Пристрій для вимірювання швидкості звуку

Изобретение относится к технике ультразвукового контроля и может быть использовано для измерения скорости звука в жидких средах. Известен измеритель скорости звука, содержащий последовательно соединенные электроакустический преобразователь и фазометр [Серавин Г. Н. Измерение скорости звука в океане. - Л., Гидрометеоиздат, 1979. - с. 52-54] Однако известный измеритель скорости звука не позволяет исключить неоднозначность показаний вследствие того, что фазометр не различает фазовых сдвигов, отличающи хся на целое число периодов, что приводит к погрешностям измерений и отрицательно сказывается на точности измерений скорости звука. Наиболее близким к заявляемому устройству По те хнической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения скорости звука, содержащее последовательно соединенные мультивибратор, пьезоэлектрический преобразователь и находящийся на фиксированном расстоянии от него отражатель [Авт cв. № 1386853, кл. G01 Η 5/00, 1988]. Однако устройство - прототип обладает низкой помехоустойчивостью, что можно пояснить следующим образом В устройстве-прототипе мультивибратор выполнен на двух транзисторах. При этом коллектор второго транзистора, являющийся вторым выходом мультивибратора соединен с базой первого транзистора, являющейся вторым входом мультивибратора Такое соединение элементов образует положительную обратную связь. Тогда, в момент формирования импульса ударного возбуждения, когда возникают электрические помехи, за счет положительной обратной связи в мультивибраторе получаются автоколебания с частотами кратными основной. Это отрицательно сказывается на точности измерения скорости звука и ограничивает применение устройства-прототипа. В основу настоящего изобретения поставлена задача усовершенствования функциональной схемы устройства для измерения скорости звука путем блокировки автоколебаний в мультивибраторе с частотами кратными основной, что обеспечивает компенсацию на выходе мультивибратора погрешности измерений основной частоты, повышая при этом помехоустойчивость устройства и точность измерений скорости звука. Эта задача решается устройством для измерения скорости звука, содержащим последовательно соединенные мультивибратор, пьезоэлектрический преобразователь и отражатель, в котором согласно изобретению, оно снабжено функционально-корреляционным преобразователем при этом вход функционально-корреляционного преобразователя соединен со вторым входом мультивибратора, а выход со вторым входом мультивибратора и функционально-корреляционный преобразователь выполнен из последовательно соединенных амплитудного дискриминатора, вход которого является входом функционально-корреляционного преобразователя, коммутатора и детектора нуля, второй вход которого соединен со вторым выходом амплитудного дискриминатора, а к выходу детектора нуля, который является выходом функционально-корреляционного преобразователя, входами подключены, соответственно, микроЭВМ и одновибратор, выход которого соединен со вторым входом коммутатора. Совокупность всех существенных признаков предлагаемой конструкции устройства для измерения скорости звука, включая отличительные в схемах устройства и функционально-корреляционного преобразователя, позволяют получить импульс ударного возбуждения, который формируется на основе привязки сигнала на втором выходе мультивибратора к нулевому уровню, и независящим от уровня электрических помех, а также позволяют получить код, компенсирующий погрешность измерений при обеспечении требуемой помехоустойчивости, что достигается путем статистической обработки сигналов реализуя при этом алгоритм функционально-корреляционного преобразования информации, обеспечивая таким образом повышение точности измерений скорости звука. Алгоритм функционально-корреляционного преобразования реализуется следующим образом. Полезный сигнал на втором выходе мультивибратора x(t) представляет собой импульс с корреляционной функцией а помеха n(t) - случайный процесс с корреляционной функцией где То - период собственных колебаний пьезоэлектрического преобразователя; Τ >> Т о - период следования импульсов на выходе мультивибратора; V - амплитуда импульса; t - временный сдвиг; t - текущее время. Учитывая, что сигнал и помеха статистически независимы, следовательно, корреляционную функцию Ru(t) суммарного сигнала можно определить по формуле где Rx(t) - корреляционная функция полезного сигнала; Rn(t) - корреляционная функция помехи. Выразим Rx(t) и Rn(t) в(4)через нормированные rх(t) и rп(t) корреляционные функции тогда получим Подставляя (7) и (8) в (4), найдем В - отношение помеха-сигнал, тогда, учитывая, что в (2) Rx(t) является периодической функцией, аргумента в Rn(t) a (3) с ростом временного сдвига стремиться к нулю, следовательно, выбирая время при котором значением rп(t) в (9) можно пренебречь, обеспечивая тем самым получение функции Ru(t), отображающей полезный сигнал. Пороговые значения в (10) должны удовлетворять неравенства Время корреляции tк определяется по формуле С учетом (6) из(13), получим а (10) можно представить в виде: где То - период собственных колебаний пьезоэлектрического преобразователя. Согласно (15) существует время: когда корреляция отсчетами n(t) и n(t+t 0) буде т практически равна нулю. Таким образом, осуществив привязку импульса ударного возбуждения по первому пересечению нуля (16) сигналом со второго выхода мультивибратора обеспечивается повышение помехоустойчивости. Воспользовавшись методом функциональной корреляции сигнал z(t) на втором входе мультивибратора представим в виде логического умножения знаковых функций от исследуемых сигналов где - знаковая функция; - полезный сигнал, определяемый по формуле (1); n(t) - помеха, с корреляционной функцией (3); & - логическое умножение; t - текущее время, t - время, определяемое неравенством (15). Уравнение (17) описывает алгоритм функционирования и структур у функционально-корреляционного преобразователя, который обеспечивает статическую обработку и преобразование сигнала на втором входе мультивибратора с получением выигрыша в помехоустойчивости . При этом период следования импульсов на выходе мультивибратора будет определяться как где I - расстояние между пьезоэлектрическим преобразователем и отражателем; c - скорость звука в исследуемой среде; t∂ -дополнительная задержка сигнала в функционально-корреляционном преобразователе. Очевидно, что наличие дополнительной задержки в (19) будет приводить к погрешности измерений, которую можно скомпенсировать, если в микро-ЭВМ период из (19) преобразовать в код где f0 - частота син хронизации микро-ЭВМ, а затем измерить скорость звука по алгоритму где А и N∂ - константы в памяти микро-ЭВМ, определяемые как I - расстояние между пьезоэлектрическим преобразователем и отражателем; f0 - частота синхронизации микро-ЭВМ: t∂ - известное значение дополнительной задержки сигнала в функционально-корреляционном преобразователе; - код, пропорциональный периоду Τ на вы ходе мультивибратора. Таким образом, применение функционально-корреляционного преобразователя позволяет обеспечить требуемые помехоустойчивость и точность измерений скорости звука, что свидетельствуе т о эффективности предлагаемых схемотехнических решений. На фиг 1 представлена функциональная· схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 -вариант выполнения функционально-корреляционного преобразователя, в сочетании со всеми элементами устройства в целом. Устройство для измерения скорости звука (фиг. 1) содержит последовательно соединенные мультивибратор 1, пьезоэлектрический преобразователь 2, находящийся на фиксированном расстоянии от него отражатель 3 и последовательно подключенный ко второму выходу мультивибратора 1 функциональнокорреляционный преобразователь 4, выходом соединенный со вторым входом мультивибратора 1. Функционально-корреляционный преобразователь 4 (фиг. 2) состоит из амплитудного дискриминатора 5, коммутатора 6, детектора 5, вход которого является входом функционально-корреляционного преобразователя 4 последовательно соединен с коммутатором 6 и детектором нуля 7, второй' вход которого соединен со вторым выходом амплитудного дискриминатора 5, а выход детектора нуля 7, являющийся выходом функционально-корреляционного преобразователя 4, соединен со вторым входом мультивибратора 1, с входом микро-ЭВМ 9 и с входом одновибратора 8, выход которого соединен со вторым входом коммутатора 6. Устройство работает следующим образом. При включении питания на первом выходе мультивибратора 1 появляется импульсный сигнал Uи(t), .который поступает на , пьезоэлектрический преобразователь 2. С помощью пьезоэлектрического преобразователя 2 электрический импульс Uи(t) преобразуется в ультразвуковой сигнал, который распространяется в исследуемую среду и после отражения от отражателя 3 поступает на пьезоэлектрический преобразователь 2, где происходит обратное преобразование акустического сигнала в электрический импульс основного отражения Uo(t). Электрический импульс основного отражения Uo(t) на первый вход м ультивибратора 1, где он усиливается и на его втором выходе получается сигнал U(t). Этот сигнал преобразуется в амплитудном дискриминаторе 5 в биполярный импульс U2(t) и стробимпульс U1(t), длительностью, несколько больше полу периода собственных колебаний пьезоэлектрического преобразователя 2, формируемого в момент времени, когда функция корреляции помехи минимальна. При этом на выходе коммутатора 6 напряжение U 3(t) становится высокого уровня, в результате чего детектор нуля 7 открывается. Когда биполярный сигнал іі2(ї) со второго выхода амплитудного дискриминатора 5 первый раз пересекает кулевой уровень, на выходе детектора нуля 7 формируется импульс z(t) положительной полярности. Этим импульсом по второму входу запускается мультивибратор 1. В результате возбуждается пьезоэлектрический преобразователь 2 импульсом U M(t). Одновременно с этим по заднему фронту импульса z(t) с вы хода детектора нуля 7 запускается одновибратор 8 и на его выходе формируется импульс U4(t). напряжением низкого уровня с длительностью, несколько меньше минимального периода следования импульсов на втором выходе мультивибратора 1. В результате коммутатор 6 закрывает детектор нуля 7. Таким образом, за счет блокирования детектора нуля 7 сигналом с выхода одновибратора 8 мультивибратор 1 становится невосприимчивым на воздействие помех в момент возбуждения пьезоэлектрического преобразователя 2 мощными импульсами UИ(t) и тем самым исключается возможность возникновения автоколебаний с частотами кратными основной. В момент прихода очередного отраженного импульса Uo(t) на выходе одновибратора 8 напряжение U^t) высокого уровня, а следовательно, детектор нуля 7 подготовлен к формированию импульса для запуска мультивибратора 1. На выходе детектора нуля 7 в установившемся режиме формируется последовательность импульсов z(t), частота следования которых зависит от времени прохождения ультразвуком удвоенного расстояния между пьезоэлектрическим преобразователем 2 и отражателем 3, а также от величины задержки срабатывания функционально-корреляционного преобразователя 4 Импульсы z(t) с вы хода детектора нуля 7 поступают на вход микро-ЭВМ 9, где осуществляется измерение скорости звука по алгоритму (21). Таким образом, осуществляя формирование импульсов другого возбуждения в момент пересечения нуля сигналом со второго выхода мультивибратора 1 обеспечивается помехоустойчивость устройства, а применение микро-ЭВМ 9 в составе функционально-корреляционного преобразователя 4 обеспечивает требуемую точность измерений.