Гідрологічний вимірювач швидкості звуку

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения скорости ультразвука в жидкостях и г а з а х , в частности при проведении гидрофизических исследований морей и океанов. Целью изобретения является повышение достоверности результатов измерения путем обеспечения оперативного контроля 1 Изобретение относится к измеритель ной технике, может быть использовано для измерения скорости ультразвука в жидкостях и г а з а х , в частности при проведении гидрофизических исследова~ ний морей и океанов, и является у с о вершенствованием изобретения по а в т . с в . К1 1255871. Цель изобретения - повышение д о стоверности результатов измерения п у тем обеспечении оперативного контроля стабильности характеристик измерителя в процессе измерений. стабильности характеристик измерителя в процессе измерений. Введение в измеритель дополнительных блоков: имитатора эхо-сигналов, второго коммутатора, одновибратора, резистора и блока формирования командных с и г налов, позволяет в процессе измерений проводить оперативный контроль стабильности характеристик электронного тракта и неисправностей измерителя путем подключения к электронному тракту имитирующих эхо-сигналов, характеристики которых близки к х а рактеристикам реальных эхо-сигналов, а погрешность задания временного интервала определяется нестабильностью генератора опорных импульсов. По полученным значениям контролируемой скорости и установленного в процессе лабораторных испытаний допуска судят о работоспособности измерителя и д о стоверности предшествующих результатов. 2 ил. На фиг. 1 представлена структурная схема гидрологического измерителя1 скорости звука; на фиг„ 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Гидрологический измеритель скорости звука (фиг. О содержит последовательно соединенные управляемый г е нератор 1, формирователь '?. импульсов» делитель 3 частоты, распределитель 4 импульсов, генератор 5 возбуждающих импульсов, ограничитель 6, усилитель 7, компаратор 8, первый RS-триггер 9, первый коммутатор 10, интегратор II и синхронный фильтр 12, выход к о 3 !46571 торого соединен с входом управляемого генератора Ї , а к выходу последнего подключены последовательно соединенные линия 13 с в я з и и регистратор 14, дешифратор 15, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с первым» вторым и т р е тьим выходами распределителя А импульсов, четвертый вход - с выходом ^Q делителя 3 частоты, а первый выход с управляющим входом компаратора 8 и управляющим входом синхронного фильтра 12, второй RS-триггер 16, выход которого соединен с информаци- t5 онным входом первого коммутатора 10, S-вход - с первым выходом распределителя 4 импульсов, R-БХОД - с вторым выходом дешифратора 15 и R-входом первого RS-триггера 9, измерительную 20 ячейку 17, подключенную к выходу г е нератора 5 возбуждающих импульсов и состоящую из электроакустического преобразователя 18, первого 1 9 и в т о рого 20 отражателей, имитатор 21 эхо~ 25 сигналов, включающий последовательно соединенные генератор 22 опорных импульсов, счетчик 23 и формирователь 24 имитирующих э х о - с и " н а л о в , одновибратор 25, вход которого подключен к зо первому выходу распределителя h импульсов, а выход - к входу "Установк а " счетчика 2 3 , второй коммутатор 26» первый информационный вход кото-, рого соединен с выходом формировате- _ ля 24, а выход - с входом ограничителя 6, резистор 27, подключенный к второму информационному входу в т о Управляющие входы коммутатора 26 Уровни сигнала на управляющих входах Реализуемое со единение выход 24 - вход 6 выход 27 - вход 6 Режим работы измерителя В режиме "Измерение" на первый управляющий вход второго коммутатора 26 и вход генератора 22 опорных импульсов с выхода блока 28 формирования командных сигналов через линию 13 связи поступает сигнал (фиг. 2д) соответствующий уровню логического нуля. При этом генератор 22 опорных импульсов запирается и на его выходе рого коммутатора 26, и блок 28 формирования командных сигналов, который связан через линию 13 связи с первым управляющим входом второго коммутатора 26 и входом генератора 22 опорных импульсов, а второй управляющий вход второго коммутатора 26 подключен к первому выходу р а с пределителя 4 импульсов. Устройство работает следующим о б разом 0 Управляемый генератор 1 генерирует синусоидальный высокочастотный сигнал с частотой F c , преобразуемый формирователем 2 импульсов в последовательность прямоугольных импульс о в , которая поступает на вход делителя 3 частоты, имеющего коэффициент деления п. Последовательность импульсов (фиг. 2а) с выхода делителя 3 ч а с т о ты подается на вход распределителя 4 импульсов и четвертый вход дешифратора 15. По фронту импульса (фиг, 26) с первого выхода распределителя 4 импульсов генератор 5 возбуждающих импульсов вырабатывает короткий импульс (фиг* 2 к ) , а второй RS-триггер 16 у с танавливается в состояние логической единицы (фиг. 2 п ) . Измеритель имеет два режима работы: "Измерение" и "Контроль". Второй коммутатор 26, в качестве которого может быть использован аналоговый коммутатор типа 590 КНЗ, осуществляет функцию переключения режимов работы, приведенную в таблице. 0 ,0 0 1 1 "Измерение" 1 1 0 "Контроль" отсутствует сигнал (фиг, 2ж) опорной частоты F ot , , а второй коммутатор 26 устанавливается в разомккутое положение, что обеспечивает отключение выхода имитатора 21 эхо-сигналов от измерительной части схемы измерителя. Короткий импульс (фиг. 2к) с выхода генератора 5 возбуждающих импульсов возбуждает электроакустичес 5 14657 15 кий преобразователь 18 измерительной (О ячейки 17. Электроакустический п р е образователь 18 излучает в исследугде L, и 1.2 ~ расстояния от электроемую среду ультразвуковой импульс. акустического преобразоВ результате отражений излученного вателя до первого 19 и импульса от первого 19 и второго 20 второго 20 отражателей отражателей в электроакустическом соответственно; преобразователе 18 возбуждаются два Ск - контрольное значение эхо-сигнала (фиг. 2 к ) . Временной ин- ю скорости звука из задантервал между эхо-сигналами определяного диапазона измереется расстоянием L между отражателяний. ми 19 и 20 (акустической базой) и На выходе счетчика 23 формируются скоростью С распределения ультразвука в исследуемой среде. Полученные 15 два прямоугольных импульса (фиг, 2 з ) , временные положения которых соответэхо-сигналы поступают на вход ограниствуют временным положениям эхо-сигначителя 6. лов, получаемых с электроакустическоВ режиме "Контроль" на первый упго преобразователя 18 в режиме "Измеравляющий вход второго коммутатора 26 и вход генератора 22 опорных им20 рение" при скорости звука С* в исследуемой среде. пульсов с выхода блока 28 формироваИмпульсы с выхода счетчика 2^ потеля командньк сигналов через линию ступают на вход формирователя 24 ими13 связи поступает сигнал (фиг. 2д) , тирующих эхо-сигналов. Последний мосоответствующий уровню логической жет быть выполнен из последовательно единицы. При -этом генератор 22 опор- 25 соединенных резистора и катушки инпых импульсов переводится в режим г е дуктивности. Значения сопротивления нерации и на его выходе формируется и индуктивности этих элементов выбипоследовательность(фиг. 2ж) прямораются такими, чтобы колебательная угольных импульсов опорной частоты F Q n , а второй коммутатор 26 устанав- ^о система, образующаяся при подключении формирователя 24 к электроакустиливается в одно из двух положений, ческому преобразователю 18, обеспечиопределяемое сигналом (фиг, 2б) с вала при ее возбуждении импульсами с первого выхода распределителя 4 имвыхода счетчика 23 формирование на пульсов. При наличии импульса на ' входе ограничителя 6 имитирующих этом выходе второй коммутатор 26 у с танавливается в положение, при к о т о - 35 эхо-сигналов с характеристиками, близкими к характеристикам эхо-сигналов^ ром параллельно выходу генератора 5 получаемых на электроакустическом возбуждающих импульсов подключается преобразователе 18 при отражении зонрезистор 27, шунтирующий электроакустический преобразователь 18, с целью - дирующего импульса от отражателей 19 и 20. предотвращения излучения им в режиме "Контроль" зондирующего акустического Импульсы (фиг. 2и) с выхода формисигнала и как следствие, исключения рователя 24 поступают на первый инфорвлияния отраженных акустических эхомационный вход второго коммутатора сигналов на работу измерителя в этом 26, который по спаду импульса режиме. (фиг. 2б) с выхода распределителя 4 По фронту импульса (фиг. 26) с импульсов отключает резистор 27 и первого выхода распределителя 4 имподключает выход формирователя 24 к пульсов одновибратор 25 формирует ковходу ограничителя 6. Таким образом, роткий отрицательный импульс (фиг. 2е 1,„ в режиме "Контроль" на вход ограничипоступающий на вход установки счетчителя 6 поступает два электрических ка 23 и определяющий начало цикла импульса (фиг. 2 к ) , имитирующих эхоформирования имитирующих эхо-сигналов. сигналы. На счетный вход счетчика 23 поступает сигнал (фиг. 2ж) опорной частоты F o n -5 Последующее преобразование сигнас выхода генератора 22 опорных имлов, поступающих на вход ограничитепульсов. Коэффициент m пересчета с ч е т ля 6, не зависит от режима работы и з чика устанавливается таким, чтобы вымерителя и осуществляется следующим полнялось соотношение образом. 7 14657 15 где Сигналы с в хода ограничителя 6, предотвращающею перегрузку входа усилителя 7 в момент формирования возбуждающего импульса (фиг. 2 к ) , с(б) усиливаются усилителем 7 и поступают на информационный вход компаратора 8, стробируемого импульсом (фиг. 2л) с первого выхода дешифратора 15. Длительность стробирующего импульса обе~ір ?с, . спечивает формирование сигналов (фиг. 2м) на выходе компаратора 8 только во время приема первого и в т о рого эхо-сигкалов в режиме "Измерен и е " или первого и второго импульсов, 15 имитирующих эхо-сигналы, в режиме "Контроль". Помехозащищенность компаратора 8 обеспечивается выбором в е л и чины напряжения на его опорном входе (не п о к а з а н ) , заведомо превышающей 20 уровень шумов. Последовательности прямоугольных импульсов (фиг о 2м) с выхода компаратора 8 поступают на S-вход первого RS-триггера 9. По фронту первого им- 25 пульса первой импульсной последовательности первый RS-триггер 9 у с т а н а в ливается в состояние логической є ІИницы (фиг. 2о).Бозвргденне выхода п е р вого RS-триггера 9 в состояние л о г и - ю ческого нуля происходит по фронту с и г нала {фиг. 2 н ) , поступающего на Rвход этого триггера с второго выхода дешифратора 15. Временное положение этого сигнала (фиг. 2н) определяется импульсами (фиг. 2в) с второго выхода 35 распределителя 4 импульсов и последовательностью импульсов (фиг. 2а) с частотой п с выхода делителя 3 ч а «„, период сигнала (фиг. 2а) на выходе делителя 3 часто ты; время прохождения ультраззукового колебания между первым 19 и вторым 20 отражателями (на базовом расстоянии L) ; время прохождения ультразвукового колебания между электроакустическим преобразователем 18 и первым отражателем 19 (на расстоянии Lт ) ; задержка при передаче между моментами запуска генератора 5 возбуждающих импульсов и излучением акустического импульса электроакустическим преобразователем 18; задержка при приеме между моментом прихода отраженного акустического сигнала, возбуждающего электроакустический преобразователь 18 и моментом срабатывания первого RS-триггера 9; задержка в волноводе (не ' показан )электроакустического преобразователя 18, в режиме "Контроль *у "IV.= 40 8 " 2,5 Т w - ( (4) 2mTor, + (5) стоты, поступающих соответственно на L где i! W ) ^Ф » V ~ задержки в одвторой и четвертый входы дешифратора д» новибраторе 25, счетчике 15. Аналогично на выходе первого RS23, формирователе 24 и втотриггера 9 формируется импульс ром коммутаторе 26 соответ(фиг. 2 о ) , соответствующий второй 45 ственно; импульсной последовательности C-JCT~ длительность импульса (фиг. 2м) на S-входе данного т р и г г е (фиг. 2е) установки счетчир а . Длительности первого D, и второка 2 3 , формируемого одновиго 0,2 импульсов (фиг. Зо) на выходе братором 25; первого RS-триггера 9 определяют в р е - 50 Т. о п - период следования импульсов мя интегрирования интегратора И и на выходе генератора 22 соответствуют выражениям: >, опорных импульсов. в режиме "Измерение" Пары импульсов с первого RS-триггера 9 (фиг. 2о) поступает на управГ 1.5 Т н - (2 ляющий вход первого коммутатора 10. (2) Информационный вход первого коммутатора 10 соединен с выходом второго RS-триггера 16, уровень сигнала на (3) 9 , ' 14657 15 Ю котором (фиг. 2п) определяет направпение в установившемся режиме следуление интегрирования интегратора I 1 . ющих равенств: Уровень сигнала на выходе второго в режиме "Измерение" ,„ RS-триггера )6 соответствует логической единице в течение времени меж(8) ду Фронтом импульса с первого выхода (фиг. 2б) распределителя 4 импульсов в режиме "Контроль" и фронтом первого импульса (фиг. 2н) с второго выхода дешифратора 15 и л о - ю (9) гическому нулю в остальное время цикл а , что, как следует из временных д и в режиме "Измерение" с учетом т о аграмм, определяет формирование на г о , ч то входе интегратора П (выходе первого коммутатора 10) пары импульсов 15 2 L (фиг. 2р) - импульса положительной полярности длительностью ьТ|1 в режиме "Измерение" или Г1к в режиме "Контроль" н импульса отрицательной по20 лярности длительностью или 1и для соответствующего режима. Величина приращения напряжения на выходе интегратора 11 (фиг. 2с) после окончания цикла заряд - разряд пропорциональна в режиме "Измерение" раз-25 разности длительностей ?, и и С^ц, определяемых выражениями (2) и ( 3 ) , а в режиме "Контроль" - разности длительностей Ли и £ г к , определяемых выражениями (4) и ( 5 ) . Напряжение с 30 выхода интегратора 11 через синхронный фильтр 12, управляемый стробирующим сигналом (фиг. 2л) с первого выхода дешифратора 15, поступает на управляющий вход управляемого генерато- 3 5 ра 1 (Фиг. Зтп). Приращение частоты выходного сигнала управляемого генератора 1 п р о порционально входному напряжению на его управляющем входе, т . е . пропорци- 40 онально в режиме "Измерение" разности длительностей 2W и ?,2Н , к о т о рая, как следует из выражений (2) и ( 3 ) , равна (10) т 1 и п (П) -в г см из выражения (8) следует, что частота выходного сигнала управляемого генератора 1 пС 02) 2 Ь и при определенных длине измерительной базы L и значении коэффициента деления делителя 3 частоты о п ределяется только скоростью распространения звука в исследуемой среде и не зависит от паразитных задержек в электронно-акустическом канале измерителя . В режиме "Контроль" из выражений (9) и (11) следует, что частота выходного сигнала управляемого генератора I m оз) и при определенных значениях коэффициентов п и т определяется только п е * периодом Т оп следования импульсов выходного сигнала генератора 22, 45 Частотный сигнал с выхода управ= о — Т (6) М ' "in ляемого генератора Ї через линию с в я зи поступает на регистратор 14. а в режиме "Контроль" - разности Для осуществления контроля харакдлительностей ?І1С и ї^ к , которая, как теристики преобразования электронного следует из выражения (4) и ( 5 ) , р а в н а ; ^ тракта измерителя скорости звука с допустимой погрешностью 6 С д on значение L Нк iv. - nil о г, - І u \/ ; относительной нестабильности сГьгвы- , и не зависит от паразитных задержек ходкого сигнала генератора 22 опорв электронно-акустическом канале и з ных импульсов, как следует из выражемерителя # определяющих погрешность 55 ний (8) - (10) должно удовлетворять измерения или контроля скорости звутребованию ка. Функционирование замкнутой автома04) тической системы направлено на выпол I! ! 2 U65715 позволяет в процессе измерений проТак, при допустимом значении 7 водить оп ера тивный к он троль с таЙСлоп = 3-Ю~ мс"'н значении С , = r может быть обеспечено зультатов измерения, он снабжен имиприменением в генераторе 22 кварцевотатором эхо-сигналов, выполненным из го резонатора типа РК 170КВ-14ВП, для которого