Пристрій ультразвукового контролю хімічного складу речовини

1. Пристрій ультразвукового контролю хімічного складу речовини, який містить послідовно з'єднаний генератор високої частоти та акустичний випромінювач, послідовно з'єднаний акустичний приймач та індикатор, який відрізняється тим, що в нього введені модуль статистичної обробки та модуль обчислювання, причому вихід генератора високої частоти підключений до першого входу, а вихід акустичного приймача - до другого входу модуля статистичної обробки, вихід якого з'єднаний зі входом модуля обчислювання, вихід якого підключений до входу індикатора. 2. Пристрій за л-1, який відрізняється тим, що введений в нього модуль статистичної обробки містить генератор імпульсів, тригер, модуль затримки, перший та другий лічильники, перший та другий модулі логічного множення, перший та другий запам'ятовуючі пристрої, накопичувальний суматор та перший модуль ділення, причому вихід генератора високої частоти підключений до першого входу тригера, вихід якого з'єднаний з першим входом модуля логічного множення, до другого входу якого підключений вихід генератора імпульсів, а вихід першого модуля логічного множення з'єднаний з першим входом першого лічильника, вихід якого з'єднаний зі входом першого запам'ятовуючого пристрою, вихід якого підключений до входу накопичувального суматора, вихід якого з'єднаний з першим входом першого модуля ділення, вихід акустичного приймача підключений до другого входу тригера, до входу модуля затримки та до першого входу другого лічильника, вихід якого відповідно з'єднаний зі входами другого запам'ятовуючого пристрою та другого модуля логічного множення, вихід якого підключений до другого входу другого лічильника, вихід другого запам'ятовуючого пристрою з'єднаний з другим входом першого модуля ділення, вихід якого є виходом модуля статистичної обробки. 3. Пристрій за п.1, який відрізняється тим, що введений в нього модуль обчислювання містить квадратор, перемикач, вимірювач температури, третій та четвертий запам'ятовуючі пристрої, другий модуль ділення та компаратор, причому вихід першого модуля ділення підключений до входу квадратора, вихід якого з'єднаний з другим входом перемикача, третій та четвертий виходи якого відповідно з'єднані з першими входами четвертого запам'ятовуючого пристрою та другого модуля ділення, до другого входу якого підключений ВИХІД четвертого запам'ятовуючого пристрою, вихід другого модуля ділення підключений до індикатора, вихід вимірювача температури підключений до першого входу перемикача, перший та другий виходи якого відповідно підключені до входу третього запам'ятовуючого пристрою та другого входу компаратора, вихід якого з'єднаний з другим входом четвертого запам'ятовуючого пристрою, а вихід третього запам'ятовуючого пристрою підключений до першого входу компаратора Корисна модель відноситься до неруйнуючого контролю і може бути використаний для контролю якості виготовлення речовини по коефіцієнту відхилення хімічного складу контролюємо! речовини від еталонної речовини, визначаємого як квадрат відношення часів затримки розповсюдження ультразвуку в контролюємо та еталонній речовинах. Відомий спосіб [1] ультразвукового контролю хімічного складу середовища, реалізуємий шляхом вимірювання часу затримки розповсюдження ультразвуку в еталонному та контролюємому середовищах та їх порівняння. Пристрій для його реалізації' містить генератор високої частоти, акустичні випромінювачі - приймачі ВІДПОВІДНО В еталонному та контролюємому середовищах, блок вимірювання часу затримки та індикатор. Основний недолік такого пристрою полягає в тому, що він потребує CM 4244 застосування при вимірюванні часу затримки різноманітних типів еталонних речовин. Відомий пристрій [2] ультразвукового контролю середовища, який містить послідовно з'єднаний генератор високої частоти, акустичний випромінювач та акустичний приймач для контролюємо! речовини, підсилювач, блок вимірювання часу, затримки вимірювач температури, перемикач, перший та другий запам'ятовуючий пристрої, компаратор та індикатор, причому вихід блоку вимірювання часу затримки підключений до першого входу перемикача, вихід вимірювача температури з'єднаний з другим входом перемикача, перший та третій виходи перемикача відповідно підключені до входів першого та другого запам'ятовуючих пристроїв, виходи яких відповідно підключені до першого та другого входів компаратора, до третього та четвертого входів якого відповідно підключені другий та четвертий виходи перемикача, а вихід компаратора підключений до входу індикатора. Основним недоліком цього пристрою являється недостатньо висока точність вимірювання часу затримки. Це не забезпечує чіткої ідентифікації різних по хімічному складу речовин. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення пристрою ультразвукового контролю хімічного складу речовини шляхом введення модуля статистичної обробки та модуля обчислювання, при чому вихід генератора високої частоти підключений до першого входу, а вихід акустичного приймача до другого входу модуля статистичної обробки, вихід якого з'єднаний зі входом модуля обчислювання, вихід якого підключений до входу індикатора. Причому модуль статистичної обробки містить генератор Імпульсів, тригер, модуль затримки, перший та другий модулі логічного множення, перший та другий запам'ятовуючих пристроїв, накопичуючий суматор та перший модуль ділення, причому вихід генератора високої частоти підключений до першого входу тригера, вихід якого з'єднаний з першим входом першого модуля логічного множення, до другого входу якого підключений вихід генератора імпульсів, а вихід першого модуля логічного множення з'єднаний з першим входом першого лічильника, вихід якого з'єднаний зі входом першого запам'ятовуючого пристрою, вихід якого підключений до входу накопичуючого суматора, вихід якого з'єднаний з першим входом першого модуля ділення, вихід акустичного приймача підключений до другого входу тригера, до входу модуля затримки та до першого входу другого лічильника, вихід якого відповідно з'єднаний зі входом другого запам'ятовуючого пристрою та другого модуля логічного множення, вихід якого підключений до другого входу другого лічильника, вихід другого запам'ятовуючого пристрою з'єднаний з другим входом першого модуля ділення, вихід якого є виходом модуля статистичної обробки, що дозволяє здійснити підвищення точності вимірювання часу затримки прийнятого ультразвукового сигналу відносно посланого в 3-5 разів. Введений модуль обчислювання містить квадратор, перемикач, вимірювач температури, третій та четвертий запам'ятовуючі пристрої, другий модуль ділення та компаратор, причому вихід першого модуля ділення підключений до входу квадратора, вихід якого з'єднаний з другим входом перемикача, третій та четвертий виходи якого відповідно з'єднані з першими входами четвертого запам'ятовуючого пристрою та другого модуля ділення, до другого входу якого підключений вихід четвертого запам'ятовуючого пристрою, вихід другого модуля ділення відповідно підключений до індикатора, вихід вимірювача температури підключений до першого входу перемикача, перший та другий виходи якого відповідно підключені до входів третього запам'ятовуючого пристрою та другого входу компаратора, вихід якого з'єднаний з другим входом четвертого запам'ятовуючого пристрою, а вихід третього запам'ятовуючого пристрою підключений до першого входу компаратора. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій ультразвукового контролю хімічного складу речовини, який містить послідовно з'єднаний генератор високої частоти та акустичний випромінювач, послідовно з'єднаний акустичний приймач, та індикатор відповідно винаходу в нього введені модуль статистичної обробки та модуль обчислювання, причому вихід генератора високої частоти підключений до першого входу, а вихід акустичного приймача до другого входу модуля статистичної обробки, вихід якого з'єднаний зі входом модуля обчислювання, вихід якого підключений до входу індикатора. Введений відповідно винаходу модуль статистичної обробки, містить генератор імпульсів, тригер, модуль затримки, перший та другий лічильники, перший та другий модуль логічного множення, перший та другий запам'ятовуючі пристрої, накопичуючий суматор та перший модуль ділення, причому вихід генератора високої частоти підключений до першого входу тригера, вихід якого з'єднаний з першим входом модуля логічного множення, до другого входу якого підключений вихід генератора імпульсів, а вихід першого модуля логічного множення з'єднаний з першим входом першого лічильника, вихід якого з'єднаний зі входом першого запам'ятовуючого пристрою, вихід якого підключений до входу накопичуючого суматора, вихід якого з'єднаний з першим входом першого модуля ділення, вихід акустичного приймача підключений до другого входу тригера, до входу модуля затримки та до першого входу другого лічильника, вихід якого відповідно з'єднаний зі входами другого запам'ятовуючого пристрою та другого модуля логічного множення, вихід якого підключений до другого входу другого лічильника, вихід другого запам'ятовуючого пристрою з'єднаний з другим входом першого модуля ділення, вихід якого є виходом модуля статистичної обробки, крім того, відповідно винаходу введений модуль обчислювання містить квадратор, перемикач, вимірювач температури, третій та четвертий запам'ятовуючі пристрої", другий модуль ділення та компаратор, причому вихід першого модуля ділення підключений до входу квадратора, вихід якого з'єднаний з другим входом перемикача, третій та четвертий виходи якого відповідно з'єднані з першими входами четвертого запам'ятовуючого пристрою та другого модуля ділення, до другого входу якого підключений вихід четвертого запам'ятовуючого пристрою, вихід другого модуля ділення під 4244 ключении до індикатора, вихід вимірювача температури підключений до першого входу перемикача, перший та другий виходи якого відповідно підключені до входу третього запам'ятовуючого пристрою та другого входу компаратора, вихід якого з'єднаний з другим входом четвертого запам'ятовуючого пристрою, а вихід третього запам'ятовуючого пристрою підключений до першого входу компаратора. На фіг. 1 показана блок-схема пристрою контролю хімічного складу речовини; на фіг.2 - структурна схема модуля статистичної обробки; на фіг.З - структурна схема модуля обчислювання; на фіг.4 - графіки нелінійних залежностей швидкості та часу затримки ультразвуку від щільності контролюємо! рідини; на фіг.5 - графіки лінійної залежності квадратів часу затримки ультразвуку від щільності контролюємо'!' рідини та квадрат коефіцієнта К 2 відношення часу затримки розповсюдження ультразвуку в контролюєміи та еталонній речовинах. Пристрій ультразвукового контролю хімічного складу речовини містить генератор 1 високої частоти, акустичний випромінювач-приймач 2, модуль З статистичної' обробки, модуль 4 обчислювання та індикатор 5 Вихід генератора 1 високої частоти підключений до входу акустичного випромінювачаприймача 2 та до першого входу модуля 3 статистичної обробки, до другого входу якого підключений вихід акустичного випромінювача-приймача 2, а вихід модуля 3 статистичної' обробки з'єднаний зі входом модуля 4 обчислювання, вихід якого підключений до входу індикатора 5. На фіг.2 показана структурна схема модуля З статистичної обробки, який містить генератор 6 імпульсів, перший 7 та другий 15 модуль логічного множення, тригер 8, модуль 9 затримки, перший Ю т а другий 12 лічильник, перший 11 та другий 13 запам'ятовуючий пристрій, накопичуючий суматор 14 та перший 16 модуль ділення. Вихід генератора 6 імпульсів підключений до другого входу першого модуля 7 логічного множення, до першого входу тригера 8 підключений вихід генератора 1 високої частоти До другого входу тригера 8 та до входу модуля 9 затримки і до першого входу другого 12 лічильника підключений вихід акустичного випромінювача-приймача 2. Вихід тригера 8 з'єднаний з першим входом першого модуля 7 логічного множення, вихід якого підключений до першого входу першого 10 лічильника, до другого входу якого підключений вихід модуля 9 затримки, вихід першого 10 лічильника з'єднаний зі входом першого 11 запам'ятовуючого пристрою, вихід якого підключений до входу накопичуючого суматора 14, вихід якого з'єднаний з першим входом першого 16 модуля ділення, до другого входу якого підключений вихід другого 13 запам'ятовуючого пристрою, вхід якого та вхід другого 15 модуля логічного множення з'єднані з виходом другого 12 лічильника, другий вхід якого підключений до виходу другого 15 модуля логічного множення, а вихід першого модуля 16 ділення є виходом модуля З статистичної обробки. На фіг.З приведена структурна схема модуля 4 обчислювання, який містить вимірювач 17 температури, третій 18 та четвертий 22 запам'ятовуючі пристрої, компаратор 19, перемикач 20, квадратор 21 та другий модуль ділення 23 Вихід модуля З статистичної обробки підключений до входу квадратора 21, вихід якого з'єднаний з другим входом перемикача 20, третій та четвертий виходи якого відповідно з'єднані з першими входами четвертого запам'ятовуючого пристрою 22 та другого модуля ділення 23, вихід якого підключений до входу індикатора 5. Вихід вимірювача температури 17 з'єднаний з першим входом перемикача 20, перший та другий виходи якого відповідно підключені до входу третього запам'ятовуючого пристрою 18 та до другого входу компаратора 19, до першого входу якого підключений вихід третього запам'ятовуючого пристрою 18, а вихід компаратора 19 з'єднаний з другим входом четвертого 22 запам'ятовуючого пристрою, вихід якого підключений до другого вхоДУ Другого 23 модуля ділення. Пристрій ультразвукового контролю хімічного складу речовини відповідно винаходу працює таким чином Відомо [3], що швидкість Vp розповсюдження ультразвуку в рідинних речовинах виражається за формулою: 1 де (і - коефіцієнт стискування; р - щільність речовини. Оскільки щільність р речовини однозначно залежить від її хімічного складу, то за допомогою вимірювання швидкості Vp ультразвуку можна Ідентифікувати хімічний склад контролюємо!' речовини, але формула (1) визначає нелінійну залежність між щільністю р речовини та швидкістю Vp ультразвуку (фіг. 4). Це обумовлює низьку точність ідентифікації хімічного складу речовини. Для того, щоб усунути цей недолік, доцільно вимірювати час t3 затримки між посланим та прийнятим імпульсом ультразвукових коливань, який пройшов через контролюєму рідину Час t 3 затримки ВІДПОВІДНО визначається за формулою: t3 = L • ^Ц-р (2) де L - відстань яку проходить імпульс ультразвукових коливань в контролюємо рідині. Формула (2) теж визначає нелінійну залежність між часом затримки t 3 та ЩІЛЬНІСТЮ р контролюємо'!1 речовини (фіг 4), тому доцільно перейти до квадратної залежності, визначаємою формулою: t§ = L2 • )І • р , о) Для поліпшення зручності контролю доцільно вимірювати не квадрат t | часу затримки імпульсів ультразвукових коливань в контролюєміи речовині, а квадрат відношення К 2 часу затримки t 3 k проходження ультразвуку в контролюєміи речовині до часу t 3 e затримки проходження ультразвуку в 4244 еталонній речовині, який був виміряний раніше ВІДПОВІДНО формулі (3). Квадрат відношення К 2 часів t 3 k , t3 e затримки в контролюємій та еталонній речовинах можна визначити за формулою: К" 2 (4) Не•Ре е Д йк • Не - Рк - Ре • відповідно коефіцієнти стискування та щільності контролюємо! та еталонної речовин. На графіках (фіг. 4 та фіг. 5) відповідно приведені залежності швидкості Vp ультразвуку, часів затримки t 3p квадрату t 3 l часів затримки та квадрату К 2 відношення часів t3k , t 3 e затримки ультразвуку ВІДПОВІДНО в контролюємій та еталонній речовинах. Графіки (фіг. 4 та фіг. 5) побудовані відповідно данним, приведеним в таблиці: Графіки (фіг. 4) Умовні ВелипозначенL чина ня 1 vP 1 t31 2 t32 Графіки (фіг. 5) Вели- Умовні позначенL чина ня 1 2 К2 1 ч На обох графіках (фіг.4 та фіг.5) аргумент [хр змінюється в межах від 0,1 до 1,5, а еталонна речовина визначається параметром (і е р е = 0,7. Аналіз графіків (фіг.4 та фіг.5) показує, що точність ідентифікації контролюємо! речовини на відповідність хімічному складу еталонної речовини буде більш високою, якщо контролювати квадрати часів затримки розповсюдження ультразвуку в речовині, або квадрат відношення часів затримки в контролюємій та еталонній речовинах. З метою подальшого підвищення точності вимірювання доцільно вимірювати час затримки t 3 декілька, наприклад п разів з подальшим визначенням середнього значення t 3 відповідно формулі: (5) При цьому точність ідентифікації хімічного складу контролюємо! речовини збільшиться в 3 .5 разів. Відповідно сказаному в модулі 3 статистичної обробки визначається середнє значення часу затримки за формулою (5). Для цього тригер 8 включається запускаючими імпульсами від генератора 1 високої частоти. Вихідний сигнал з тригера 8 відкриває модуль 7 логічного множення, і імпульси з генератора 6 імпульсів поступають на перший 10 лічильник, який лічить імпульси до тих пір поки не поступить імпульс з акустичного випромінювачаприймача 2, виключить тригер 8, і перший модуль 7 логічного множення закриється. В результаті в першому лічильнику 10 буде записане число, пропорційне часу затримки прийнятого ультразвуково 8 го сигналу відносно посланого Зміст першого лічильника 10 пересилається у відповідну комірку першого запам'ятовуючого пристрою 11, а перший лічильник 10 установлюється в нульове значення імпульсом скиду, який поступає з модуля 9 затримки. Другий лічильник 12 лікує задане число п часових інтервалів, і на його вхід поступають імпульси від акустичного випромінювача-приймача 2. Задане число п часових інтервалів пересилається із другого 12 лічильника в другий запам'ятовуючий пристрій 13, а другий 12 лічильник встановлюється в нульове значення вихідним сигналом з другого модуля 15 логічного множення, який появиться тоді, коли на виході другого 12 лічильника набереться число п. Запам'ятовані значення часів t 3 , затримки з першого 11 запам'ятовуючого пристрою поступають на накопичуючий суматор 14, де визначається сума я к а подається на перший вхід першого модуля ділення 16, на другий вхід якого подається задане число п часових інтервалів t 3 l з другого 13 запам'ятовуючого пристрою. В першому 16 модулі ділення обчислюється середнє t значення часу затримки відповідно формулі (5) і пересилається в квадратор 21, на виході якого буде отримано квадратне значення t 3 середнього часу затримки для еталонної речовини, яке через третій вихід перемикача 20 записується у відповідну комірку четвертого 22 запам'ятовуючого пристрою. Перемикач 20 включений в перший режим (режим навчання). При цьому значення температури ГС, при якій проводилось вимірювання, записується у відповідну комірку третього запам'ятовуючого пристрою 18. Після того, як в третьому 18 та четвертому 22 запам'ятовуючих пристроїв будуть записані відповідно усі необхідні значення квадратів середніх часів tf(t°C) затримки в еталонній речовині, які були виміряні при різних температурах t°C заданого діапазону зміни температур, перемикач 20 переключається в друге положення (робочий режим). При цьому вимірюється квадрат середнього часу затримки цк розповсюдження ультразвуку в невідомій контролюємій речовині і через четвертий вихід перемикача 20 подається на перший вхід другого 23 модуля ділення, на другий вхід якого подається квадрат часу t§ e затримки розповсюдження ультразвуку в еталонній речовині з відповідної комірки четвертого запам'ятовуючого пристрою 22, яка викликається сигналом з виходу компаратора 19. Цей сигнал на виході компаратора 19 з'явиться тоді, коли значення температури t°C вимірювання, лодаваєме на компаратор 19 з вимірювача температури 17 через другий вихід перемикача 20, співпаде зі значенням температури t°C, записаної раніше в режимі навчання у відповідній комірці третього запам'ятовуючого пристрою. При цьому другий модуль 23 ділення визначить квадрат К відношення середніх часів за 4244 tfe розповсюдження ультразвуку в контролює мій та еталонній речовинах відповідно формулі: : • > тримки tf k к 2 =А (6) he Значення К з другого 23 модуля ділення видається на індикатор 5. Якщо значення К 2 =1 з заданою допустимою похибкою вимірювання, то це буде означати, що хімічний склад контролюємо)1 Генератор високої частот 10 речовини буде таким же, як і хімічний склад еталонної речовини. Пропонуємий пристрій може знайти широке призначення в установах контролю якості продаваємих рідинних речовин. Джерела інформації': 1. Патент 37 159А, G01M29/18, Бюл. №3 16.04.2001. 2. Патент 48 460А, G01J3/00, Бюл. №8 15.08.2002. 3. X. Кухлинг. Справочник по физике. Перевод с немецкого Под редакцией Е.М Лаптина, М1 Мир, 1982,518с. Акустичний випромінювач-приймач 1 2 Модуль стаТИСТИЧНОЇ обро 5ш 2 3 Індикатор Модуль обчислювання 1 • 1 4 5 Фіг. 1 Генератор імпульсів 1 1 Перший модуль ЛОГІЧНОГО МНОЖЕННЯ 2 7 1 і р. 2 •г-- »' Тригер Є Перший лічильник 10 2 ПеруJH« вуюч«й прИЕГ грій 11 Модуль затримки —* Накопичуючий суматор 9 14 Другий 2 Другий эапаы'тпауючнн пристрій ІЗ ЛІЧИЛЬНИК 12 • Перший модуль Д1Я9ИНЯ Другий модуль ЛОГІЧНОГО ЫНВЖВННД 15 Фіг. 2 2 15 11 12 4244 Трети 17 Квадратор 21 Друшймодуиь 23 Фіг.З Vpi 3S 39? Vp \ 117 053 Q27 052 OS Фіг. 4 Комп'ютерна верстка М Клюкін 107 113 16 OS3 1О7 GB 133 ФІг.і Підписне Тираж 37 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