Пристрій для ультразвукового контролю хімічного складу навколишнього середовища

Пристрій для ультразвукового контролю хімічного складу навколишнього середовища, який містить послідовно з'єднані генератор та перший акустичний випромінювач, перший акустичний приймач, перший підсилювач та перший детектор, другий акустичний випромінювач, другий акустичний приймач, з яким послідовно з'єднані другий підсилювач, другий детектор і блок вимірювання часу затримки, при цьому вхід др угого акустичного випромінювача підключений до виходу генератора та до першого входу блока вимірювання часу затримки, вихід другого детектора підключений до другого входу блока вимірювання часу затримки, третій вхід якого підключений до виходу першого детектора, блок вимірювання часу затримки містять перший та другий тригери, першу та другу A (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЮ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА 37159 послідовно з'єднані другий підсилювач, другий детектор і блок вимірювання часу затримки, при цьому вхід другого акустичного випромінювача підключений до виходу генератора та до першого входу блока вимірювання часу затримки, вихід другого детектора підключений до другого входу блока вимірювання часу затримки, третій вхід якого підключений до виходу першого детектора, блок вимірювання часу затримки містить перший та другий тригери, першу та др угу схеми збігу перший та другий лічильники, блок ділення та генератор тактових імпульсів, вихід якого підключений до други х входів першої та другої схем збігу, перші входи яких підключені, відповідно, до виходів першого та другого тригерів, перші входи яких об'єднані і є першим входом блока вимірювання часу затримки, а другі входи є відповідно другим та третім входами блока вимірювання часу затримки, виходи схем збігу підключені до лічильних входів, відповідно, першого та другого лічильників, входи скидання яких об'єднані та підключені до виходу генератора, а виходи підключені, відповідно, до першого та другого входу блока ділення, вихід якого є ви ходом блока вимірювання часу затримки, відповідно, до винаходу додатково введені квадратор, другий блок ділення та блок завдання константи, при цьому вихід другого лічильника з'єднаний із входом квадратора, вихід якого підключений до першого входу другого блока ділення, до другого входу якого підключений вихід блока завдання константи, вихід др угого блока ділення є другим виходом блока вимірювання часу затримки і підключений до другого входу індикатора. На фіг. 1 показана блок-схема, яка ілюструє спосіб ультразвукового контролю, на фіг. 2 – структурна схема блока випромінювача-приймача, на фіг. З показана структурна схема блока вимірювання затримки, на фіг. 4 приведено графік залежності температури від показання лічильника. На фіг. 1 показано блок-схему пристрою, який реалізує спосіб ультразвукового контролю хімічного складу навколишнього середовища. Вихід генератора 1 високої частоти підключений до входів блоків 2 та З випромінювачів-приймачів, відповідно, контрольованого та еталонного середовищ та до входу блока 4 вимірювача затримки, другий та третій входи якого підключені, відповідно, до входів блоків 2 та З випромінювачів-приймачів, а перший та др угий ви ходи блока 4 підключені, відповідно, до першого та другого входам індикатора 5. На фіг. 2 показано блок-схему вимірювачаприймача. Блок 2 випромінювач-приймач контрольованого середовища має послідовно з'єднані акустичний випромінювач 6 та приймач 7, які розділені контрольованим середовищем, підсилювач 8 та детектор 9. Вхід акустичного випромінювача 6 підключений до виходу генератора 1, а ви хід детектора 9 підключений до другого входу блока 4 вимірювача часу затримки. Блок 3 випромінювача-приймача еталонного середовища має аналогічний склад. Блок 4 вимірювача затримки має перший 10 та другий 11 тригери, перші входи яких підключені до виходів блоків 2 та 3, а другі входи об'єднані між собою та підключені до виходу генератора 1, а виходи підключені до перших входів першої 12 та другої 13 схем збігу, другі входи яких об'єднані між собою та підключені до генератора 14 тактових імпульсів, а виходи підключені до лічильних входів першого 15 та другого 16 лічильників, входи скидання яких об'єднані та підключені до виходу генератора 1, а виходи підключені відповідно до першого та другого входів першого блока ділення 17, вихід якого підключений до першого входу індикатора 5, вихід др уго го 16 лічильника з'єднаний з входом квадратора 18, вихід якого підключений до першого входу другого блока ділення 19, другий вхід якого з'єднаний з виходом блока задання константи 20, а вихід підключений до другого входу індикатора 5. Обгрунтування способу ультразвукового контролю хімічного складу середовища полягає в наступному. Швидкість розповсюдження ультразвуку в газах, рідинах та твердих тілах визначається відповідними залежностями [1]: c RT Vг = 0 1 Vж = mr E VT = r , де c - показник адіабати, R - газова стала, Т0 - абсолютна температура в К0, m - коефіцієнт стискування, r - щільність рідини та твердого матеріалу, Е - модуль пружності. Усі вказані параметри залежать від хімічного складу середовища, при цьому швидкість розповсюдження явно чи неявно залежить від температури. Вимірювання швидкості проводиться таким чином. На означеній відстані L від акустичного випромінювача встановлюється акустичний приймач. За допомогою лічильника вимірюється час затримки tз прийнятого сигналу відповідно випроміненого, який можна визначити за формулою: tз = L V = nT , де n - число тактових імпульсів з періодом повторення Т, яке буде записане в лічильнику після закінчення часу tз. Тоді для контрольованого середовища: cR = L2 2 n T 2T 0 mr = E r = n2T 2 L2 L2 . n 2T 2 Відповідно для еталонного середовища: L2 = 2 c e Re ne T 2T 0 2 37159 2 me re = ne T 2 L2 Ee L re звідки 2 = 2 2 ne T . 2 0 T = L 2 2 c e Re T n e = K 2 ne , Відношення однойменних параметрів дає: 2 æ ne ö ÷ n ÷ è ø - константа, яка визначається кон2 c e Re T структивними особливостями L, Т пристрою та показниками cе, Re хімічного складу еталонного газового середовища. На фіг. З показана можлива реалізація блока 4 вимірювання затримки та температури навколишнього середовища. Імпульс з генератора 1, який формується в момент запуску процесу вимірювань, надходить на другі входи першого 10 та другого 11 тригерів, які переключаються в стан, що відкриває першу 12 та другу 13 схему збігу за їх першими входами, на другі входи яких надходять тактові імпульси з генератора 14. Крім того, імпульс генератора 1 надходить на входи скидання першого 15 та другого 16 лічильників. В лічильниках накопичуються відповідні числа тактових імпульсів, які надходять на їх лічильні входи з виходів схем збігу 12 та 13. При надходженні сигналу з виходу детектора 9 блока 2 на перший вхід першого тригера 10, останній переключається та закриває схему 12 збігу. При цьому в лічильнику 15 буде записане число n, яке пропорційне часу затримки акустичного сигналу після його проходження контрольованого середовища. При проходженні сигналу з виходу детектора 9 блока 3 на перший вхід тригера ІІ, останній переключається та закриває схему 13 збігу. При цьому в лічильнику 16 буде записано число ne, яке пропорційне часу затримки акустичного сигналу в еталонному середовищі. Показання лічильників, діляться в блоці 17 ділення, а одержане відношення виводиться на індикатор 5. Крім того, число імпульсів через квадратор 18 надходить до першого входу другого блоку ділення 19, на другий вхід якого подається значення константи К з блоку завдання константи 20. Таким чином, на виході другого блоку ділення 19 одержується значення вимірюваної температури Т0, яке надходить до індикатора 5. На фіг. 4 показано графік Т0 = f(K,nе) залежності температури Т0 від значення ne в лічильнику cR = c R e ç ç e æn ö mr = me r e ç e ÷ ènø E r = 2 2 æ ne ö ç ÷ re è n ø Ee . За допомогою тестових випробувань індикатор 5 можна проградуювати так, що його показання будуть відображати кількість основної контрольованої компоненти хімічного складу навколишнього середовища. Для вилучення температурної залежності використовується принцип порівняння при вимірюванні, для чого зондуючий акустичний сигнал пропускається через еталонне середовище в замкнутому просторі, при цьому забезпечується однаковість температури в еталонному та контрольованому середовищах. Відстань L між випромінювачем та приймачем для двох середовищ однакова. Обгрунтування запропонованого пристрою вимірювання температури полягає в наступному. Швидкість розповсюдження ультразвуку в еталонному середовищі визначається як [1]: cRT V = 0 де c - показник адіабати, R - газова стала еталонного газового середовища, Т0 - абсолютна температура в К 0. Вимірювання швидкості V проводиться таким чином. На означеній відстані L від акустичного випромінювача встановлюється акустичний приймач і за допомогою лічильника вимірюється час затримки tз прийнятого сигналу відносно випроміненого, який можливо визначити за формулою: tз = L V 0 для еталонного середовища (гелія), T = = nT L nT = K n 2 - 273 ; 2 L nT L ; c e Re = 3449, 48( г елій) ; L = 0,5; T = 2 T c e Re 3,9·10-6. Даний пристрій може найти найбільш широке застосування там, де потрібно одночасно визначати хімічний склад та температуру навколишнього середовища, наприклад, в системах пожежної сигналізації літаків. Якщо процес вимірювання періодично повторювати, то індикатор покаже динамічну зміну хімічного складу та температури контрольованого середовища (характер похідної) і при необхідності K = де n - число тактових імпульсів з періодом слідування Т, яке записано в лічильнику після закінчення часу tз. Тоді можна записати V = L де K = 2 , 0 c e Re T , 3 37159 може сигналізувати про небезпеку перевищення будь-якої компоненти допустимої норми. 1. Кухлинг X. Справочник по физике, М.: Мир, 1982, 518 с. 2. Заявка № 99042259. Рішення про видачу патенту 06.12.99 p. Джерела інформації: Фіг. 1 Фіг. 2 4 37159 Фіг. 3 5 37159 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 6