - отражатель, 3 - акустический преобразователь, L - длина основания, P - длина отражателя, Р - длина акустического преобразователя, А - базовое расстояние (измерительная база). Система регистрации и обработки данных, соединенная с
преобразователем, на фиг. не показана. Для данного технического решения возможно использование любой применяемой для этой цели системы.
Учет изменения длины измерительной базы при изменении температуры среды при проводимых измерениях в предлагаемом устройстве решается на основании требования равенства приращения длины основания приращению длины отражателя плюс длина преобразователя, что достигается за счет учета коэффициентов линейного расширения используемых материалов и линейных размеров основания, отражателя и преобразователя.
Таким образом, величина базового расстояния А останется постоянной при сохранении равенства приращения длины основания 1 приращению длин отражателя 2 плюс приращение длины акустического преобразователя 3, то есть
1
2
Принимая во внимание, что P+A+P=L, получаем
1
из которого вычисляем длину отражателя P
и длину основания L
2
3
2
Отметим, что линейные размеры (P) акустического преобразователя и базовое расстояние (А) при конструировании измерителя являются известными величинами, поскольку для этой цели используют пьезокерамические преобразователи определенной марки с известными α и P, а базовое расстояние задается исходя из поставленной задачи измерений.
3
2
1
2
1
2
1
3
1
-6
-6
-6
На основании следующих исходных условий: измеряемая база (базовое расстояние) А=20 мм; акустический преобразователь - пьезокерамика ЦТС-19 с коэффициентом линейного расширения α=6·10 1/°С и длиной Р=0,35 мм, был сконструирован измеритель скорости звука в морской воде. Исходя из заданных условий в качестве материала основания был выбран вольфрам с коэффициентом линейного расширения α=4,3·10 1/°C, а в качестве материала отражателя - никель с коэффициентом линейного расширения α=14·10 1/°C (α<α и α<α) и при разнице температур морской воды выбранной равной 24°С из уравнения (3) вычислили длину отражателя P
а из (4) длину основания L
2
1
Таким образом, для неизменности измерительной базы при изменении температуры измеряемой жидкости в 24°С, при базовой длине А=20 мм и длине акустического преобразователя Р=0,35 мм длина основания L измерителя составила 29,155 мм, длина P отражателя 8,805 мм.