Электронно-акустическое устройство измерения геометрических параметров открытых волноводов

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерений длины и диаметра труб с открытыми концами в различных отраслях промышленности, в том числе в нефтегазовой промышленности и машиностроении. Также устройство может применяться для контроля параметров волноводов в системах акустической уровнеметрии, в том числе в ракетной технике.
Известны устройства акустической дальнометрии, основанные на подаче зондирующего сигнала с внешней стороны трубы на объект, перемещаемый внутри трубы, прием зондирующего сигнала и подачу ответного сигнала устройством генерирования активного ответа, расположенным на внутритрубном объекте. [Солдатов А.И. Способ акустической дальнометрии, патент RU №2392641 G01S 15/08, 2007]. Известны также дальномеры, принцип которых основан на отражении акустического сигнала от контролируемой жидкости [патенты SU №1530927, G01F 23/28, 1989, SU №1813203, G01F 23/28, 1993, RU №2052768, G01B 17/00, 1996, RU №7492, G01B 17/00, 1998]. В данных устройствах акустический зондирующий сигнал распространяется внутри трубы как по волноводу.
Прототипом заявляемой полезной модели является электронно-акустическое измерительное устройство [полезная модель RU №24550, G01B 17/00, G01F 23/28, 2002], содержащее блок управления, излучатель, вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, два приемника акустического сигнала, разнесенных на фиксированное расстояние, выходы которых подсоединены к электронному блоку обработки. Недостатки известных устройств и прототипа заключаются в том, что предложенные методы не позволяют измерить диаметр контролируемого волновода.
Поставлена задача расширения функциональных возможностей - обеспечить одновременно измерение длины и диаметра волновода.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в электронно-акустическое устройство измерения геометрических параметров открытых волноводов, содержащее блок управления, излучатель, вход которого подсоединен к выходу генератора импульсов, два приемника акустического сигнала, разнесенных на фиксированное расстояние, выходы которых подсоединены к блоку обработки, блок вычисления скорости звука, входы которого подключены к выходам приемников акустического сигнала, а выход подключен к блоку обработки, дополнительно введен блок вычисления диаметра, входы которого подключены к приемникам акустического сигнала, а выход подключен к блоку обработки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображена структурная схема предлагаемого устройства. Схема содержит генератор 1, соединенный с акустическим излучателем 2, подведенным к торцу измеряемого волновода 3, к которому подведен также приемник отраженного сигнала 4 и отнесенный от него на фиксированное расстояние «d» дополнительный приемник акустического сигнала 5. Выходы приемников акустического сигнала 4 и 5 подключены к блоку вычисления диаметра 6, к блоку вычисления скорости звука в среде 7 и к электронному блоку обработки 8, выход которого подключен к индикатору 9 и блоку управления 10. Блоки 1, 2, 4 - 10 конструктивно размещены в одном корпусе и образуют измерительный модуль 11, подносимый к торцу контролируемого волновода. Измерительный модуль является переносным и предназначен для оперативного контроля геометрических параметров.
Устройство работает следующим образом. Акустический импульс, создаваемый по команде блока управления 10 генератором 1 и излучателем 2, распространяясь, отражается от конца пустой полости волновода. Посланный и отраженный сигналы принимаются приемниками 4, 5. Принятые сигналы обрабатываются блоками 6, 7, 8. В каждом цикле измерения блок 7 сначала вычисляет истинную скорость распространения звука в данном волноводе путем измерения времени прохождения акустическими импульсами фиксированного расстояния d, затем блок 6 определяет диаметр волновода по формуле
,
где с - скорость распространения звука;
1
2
Δt - разница между временем распространения волны на двух частотах ƒ и ƒ;
а
а
- коэффициент линейной аппроксимации, наилучшая точность измерений обеспечивается при =0.102.
В дальнейшем блок 8 производит вычисление длины волновода по формуле:
,
1
где t - время распространения волны на частоте ƒ.
1
2
1
2
2
1
Данные формулы основаны на том факте, что фаза сигнала, отраженного от открытого конца волновода зависит от диаметра и частоты излучаемого импульса. При этом полученные сложные математические выражения упрощены с помощью более простых замещающих функций, что дает возможность создать простой алгоритм вычисления искомых параметров в микроконтроллере. Устройство производит измерение на двух частотах ƒ и ƒ, для диапазона длин 1-15 м и диаметров 0-160 мм могут использоваться частоты ƒ=1000 Гц и ƒ=2000 Гц. Увеличение разницы частот ƒ-ƒ увеличивает точность измерений, однако, для получения достоверного результата должно выполняться условие
, в противном случае происходит потеря точности применяемой интерполяции и возникает фазовая неоднозначность.
Технический результат - одновременное измерение устройством длины и диаметра волновода в автоматическом режиме.