Спосіб вимірювання швидкості поширення ультразвукових коливань у середовищах, що рухаються

Спосіб вимірювання швидкості поширення ультразвукових коливань у середовищах, що рухаються, що включає випромінювання в досліджуване середовище ультразвукових коливань, приймання коливань, порівняння випромінених і прийнятих коливань, який відрізняється тим, що 3 92949 ються, оскільки вимірювана величина містить складову швидкості руху середовища. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу вимірювання швидкості поширення ультразвукових коливань у середовищах, що рухаються, шляхом виключення впливу руху середовища; це дозволяє підвищити точність вимірювання швидкості поширення ультразвукових коливань. Згідно винаходу в досліджуване середовище, що рухається, випромінюють неперервні амплітудно-модульовані ультразвукові коливання, вимірюють набіг фази відбитих від кінця середовища коливань на частоті модуляції і по виміряній різниці фаз прийнятих і випромінених коливань визначають швидкість поширення ультразвукових хвиль. При цьому складові різниці фаз за рахунок швидкості руху середовища при поширенні ультразвукових коливань у прямому і зворотному напрямках мають протилежні знаки і тому компенсуються. Зміна режиму випромінювання з імпульсного на неперервний забезпечує підвищення відношення сигнал/перешкода завдяки суттєвому зменшенню ширини смуги пропускання (у 105...106 разів), що призведе до підвищення точності вимірювань. Сутність пропонованого способу полягає в наступному. Для однозначного виміру часу запізнювання, який пов'язаний з фазою прийнятих коливань й, отже, швидкості поширення хвилі, необхідно забезпечити однозначні виміри фазового зсуву між випромінюваним і прийнятим коливанням у межах фазового інтервалу, рівного 2 . Оскільки =2 fL/VS=2 L/ , де L - відстань між випромінюючим і приймаючим електроакустичними перетворювачами, довжина хвилі звукових коливань, для однозначного виміру фазового зсуву повинне виконуватися співвідношення L< . 3 точки зору прийнятних габаритних розмірів електроакустичних перетворювачів з вузькими діаграмами спрямованості бажано працювати на частотах не менш f0=100кГц, довжина хвилі в цьому випадку в сухому атмосферному повітрі при Vs=332 м/с 4 Таке значення частоти неприйнятне через неможливість виготовлення електроакустичних випромінювачів прийнятного розміру з гострими діаграмами спрямованості, а також наявності в цьому діапазоні промислових акустичних завад високої інтенсивності. У наявності суперечливі вимоги: з одного боку необхідно працювати на високій частоті (наприклад, 100кГц, а з іншого - на низькій 1кГц). У радіолокації [Белоцерковский Г. Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - Μ.: „Сов. радио", 1975. - 336 с.] для вимірювання дальності до об'єктів це протиріччя вирішується застосуванням коливань низької масштабної частоти, що модулюють високочастотний сигнал по амплітуді. При цьому фазові виміри виконуються на масштабній частоті. У контексті технічного рішення, що заявляється, - це використання відомого способу для вирішення нової задачі вимірювання швидкості поширення ультразвукових хвиль, що відповідає критерію новизни. Вимірювана швидкість поширення звуку при використанні фазового способу визначається формулою VS 2 f мL де fм - масштабна частота. Оцінимо точність пропонованого способу значенням сумарної середньо-квадратичної похибки вимірів швидкості. Оскільки в більшості випадків виміряється не та величина, що безпосередньо цікавить дослідника, а яка-небудь інша (або їхня сукупність), що залежить від неї тим або іншим способом, необхідно проводити аналіз похибок непрямих вимірів. Загальне правило обчислення помилок для випадку непрямих вимірів наведено в [Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. - Л.: Наука, 1974. - 108 с.]. Якщо вимірювана величина у є функція багатьох змінних хі y=f(x1,x2,...xi,...xm), то середньоквадратична похибка може бути обчислена за формулою m VS f0 332 10 5 3,32 10 3 м 3,32 мм У цьому випадку необхідно мати відстань між випромінювачем і приймачем приблизно 3мм, що конструктивно нездійсненно в системі, призначеній для виміру швидкості звуку у вентиляційних каналах. З конструктивних міркувань прийнятна відстань суттєво більша, наприклад, L=0,3 м. У цьому випадку необхідна робоча частота f VS 332 0,332 1000 Гц 2 f xi y i 1 xi У способі, що заявляється 2 V fM V 2 L V L fМ 2 2 fM 2 fM 2 2 V L 2 2 L 2 f ML 2 2 2 . При використанні кварцованного генератора відносна нестабільність частоти ( f 10-6, тоді при 5 2 fM fM=103 Гц, 10 6 92949 Гц 2 . Нестабільність довжини де q0 - відношення сигнал /шум по потужності на вході вимірника. Інструментальна похибка при використанні сучасних цифрових фазометрів може бути зменшена до (10-5…10-6)рад завдяки застосуванню АЦП із високою розрядністю й може не враховуватися. Таким чином, наприклад, при L=0,332 м, fM=103 Гц і = L за рахунок можливих вібрацій L=10-5 м. Потенційна середньоквадратична помилка виміру фазового зсуву [Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - Μ.: „Сов. радио", 1975. - 336 с.] 1/ q0 рад nom 2 0,333 V 2 10 6 2 Перший і другий члени під коренем істотно менші третього. Тоді V 2 fм L 2 У розглянутому випадку при 2 103 0,332 = 0,211 103 V Якщо задатися необхідною для проведення досліджень паро-газових сумішей потенційною похибкою виміру швидкості звуку V=0,01 м/с, припустима потенційна методична похибка виміру фази буде V 0,211 10 3 рад 0,01 0,211 10 3 5 10 5 рад Для забезпечення такої середньоквадратичної похибки необхідне відношення сигнал/шум на вході вимірника по потужності 2 q0 1 4 10 8 У діапазоні ультразвукових частот 100 кГц зовнішні акустичні шуми можна вважати нескінченно малими [Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. - Новосибирск: Наука, 1986. - 168 с.] у порівнянні із внутрішніми тепловими шумами електронного вимірника, потужність яких може бути обчислена по відомій формулі [Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - Μ.: „Сов. радио", 1975. - 336 с.] Pш=kTШ fе, Вт - постійна Больцмана, Гц К ТШ - шумова температура вимірника в градусах Кельвіна fе - еквівалентна ширина смуги пропускання вимірника. де k 123 10 , 23 6 103 2 10 10 2 103 0,332 2 2 2 Припустимо, що система працює при кімнатній температурі Τ=300К, при цьому шумова температура ТШ=1200К, а для обробки неперервного сигналу у фазовому детекторі досить мати смугу fе=10Гц. Тоді РШ=1,23·10-23·1200·10=1,5·10-19 Вт. Для забезпечення відношення сигнал/перешкода на вході приймача q0=4·108 потрібно мати сигнал на вході з потужністю не більше Рс q0Pш=6·10-11 Вт, що легко реалізується при відстані від випромінювача до приймача L=0,3ì. Доведемо це, обчисливши необхідну електричну потужність генератора сигналів. Типові середні значення коефіцієнта корисної дії (ККД) електроакустичних перетворювачів =5%, а загасання звуку в повітрі на частоті/визначається по формулі 1 -11 2 4,24·10 f [м-1]; на частоті 100кГц 0,424 . м Тоді необхідна електрична потужність генератора сигналів з врахуванням ККД передавача і приймача РГ=РС: 2: =6 10-11:0,052:0,424 6·10-8 Вт, що легко реалізується. На малюнку показана структурна схема пристрою для здійснення способу, що заявляється. Пристрій містить генератор неперервних коливань масштабної частоти 3, генератор неперервних синусоїдальних коливань 1, амплітудний модулятор 2, підсилювач 4, електроакустичний перетворювач-випромінювач 5, відбивач 6, приймальний акустоелектричний перетворювач 7, підсилювач приймача 8, амплітудний детектор 9, фазовий детектор 10, обчислювальний блок 11. Пристрій працює в такий спосіб. Високочастотний ультразвуковий сигнал, який виробляється генератором 1, промодульований по амплітуді за допомогою модулятора 2 напругою генератора масштабної частоти 3, підсилюється підсилювачем 4 і випромінюється за допомогою випромінювача 5 у досліджуване середовище, пройшовши через яке і відбившись від відбивача 6 надходить на вхід акустоелектричного перетворювача 7, підсилюється в підсилювачі 8 і детектується в амплітудному детекторі 9, з виходу якого продетектований сигнал масштабної частоти надходить на вхід фазового детектора 10, на другий вхід якого подається опорна напруга із другого виходу генератора масштабної частоти. З виходу фазового детектора 7 92949 напруга, величина якої пропорційна різниці фаз між прийнятим і опорним сигналами, надходить на вхід обчислювального блоку, у якому обчислюється значення швидкості поширення ультразвукових коливань. Використання запропонованого винаходу на підприємствах може дати відчутний ефект внаслідок забезпечення оперативного контролю за ходом технологічних процесів екологічно небезпечних виробництв, коли прямі вимірювання неможливі, або потребують застосування великої кількості давачів різних параметрів. В деяких випадках температура і фізико-хімічний склад повітря в вентиляційних каналах може характеризувати норму чи відхилення від норми ходу технологічних процесів, індикатором чого може служити величина вимірюваної швидкості поширення ультразвукових коливань і її відхилення від нормальної для даного типу виробництва. Можливість і ефективність застосування ультразвукових вимірювань базується на наступному. Дослідження фізичних характеристик атмосферного повітря і різних паро-газових сумішей звуковими хвилями базується на ефектах сильної взаємодії цих хвиль з атмосферою. Вона набагато сильніша, ніж для електромагнітних хвиль більшості областей спектру і тому для дослідження може бути використана достатньо проста апаратура. Чутливість взаємодії електромагнітних і звукових хвиль з атмосферою можна оцінити величиною флуктуацій показника заломлення середовища n, тобто відношенням фазової швидкості в середовищі до фазової швидкості при стандартних умовах. Значення величин змінення показника заломлення [Красненко Н.П. Акустическое зондирование атмосферы. - Новосибирск: Наука, 1986. - 168 с.] в N одиницях, де N=(n-1)·106, при зміненні температури і вологості такі: Акустика Радіо N=1700 N=140 N=1 N=4 на 1 К на 1 мб на 1 K на 1 мб Можна виділити п'ять основних типів взаємодії звукових хвиль з атмосферою, на основі яких розробляються методи вимірювань: 1) залежність швидкості звуку від фізичних та метеопараметрів; Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 8 2) розсіювання; 3) поглинання, яке має частотну залежність; 4) рефракція; 5) доплерівський зсув частоти випромінювання. Найбільш інформативним параметром є залежність швидкості звуку від температури і фізикохімічного складу середовища поширення. На цей час накопичений великий експериментальний матеріал по вимірюванню швидкості звуку в газах [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1957. - 728 с.; Ноздрѐв В.Ф., Федорищенко Н.В. Молекулярная акустика. - М.: Высш. школа, 1974. - 288 с.; Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: Изд-во стандартов, 1970. - 240 с.]. У газах і парах помірної щільності швидкість звуку зменшується з ростом молекулярної маси. Найбільш високе значення швидкості звуку при температурі 0°С й нормальному атмосферному тиску спостерігається у водні Vs=1284 м/с й найменше значення Vs=157 м/с в йодистому водні, що перебуває в газоподібному стані. В ідеальному газі фазова швидкість звуку прямо пропорційна квадратному кореню з абсолютної температури й не залежить від тиску. У реальних газах і парах при не дуже високих тисках величина швидкості росте з ростом температури. Температурний градієнт швидкості при 273 К у більшості випадків лежить в інтервалі 0,3 0,8 м/(с·К). Швидкість звуку в атмосферному повітрі визначається температурою й вологістю, причому внесок водяної пари у фазову швидкість звуку становить величину на порядок меншу від внеску температури, й тому визначення вологості вимагає високоточних вимірів швидкості звуку. Із сказаного випливає, що, вимірюючи швидкість звуку, можна визначати ступінь відмінності досліджуваних парогазових сумішей від сухого атмосферного повітря й від інших сумішей, характерних для даного типу виробництва в нормальному режимі експлуатації. Таким чином, в запропонованому винаході завдяки виконанню ряду нових дій за допомогою нових блоків, введених у структурну схему пристрою, досягнуто вирішення технічної задачі вимірювання швидкості поширення ультразвукових коливань у середовищах, що рухаються. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601