Фазовий спосіб визначення відстані до межі поділу середовищ

Фазовий спосіб визначення відстані до межі поділу середовищ, який полягає в тому, що встановлюють електроакустичні випромінювач і приймач на фіксованій відстані один від одного, збуджують випромінювач безперервними електричними коливаннями, що приймають за опорні, приймають приймачем відбиті від межі поділу середовищ ультразвукові коливання, вимірюють частоту та різницю фаз електричних коливань на виході приймача і опорних коливань, змінюють частоту збуджуючих випромінювач коливань до значення, при якому досягається нульова різниця фаз і визначають відстань до межі поділу середовищ, який відрізняє ться тим, що після виміру першого значення частоти f1 електричних коливань змінюють акустичну базу випромінювач-приймач на величину, при якій різниця фаз порівнюваних коливань перевищить нульову різницю фаз і зміниться на величину, меншу 2p, змінюють знову частоту коливань до відновлення нульової різниці фаз, вимірюють друге значення частоти f2 електричних коливань, а відстань L до межі поділу середовищ визначають за формулою: Винахід відноситься до вимірювальної техніки і може бути використаний для визначення відстані до межі поділу двох середовищ за різницею фаз ультразвукових хвиль, а також за виміром товщини прошарків двошарових матеріалів і виробів при односторонньому доступі, товщини покриттів тощо. Відомий фазовий спосіб визначення відстані до межі поділу середовищ (див. Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы, 3-е изд., перераб. М.: "Энергия", 1978, с. 561), який полягає в порівнянні фази відбитих від межі поділу середовищ ультразвукових коливань із фазою коливань, що випромінюються, і визначенні відстані L до межі поділу середовищ по різниці фаз порівнюваних коливань за формулою: jc L= 4p f де j - різниця фаз порівнюваних коливань; f - частота випромінювання безперервних ультразвукових коливань; с - швидкість поширення ультразвукових коливань. Недоліком способу є виникнення неоднозначності фазових вимірів, якщо різниця фаз стає більше 360°, що має місце, коли довжина ультра звукової хвилі l=с/f менше відстані до межі поділу середовищ (lS1). 38265 ність виміру відстані через нелінійність фазочастотної характеристики (ФЧХ) електроакустичного тракту і дисперсії швидкості поширення ультразвука в складних за хімічним складом середовищах. Відомий також фазовий засіб визначення відстані до межі поділу середовищ по а.с. СРСР №1755047, МП G01В17/00, 1990 (Б.И. №30, 1992), який полягає в тому, що встановлюють електроакустичні випромінювач і приймач на фіксованій відстані один від одного, збуджують випромінювач безперервними електричними коливаннями, що приймають за опорні, приймають приймачем відбиті від межі поділу середовищ ультразвукові коливання, вимірюють різницю фаз електричних коливань на виході приймача і опорних коливань і змінюють частоту збуджуючи х перетворювач коливань до значення, при якому досягається нульова різниця фаз і вимірюють відстань до межі поділу середовищ. Крім того, змінюють частоту збуджуючих випромінювач коливань до другого значення f2, що повинно відповідати різниці фаз Dj2³Dj 1+К, де К - задана величина, вимірюють значення частоти f2 і різницю фаз Dj2, додатково приймають коливання перетворювача, що випромінює, перетворюють їх в електричний сигнал і використовують його в якості опорного сигналу, на кожній із частот f1 і f2 виконують декілька послідовних вимірів різниці фаз, величину K визначають як максимальне значення випадкової похибки величини Dj1, яка розраховується за результатами декількох вимірів, а відстань L визначають за формулою: L= 1 2 é Δj2 - Δj1 æ c ö ù ç ê ç f - f ÷ú ÷ 2π è 2 1 øû ë при контролі твердих середовищ. Крім того, поряд із виміром частоти необхідно вимірювати і різницю фаз, похибка виміру яких у багато разів перевищує похибку виміру частоти. Крім того, при вимірюванні різниці фаз можливо виникнення неоднозначності фазових вимірів. У основу винаходу покладена задача створення такого фазового засобу визначення відстані до межі поділу середовищ, у якому введення нових операцій і нової розрахункової формули визначення відстані до межі поділу середовищ дозволило б виключити вплив швидкості поширення ультразвука на результат виміру відстані до межі поділу, незалежно від складу середовища, що зондується, а також максимально стиснути діапазон перебудови частоти ультразвукових коливань, що забезпечує підвищення точності виміру відстані. Поставлена задача вирішується тим, що у фазовому способі визначення відстані до межі поділу середовищ, який полягає в тому, що встановлюють електроакустичні випромінювач і приймач на фіксованій відстані один від одного, збуджують випромінювач безперервними електричними коливаннями, що приймають за опорні, приймають приймачем відбиті від межі поділу середовищ ультразвукові коливання, вимірюють частоту та різницю фаз електричних коливань на виході приймача і опорних коливань, змінюють частоту збуджуючих випромінювач коливань до значення, при якому досягається нульова різниця фаз і визначають відстань до межі поділу середовищ, відповідно до винаходу, після виміру першого значення частоти f1 електричних коливань змінюють акустичну базу випромінювач-приймач на величину, при якій різниця фаз порівнюваних коливань перевищить нульову різницю фаз і зміниться на величину, меншу 2p, змінюють знову частоту коливань до відновлення нульової різниці фаз, вимірюють друге значення частоти f2 електричних коливань, а відстань L до межі поділу середовищ визначають за формулою 2 2 -S , де Δj1 , Δj 2 - середні арифметичні значення вимірюваних різниць фаз Dj1 і Dj 2 відповідно; S - відстань між випромінювачем і приймачем. Далі, після виміру частоти f2 і різниці фаз Dj2 розташовують перед перетворювачами відбивач на відстані, рівній відстані S, додатково змінюють частоту збуджуючи х перетворювач коливань до значення f3, обраного з умови f3»f1, здійснюють декілька послідовних вимірів різниці фаз Dj3, обчисляють максимальне значення N випадкової похибки величини Dj3 за результатами декількох вимірів, знову змінюють частоту збуджуючих перетворювач коливань до значення f4, що відповідає різниці фаз Dj4³Dj3+N, вимірюють це значення частоти, здійснюють декілька послідовних вимірів різниці фаз Dj4 та обчислюють значення швидкості с за формулою: c= ( 4 2πS f4 - f3 Δj4 - Δj3 L= 2 2 2 2 2 2 1 f 2 S2 - f1 S1 2 f1 - f2 , де S1 і S 2 - початкова і змінена акустичні бази (S2>S1). Саме зміна акустичної бази випромінювачприймач до значення, при якому різниця фаз порівнюваних коливань зміниться на величину, меншу 2p, зміна частоти електричних коливань до відновлення початкового нульового значення різниці фаз, вимір другого значення частоти електричних коливань і визначення відстані тільки по вимірюваних значеннях першої і другої частот електричних коливань та величинам першої і другої акустичних баз дозволяє виключити вплив швидкості поширення ультразвука на результат виміру відстані до межі поділу середовищ, незалежно від складу середовища, що зондується, а також максимально стиснути діапазон перебудови частоти ультразвукових коливань, що забезпечує підвищення точності виміру відстані. На кресленні поданий варіант схеми пристрою, за допомогою якого здійснюється визначення відстані до межі поділу середовищ за пропонованим способом. ), де Δj 3 , Δj 4 - середні арифметичні значення вимірюваних різниць фаз Dj3 і Dj 4 відповідно. Значення швидкості с використовують для підвищення точності виміру відстані. Проте, виключення впливу швидкості поширення с ультразвука потребує введення додаткового екрана, що не завжди можливо, наприклад, при контролі товщини виробів при односторонньому доступі, а також 2 38265 Пристрій містить генератор 1, що перебудовується по частоті електричних коливань, підключений до нього цифровий частотомір 2, послідовно з'єднані підсилювач 3 потужності, перемикач 4, електроакустичні випромінювачі 5, 6 і електроакустичні приймачі 7, 8, встановлені на поверхні одного з контрольованих середовищ, перемикач 9, підсилювач електричної напруги 10, ви хід якого з'єднаний з одним входом цифрового фазометра 11, другий вхід якого з'єднаний безпосередньо з виходом генератора 1. Позиціями 12 і 13 на фіг. позначені середовища, відстань до поділу яких вимірюється. Фазовий засіб визначення відстані до межі поділу середовищ здійснюється таким чином. Збуджують електроакустичний випромінювач 6 безперервними електричними коливаннями генератора 1, що перетворюють в ультразвукові і випромінюють у середовище 12 у напрямку межі поділу середовищ. Приймають відбиті від межі поділу ультразвукові коливання електроакустичним приймачем 7, що віддалений від випромінювача 6 на заданій відстані S1. Прийняті ультразвукові коливання перетворюють в електричні, що порівнюють по фазі з опорними електричними коливаннями генератора 1 за допомогою фазометра 11. При початковій акустичній базі S1 і відстані L до межі поділу середовищ 12 і 13 ультразвукові коливання проходять шлях: 2 ( D = 2 L + S1 2 ) 2 . Потім змінюють частоту електричних коливань до значення f2, при якому знову відновляється нульова різниця фаз: Δj 3 = 2p f2 -2pn = 0 . (6) c Якщо акустична база S2>S1, як зазначено на кресленні, то частота f 2