Пристрій для виміру швидкості звуку в рідинах та газах

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения скорости распространения звука в жидкостях и газах, на ходящихся под давлением, например в морской воде на больших глубинах океана. Целью изобретения является повышение точности измерений скорости звука в условиях высоких давлений окружающей среды за счет баростабилизации длины акустической баэы„ В устройстве осуществляется измерение скорости звука с использованием методики с іюсто— янной базой (метод синхрокольца). Постоянство базы в условиях изменяющихся внешних давлений поддерживается системой барокомпенсацда, для чего часть торцовой поверхности стержня, определяющего базу, разгружена от действия внешнего давления путем ее герметизации. 5 ил. Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения скорости распространения звука в жидкостях и газах, находящихся под давлением, например в морской воде на больших глубинах океана. Цель изобретения - повышение точности измерений скорости звука в условиях высоких давлений окружающей среды за счет баростабилизации длины акустической базы, На фиг. 1-5 приведены варианты выполнения устройства для измерения скорости звука в жидкостях и газах. Устройство для измерения скорости звука в жидкостях и газах (фиг, 1) содержит основание 1, закрепленные на последнем электроакустический преобразователь 2 н однородный стержень 3, отражатель А звука, установленный на стержне 3 соосно с электроакустичес- 00 ким преобразователем 2, и барокомпен— сатор 5 изменений длины стержня 3, последний выполнен с постоянным попереч- СО ным сечением на участке между электроакустическим преобразователем 2 и отражателем ч, часть торцовой поверхности 6 стержня связана с барокомпенса— тором 5, а площадь S оставшейся части торцовой поверхности стержня 3 и площадь S o поперечного сечения стержня на участке между электроакустическим преобразователем 2 и отражателем 4 выбраны из условия •РПФ-К S/S o = 2|U, 1608433 где Ш - коэффициент Пуассона материала стержня, Барокомпенсатор 5 смонтирован в держателе 7, установленном на основании 1. Объем барокомпэнсатора 5 герметизирован посредством уплотнительного кольца 8. Давление воздуха в барокомпенсаторе 5 устанавливается равным нормальному атмосферному давле- ]Q нию. Для выполнения условия (1) диаметр d конца стержня, помещенный в барокомпенсатор 5, и диаметр D стержня на участке между преобразователем и отражателем должны удовлетворять 15 соотношению - 2IU. Преобразователь 1 подключают к ктронБому измерителю 9 скорости звука, который содержит последовательно соединенные генератор 10, коммутатор 11, ^усилитель 12 и регистратор 13, выход усилителя подключен к входу генератора, а второй вход коммутатора служит входом измерителя 9 скорости звука. Позицией 14 обозначена исследуемая среда. В варианте устройства (фиг. 2) то- 30 рец стержня 6 с диаметром d выведен из полости барокомпенсатора 5 и воспринимает давление Р исследуемой среды. В этом случае услов-ие баростабилизации базы L(S/S n ) = 2гц выполняется,35 если (d/D) - -\2и В вариантах предлагаемого устройства (фиг. 3 и 4) база L образована не одним, а двумя (или несколькими) стержнями любого сечения (фиг. 3) или 40 жесткой трубкой с внешним диаметром D и внутренним диаметром Ъ (фиг. 4 ) . В последнем случае стержень 15, проходящий по оси трубки 3, является крепежным элементом. При этом в конст45 рукции устройства на фиг. 3 используется торцовое уплотнение, а в конструкции устройства на фиг. 4 — радиальное уплотнение. Условия баростабилизации базы 50 (S/S e ) - 2(ц выполняются, если 4-S< - 2 (фиг. 3) Устройство (фиг. 5) отличается тем, что база-стержень 3 имеет постоянный диаметр D. Торцовая часть стержня размещена в полости 5 гидрокомпенсатора корпуса 7, которая отделена от исследуемой среды кольцевым уллот-. нением 8. Полость гидрокомпенсатора 5 заполнена компенсирующей жидкостью, например силиконовым маслом, и соединена трубкой 16 с камерой 17 гидротрансформатора, в которой размещен . дифференциальный поршень 18 с диаметрами D,| и d, уплотненный резиновыми кольцами 19. В попости 20 находится воздух при нормальном атмосферном давлении, а в полости^21 - компенсирующая жидкость при давлении Р.. Торцовая поверхность 22 дифференциального поршня 18 находится под внешним давлением Р исследуемой среды. Преобразователь 2 соединен с электронной схемой измерителя 9 скорости звука. Соотношение большого Dj и малого d диаметров дифференциального поршня выбрано таким, чтобы соотношение их площадей соответствовало выражению Si где S = - площадь торцовой поверхности дифференциального поршня диаметром d; So = V 1)2/4 - площадь торцовой поверхности дифференциального поршня диаметром D,. Устройство работает следующим образом. Генератор 10 вырабатывает импульс электрических колебаний, который поступает через коммутатор 11 на пре~ образователь 2, который излучает в исследуемую среду 14 импульс акустических колебаний. Звуковой импульс, распространяясь в среде вдоль пути L, отражается от поверхности отражателя 4 и возвращается обратно к преобразователю 2. Принятый преобразователем 2 сигнал, пройдя коммутатор 11, усиливается усилителем 12 и снова запускает генератор 10. Частота f циркуляции импульсов в схеме регистрируется, например, электронно-счетным частотомером 13. Скорость звука рассчитывают по Формуле С = 2 Li. 1608433 В отсутствие системы баростабилиОбщим для всех рассмотренных варизации изменение внешнего давления антов выполнения устройства является приводит к изменению базы L и к соналичие части торцовой поверхности ответствующим ошибкам в результатах стержня (или стержней), разгруженной измерения скорости звука. В предлагаот действия внешнего давления Р путем емом устройстве система барокомпенее герметизации, причем площадь S оссации базы уменьшает ее изменения тавшейся части торцовой поверхности при колебаниях внешнего давления. стержня, подвергаемой давлению Р неБ устройстве (фиг. 5) внешнее давление Р воздействует на боковую поверхность стержня 3, вызывая его удлинение вдоль оси ОХ на величину fiLp = 2 | PL/E. Одновременно это U же давление V действует на поверхность 22 поршня 18 к создает в полости 21 давление Р< - (S f /S 0 ) • Р = = 2д|Р. Это давление Р, через трубку 16 посредством компенсирующей жидкости передается на торцовую поверхность стержня 3, вызывая его укорочение на величину 10 следуемой среды, и площадь S o поперечного сечения стержня в его рабочем участке находятся в отношении (S/S e ) = р. Изобретение позволяет повысить точность измерения скорости звука в жидкостях и газах, находящихся при высоких давлениях. 20 В предлагаемом устройстве используется только один материал стержняв в общее условие баростабилизации входит только один параметр /у, характеризующий свойства материала стержня, причем в отличие от модуля Ъ)яга Е коэфL L • Р 2 фициент Пуассона nj является константой E , данного материала и от температуры практически не зависит, что расширяет Результирующая деформация стержня область использования изобретения. ДЬ=М§ +ДЬр=О. При использовании предлагаемого Таким образом, независимо от вели- 30 устройства повышается точность измеречины давления пт атмосферного до макния скорости звука в жидкостях и гасимального допустимого давления велизах при высоких давлениях ча счет исчина базы L остается неизменной ключения ошибок, связанных с изменением длины акустической базы устройJwaKc ства под воздействием давления. 2/u y A v где Сїт — предел пропор,циональности (предел упругости) материала стержня 3 при сжатии. Например, для кварцевого стекла 2 марки KB[U= 0,18 и СГТ ^ 6000 кг/см , 2 получают Р/дякс^ 17000 кг/см . Возможны и другие варианты технической реализации баростабилизации длины базы L, например трансформацией усилий и давления внешней среды на торцовую поверхность стержня для выполнения условия I й crz) приложением не только распределенных, но и сосредоточенных сил, нужная пропорциональность которых поддерживается, например, посредством системы механических разноплечих рычагов либо использованием мембран, сильфонов и т.п. Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Устройство для измерения скорости звука в жидкостях и г а з а х , содержащее основание, закрепленные на последнем электроакустический преобразователь, однородный стержень и отражатель зву— д5 к а » установленный на стержне соосно с электроакустическим преобразователем, о т л и ч а ю щ f e с я тем, что, с целью повышения точности измерений в условиях высоких давлений, 50 оно снабжено барокомпєнсатором изменений длины стержня, последний выполнен с постоянным поперечным сечением на участке между электроакустическим преобразователем и отражателем, часть торцовой поверхности стержня связана „ с барокомпенсатором, а площадь оставшейся части торцовой поверхности .. стержня и площадь поперечього сечения стержня на участке между электроакус 40 1608433 тическим преобразователем и отражатег* лем выбраны из условия где S - площадь части торцовой по- верхности стержня, подверга 8 емой давлению внешней среды; - площадь поперечного сечения o стержня на участке между преобразователем и отражателем; / - коэффициент Пуассона материИ ала стержня. т /\ 12 \ f 1 г Фиг. 1 т 9 1608433 б 20 Фиг 5 .Редактор А. Козориз Составитель Г, Максимочкнн Техред М.Дидык Корректор М.Самборская Заказ 3606 Тираж 418 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР Ї13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101