Установка для вимірювання швидкості звуку

UA,,,, 23097 УКРАЇНА ^ (5І>6 (II) G 01Н _ (13) 5/00 ОПИС ДО ПАТЕНТУ ДЕРЖАВНЕ ПАТЕНТНЕ ВІДОМСТВО НА ВИНАХІД без проведення експертизи по суті на підставі Постанови Верховної Ради України NB 37Є9-ХГГ в'д 23 XII 1993 р Публікується D редакції заявника (54) УСТАНОВКА ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ШВИДКОСТІ ЗВУКУ 1 (57} Установка для измерения скорости звука, содержащая последовательно соединенные мультивибратор, пьезоэлектрический преобразователь и находящийся на фиксированном расстоянии от него отражатель, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что к выходу мультивибратора подключен импульсноцифровой преобразователь, первый управляющий вход которого соединен с первым выходом генератора импульсов, а информационными шинами импульсно-цифровой преобразователь, вычитатель, умножитель и сумматор соединены последовательно, информационные выходы сумматора соединены с первыми информационными входами параллельного интерфейса, управляющий выход которого соединен с вторым управляющим входом импульсно-цифрового преоб раз^ователя, первые информационные выходы параллельного интерфейса подключены к вторым информационным входам вычитателя и сумматора, а вторые - к вторым информационным входам умножителя, при этом управляющий выход импульсно-цифрового преобразователя соединен с первым входом распределителя импульсов, второй вход которого подключен к второму выходу генератора импульсов, причем первый, второй и третий выходы распределителя импульсов соединены соответственно с управляющими входами вымогателя, умножителя и сумматора, а четвертый выход - с управляющим входом микро-ЭВМ, системная магистраль которой соединена с совмещенными входами-выходами параллельного интерфейса и с контроллером дисплея соединенным с дисплеем, Изобретение относится к технике ультразвукового контроля и может быть использовано для измерения скорости звука, в частности импульсно-циклическим методом, в жидких средах. Известен измеритель скорости звука, содержащий последовательно подключенные импульсный генератор, акустические излучатель и приемник, усилитель сигналов и частотомер [Серавин Г.Н. Измерение ско рости звука в океане. Л., Гидпометеоиздат, 1979. с. 17-19]. Однако, известный измеритель скорости звука не обладает требуемой точностью измерений из-за наличия дополнительной временной задержки сигнала в электронноакустическом тракте. Наиболее близким к заявляемому уст-8 ройству по технической сущности и достигаемому результату является установка для (21)95041560 . . (22)06.04.95 (24) 30.06.98 (46)30.06.98. Бюл, № З (72) Полонський Олександр Дмитрович (73) Сумський державний університет С > со о о 23097 сигнала в электроакустическом тракте на точность измерения скорости звука. В результате осуществления изобретения получен следующий технический эффект: -сигнэ/гс выхода мультивибратора преобразован с помощью импульсно-цифрового преобразователя в код т е к у щ е г о измерения, что дало возможность получить В устройстве-прототипе период T(t) слеиз кода предыдущего измерения код невяздования импульсов на выходе мультивибратора з а в и с и т от р а с с т о я н и я I между 10 ки на выходе вычитзтеля, а затем в умножителе, с учетом весового коэффициента, пьезоэлектрическим преобразователем и сформировать код коррекции, который преотражателем, величины скорости звука C(t) в образуется в сумматоре, с учетом кода предисследуемой среде и неконтролируемой доыдущего измерения, в код оценки текущего полнительной задержки Тд(т.) сигнала в электронно-акустическом тракте 15 измерения и тем самым достигается минимизация влияния кода неконтролируемой дополнительной задержки сигнала в электроакустическом кольце на точность измере0) ний. измерения скорости звука, содержащая последовательно соединенные мультивибратор, пьезоэлектрический преобразователь и находящийся на фиксированном расстоянии от него отражатель [Авт. св. СССР № 5 1386853, IOI.G 01 Н5/00]. 20 Эта задача решается установкой для измерения скорости звука, содержащей последовательно соединенные мультивибратор, пьезоэлектрический преобразователь и находящийся на фиксированном расстоянии 25 от него отражатель, где согласно изобретению, к выходу мультивибратора подключен Учитывая, что r A ( t ) « T(t). a F ( t ) r A « t , из импульсно-цифровой преобразователь, пер(1) и (2) можно получить рабочие уравнения вый управляющий вход которого соединен с для определения скорости звука генератором импульсов, а к информационЗ ным выходам импульсно-цифрового преобО 2EF(t) разователя подключены последовательно соединенные информационными выходами друг с другом вычитатель. умножитель и сумматор, а информационные выходы суммато35 ра соединены с первыми информационными входами параллельного интерфейса, управ(4) ляющий выход которого связан со вторым управляющим входом импульсно-цифровоТаким образом, наличие неконтролируго преобразователя, а первые информациемой дополнительной временной задержки 40 онные выходы параллельною интерфейса подключены ко вторым информационным Тд(т.) сигнала в электроакустическом тракте входам вычитателя и параллельно сумматоприводит к появлению в уравнениях измерера, а вторые - ко вторым информационным ний (3) и (4) дополнительной относительной входам умножителя, при этом управляющий погрешности 45 выход импульсно-цифрового преобразователя соединен с первым входом распредели = Суть алгоритма оптимальной оценки за>0, означает, что ни одно значение Z(k) не ключается в следующем. измеряется точно В этом случае решение Сигнал y(t) с выхода мультивибратора в 10 задачи оптимальной оценки кода определямомент времени tk+> в результате импульсется следующим рекуррентным уравнением но-цифрового преобразования представляется кодом текущего измерения + 1) = X » + А(к + 1) [Z(k + 1)-Я (к) (10) (6) 15 гдеХ(к+1)=В/С(т.к-и); Весовой коэффициент А(к t-1) находится В = 2 alF o - константа; на основе априорных сведений о статистиа- коэффициент импульсно-цифрового ческих параметрах измерений преобразования, 20 I - расстояние между пьезоэлектрическим преобразователем и отражателем; "/7 , (И) O7(k " тУкГ . Fo - частота синхронизации, C(t k + 1 ) - скорость звука в исследуемой среде в момент измерения t ^ ; 25 Дисперсия Q(k + 1) ошибки априорной оценки є (k + 1) находится как V H (k+1)= a F o r f l (t k + 1 ); т д (lk+i) ~ задержка сигнала в электроакустическом тракте в момент измерения 30 Уравнение наблюдений (6) дополним описанием, которое включает все возможные траектории кода без учета помех 35 X(k+1)-X(k) + V0(k), (7) Q{k+1)=P(k) (12) Дисперсия P(k + 1) апостериорной оценки р(к+ 1)-Х(к+ 1)-Я(к+ 1)определяется по формуле ' (13) где V0(k) - последовательность импульсов с Измерение оценки кода &(к) осуществматематическим ожиданием M[Vo(k)] = 0 и ляется в такой последовательности. дисперсией D[Vo(k)] = Ro По начальному значению дисперсии Р о В рассматриваемых уравнениях измереоценки кода находится дисперсия ошибки ний (7) и (8) код Х(к) отражает физическую априорной оценки сущность измерений, который необходимо воспроизводить, а код VH(k), который завиQ(1)=P 0 + R0, (14) сит от величины задержки сигнала в элект,. роакустическом тракте, с дисперсией 45 а затем определяется весовой коэффициент D[VH{k)] = N o и математическим ожиданием M[VH(k)] * 0. необходимо минимизировать. Воспроизведение кода 'Х(к) на фоне действующей помехи VH(k) наблюдений, т е выделение его из кода Z(k) осуществляется на 50 и дисперсия апостериорной оценки основе оценки Х(к) и обозначается R(ld имеющей математическое ожидание М[Х(к)] = (16) =Х(к); дисперсию О[Я(к)] = Ро. При этом случайные последовательности VH(k) и Vo(k) не 55 после чего находится оценка кода коррелированы с величиной Х(к). Требуется, используя измеренные зна(17) чения кода Z(k) при К = О, N, найти оценку Я*(к) кода, обеспечивая минимум квадрата и цикл измерений повторяется. ошибки 7 23097 8 В установившемся режимеР(к + 1) = Р(к)= мационным входам сумматора 8, а информационные выходы сумматора 8 - к информа• Rr_. где RF - значение дисперсии апосте= ционным входам параллельного интерфейса риорной оценки, задаваемое с учетом требу9. Управляющий выход параллельного инемой т о ч н о с т и и з м е р е н и й . Тогда в установившемся режиме весовой коэффици- 5 терфейса 9 соединен с первым управляющим входом импульсно-цифрового ент определяется как преобразователя 4. Второй управляющий вход импульсно-цифрового преобразовате(18) ля 4 соединен с первым выходом генератора 10 импульсов 5. Управляющий выход импульса оценка кода будет равна но-цифрового преобразователя 4 соединен с первым входом распределителя импульсов Ao[Z(k + (19) 10 Второй вход распределителя импульсов 10 соединен со вторым выходом генератора Таким образом, получаемая оценка кода зависит лишь от априорных сведений о ста- 15 импульсов 5. Первый выход распределителя импульсов 10 подключен к управляющему тистических параметрах измерений на основходу вычитателя 6, второй выход - к управве вычисде'ния весового коэффициента, ляющему входу умножителя 7, третий выход который позволяет минимизировать величи- к управляющему входу сумматора 8, четну невязки измерений в момент времени tk+i и при этом скорость звука, определяемая как 20 вертый выход - к управляющему входу микроЭВМ 13 МикроЭВМ 13 через системную магистраль соединена с совмещенными входами-выходами параллельного интерфейса (20) 9 и с контроллером дисплея 12. Контроллер не зависит от величины неконтролируемой 25 дисплея 12 через внутреннюю магистраль соединен с дисплеем 11. дополнительной зэдержкиГд (tk+i) сигнала в Установка для измерения скорости звуэлектроакустическом тракте, что Обеспечика работает следующим образом. вает точность измерений в реальном времени, При включении питания на выходе мульНа чертеже представлена функциональ- 30 тивибратора 1 появляется импульсный сигнал y{t). Одновременно с этим запускается ная схема предлагаемой установки. микроЭВМ 13, которая через системную маУстановка для измерения скорости звугистраль Вт формирует сигнал Еі на управка содержит мультивибратор 1, пьезоэлектляющем выходе параллельного интерфейса рический преобразователь 2, находящийся на фиксированном расстоянии от него отра- 35 9 и тем самым запрещается прохождение жатель 3, импульсно-цифровой преобразоимпульсов y(t) с выхода мультивибратора 1 и ватель 4, генератор импульсов 5, вычитатель импульсов на входы импульсно-цифрового 6, умножитель 7, сумматор 8,,параллельный преобразователя 4. интерфейс 9, распределитель импульсов 10, В результате на управляющем выходе дисплей 11, контроллер дисплея 12, микро- 40 импульсно-цифрового преобразователя 4 ЭВМ 13. появляется сигнал Е 2 , запрещающий проВыход мультивибратора 1 параллельно хождение импульсов S2W со второго выхода подключен ко входу пьезоэлектрического генератора импульсов 5 на второй вход распреобразователя 2 и к счетному входу импульпределителя импульсов 10, тем самым устасно-цифрового преобразователя 4. Информа- 45 новка приводится в исходное состояние. ционные выходы импульсно-цифрового По командам ввода - вывода через сиспреобразователя 4 подключены к первым интемную магистраль В^ контроллер дисплея формационным входам вычитателя 5. Вторые 12 и внутреннюю магистраль В 2 с клавиатуинформационные входы вычитателя 6 подры дисплея 11 вводятся начальные условия ключены к первым информационным выхо- 50 и статистические параметры измерений в дам параллельного интерфейса 9 и память микроЭВМ 13 В микроЭВМ 13 выпараллельно - ко вторым информационным числяется значение весового коэффициента входам сумматора 8. Информационные выхоА(к + 1). после чего по командам ввода ды вычитателя 6 подключены к первым инфорвывода через системную магистраль В\ на мационным входам умножителя 7, а вторые 55 первые информационные выходы паралинформационные входы - ко вторым инфорлельного интерфейса 9 записывается код мационным выходам параллельного интерХ(к) предыдущей оценки, на вторые инфорфейса 9 Информационные выходы мационные выходы - код А(к + 1) весового умножителя 7 подключены к первым инфоркоэффициента, а на управляющий выход сигнал Еі, разрешающий работу импульсно 23097 10 суммирования на информационных выходах цифрового преобразователя 4. В результате сумматора 8, а, следовательно и на инфорразрешается прохождение импульсов y(t) с мационных входах параллельного интервыхода мультивибратора 1, а также импульфейса 9 формируется код текущей оценки сов Si(t) с первого выхода генератора импульсов 5 на входы импульсно-цифрового 5 измерения Х(к + 1) = Я(к) + d2{k + 1). преобразователя 4. В момент времени tk+i По завершению цикла суммирования на на информационных выходах импульсночетвертом выходе распределителя импульцифрового преобразователя 4 будет сфорсов 10 появляется импульс Е6, по которому мирован код текущего измерения Z(k + 1), а микроЭВМ 13 осуществляет перезапись с на управляющем выходе - сигнал Е2, раз- 10 информационных входов параллельного инрешающий прохождение импульсов S2(t) со терфейса 9 оценки Я(к + 1} на его первые второго выхода генератора импульсов 5 на информационные выходы, а затем вычислявход распределителя импульсов 10, который ет скорость звука по формуле (20), где В включается в цикл измерений следующим константа памяти микроЭВМ 13. Образом. 15 После вычислений по формуле (20) микроЭВМ 13 через системную магистраль B j , По импульсу Е 3 с первого выхода расконтроллер 12 дисплея и внутреннюю магипределителя импульсов 10 формируется страль В 2 выдает на табло дисплея 11 инфорцикл работы вычитателя 6, а результате чего мацию об измеряемой скорости звука. на его информационных выходах получается код невязки измерения d^k + 1) - [Z(k + 1) - 20 Далее цикл измерений повторяется, а признаком его окончания будет теперь появление импульса Е б с четвертого выхода расПо окончании цикла вычитания на втопределителя импульсов 10 на управляющем ром выходе распределителя импульсов 10 входе микроЭВМ 13, по которому измеряетбудет сформирован сигнал управления Еф разрешающий работу умножителя 7, по 25 ся скорость звука и осуществляется переход на последующие измерения окончании работы которого будет сформирован код коррекции невязки измерения В результате в предлагаемой установке d2(k + 1)-A(k + 1)tfi(k+ 1). скорость звука в момент времени t^+i не По завершении операции умножения на зависит от величины кода неконтролируетретьем выходе распределителя импульсов 30 мой задержки сигнала в электроакустиче10 формируется сигнал Е$, разрешающий ском тракте, что приводит к повышению работу сумматора 8 и па окончании цикла точности измерений. 23097 Вычит&гелд ОС(к) с> Умножитель dp (k+i) Су*. •Аматор •fa В. МоС/7/Гей конгрол#&р дисрлця Н Упорядник Замовлення 4520 І2 Техред М.Келемеш Коректор О. Обручар Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254653, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101