Электронно-измерительная схема

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Nbsp; Компенсационный импульсно-фазовый метод вариации частоты фиксированной акустической базы основан на принципе импульсного интерферометра с электрической интерференцией двух когерентных волн - акустического радиоимпульса и опорного синусоидального напряжения. Условие когерентности частоты заполнения акустического радиоимпульса и опорного синусоидального напряжения обеспечивается тем, что зондирующий радиоимпульс и опорное напряжение формируются на выходе одного и того же высокочастотного генератора, что делает возможным фазовую компенсацию интерферирующих сигналов. Сущность метода заключается в обеспечении режима фазовой компенсации интерферирующих волн, то есть равенства нулю амплитуд суммарного сигнала и поддержания компенсации в процессе измерения акустических параметров и , как функции изменения - параметров состояния исследуемой среды. Полная фазовая компенсация акустического радиоимпульса и опорного синусоидального напряжения достигается при условии равенства их амплитуд и сдвига по фазе на 180°. Изменение амплитуды и фазы акустического импульса, вследствие изменения коэффициента поглощения и скорости распространения ультразвуковых волн в исследуемой среде вызывает изменение амплитуды суммарного сигнала. Перестраивая несущую частоту ВЧ-генератора и изменяя амплитуду акустического радиоимпульса, устанавливаетсяновое условие фазовой компенсации акустического и опорного сигналов. Изменение амплитуды акустического радиоимпульса осуществляется изменением величины затухания, вносимого аттенюатором, включенного последовательно в цепь пьезоэлектрического излучателя ультразвуковых волн. Измерение скорости ультразвуковых волн при изменении - параметров состояния исследуемой среды сводится при этом к измерению изменения несущей частоты задающего генератора , которое измеряется электронным частотомером с высокой точностью или путем подсчета числа интерференционных минимумов (или максимумов) при фиксированной частоте. Рассмотрим подробнее процесс установления режима фазовой компенсации акустического и опорного сигналов. Импульсно-модулированное высокочастотное синусоидальное напряжение на выходе пьезоприемника ультразвуковых волн, прошедших через исследуемую среду при выполнении условия (где - длительность акустического импульса, Т - период ультразвуковой волны), можно считать непрерывным и выразить уравнением: (1) где - амплитуда акустического радиоимпульса, прошедшего через исследуемую среду, - амплитуда синусоидального напряжения несущей частоты ВЧ-генератора, - время задержки в звукопроводе акустической камеры, являющееся функцией Р , Т -параметров; - постоянный коэффициент, равный произведению коэффициентов преобразования пьезоэлектрических излучателя и приемника ультразвуковых волн и коэффициента усиления импульсного модулятора, - текущее время, - фазовый сдвиг в пьезопреобразователях, являющийся функцией несущей частоты, - постоянный фазовый сдвиг. Опорное синусоидальное напряжение на выходе ВЧ-генератора выразится известным уравнением для гармонических колебаний: (2) где - некоторый постоянный коэффициент, определяемый величиной сопротивления делителя, последовательно включенного в цепь канала опорного напряжения. Тогда, при равенстве амплитуд акустического и опорного сигналов уравнение для суммарного сигнала примет вид: (3) где - амплитуда акустического и опорного сигналов. Фазовая компенсация акустического и опорного сигналов, то есть равенство нулю амплитуды суммарного сигнала будет выполняться при условии: (4) где где - время задержки в исследуемом образце. Тогда условие фазовой компенсации примет вид: . (5) Время задержки в звукопроводах можно определить из условия: , или . (6) Решая совместно уравнения (6), получим . (7) Аналогично, находим и время задержки с исследуемым образцом . (8) Решая совместно уравнения (8), получим . (9) Тогда . (10) Тогда скорость в исследуемом образце определится: . (11)

Электронно-измерительная схема

Функциональная электронно-измерительная блок-схема акустической установки, реализующая метод импульсного интерферометра и компенсационный импульсно-фазовый метод вариации частоты показан на рис.3.6. Данная блок-схема позволяет одновременно проводить непрерывные измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн в исследуемых объектах, находящихся как в жидкой, так и в твердой стеклообразных фазах при высоких давлениях в диапазоне частот от 3 до 30 МГц. На рис. 3.7 приведены эпюры напряжений сигналов, поясняющие принцип работы электронной блок-схемы.

Принцип работы электронно-измерительной схемы следующий. С выхода ВЧ-генератора I (см.рис.3.6) непрерывное синусоидальное напряжение (см.рис.3.7а) частотой (где - период колебаний) , соответствующей одной из нечетных гармоник пьезоэлектрического излучателя и приемника ультразвуковых волн, подается на вход модулятора радиоимпульсов 2. На управляющий вход модулятора с выхода генератора импульсов 3 подаются прямоугольные строб-импульсы (см.рис.3.76) длительностью мкс и скважностью . Модулятор обеспечивает усиление и импульсную модуляцию непрерывных синусоидальных электрических колебаний. На выходе модулятора из непрерывных синусоидальных колебаний выделяется короткий зондирующий радиоимпульс - цуг волн (см.рис.3.7в) длительностью , который через аттенюатор 4 подается в акустическую камеру 5 (см.рис.3.6), на пьезоэлектрический излучатель , помещенный непосредственно в исследуемую среду. Пьезоизлучатель за счет электрострикционного эффекта преобразует электрические колебания в продольные механические колебания той же частоты, которые в виде пакета ультразвуковых волн нормально к плоскости пьезоизлучателя излучаются в исследуемую среду. Продольные колебания, распространяясь в исследуемой среде, образуют в зависимости от величины акустической базы "бегущую" или "стоячую" ультразвуковые волны. Пройдя через исследуемую среду, ультразвуковые волны нормально падают на боковую грань (см.рис.3.3) прямоугольного звукопровода - ультразвуковой линии задержки. На границе раздела двух сред (т.е. исследуемая среда и звукопровод) ультразвуковая волна частично отражается и проходит в звукопровод. В звукопроводе ультразвуковые волны, отразившись от и, распространяясь вдоль вертикальной оси волновода, нормально падают на верхнюю грань звукопровода. Длина звукопровода выбрана таковой, чтобы выполнялось условие:

, (3.31)

где - скорость распространения ультразвуковых волн в звукопроводе; - максимальная величина длительности акустического импульса.

Выполнение этого условия необходимо для предотвращения наложения заднего и переднего фронтов монотонно убывающих акустических эхо-импульсов (см.рис.3.7г), возникающих в результате многократных отражений проходящего акустического импульса от противоположных торцов звукопровода. Приемный пьезопреобразователь, закрепленный на верхнем поперечном торце звукопровода, за счет пьезоэлектрического эффекта преобразует механические колебания в электрические, которые через коаксиальный ВЧ-кабель поступают на вход частотно-избирательного усилителя 6. Усилитель 6 дополнительно снабжен управляющим входом и схемой импульсно-временного стробирования, обеспечивающей работу усилителя в режиме временного селектора.

Рис.3.6

Блок-схема электронно-измерительной системы акустической установки: 1 - генератор синусоидальных ВЧ-колебаний, 2 -модулятор, 3 - генератор прямоугольных импульсов, 4 - аттенюатор, 5 - акустическая камера, - пьезоэлектрический излучатель и приемник соответственно, 6 - усилитель, 7 - делитель, 8 - блок задержки, 9 - осциллограф, 10 – частотомер

Управляющие строб-импульсы (см.рис.3.76) длительностью поступают на управляющий вход усилителя 6 с выхода блока задержки прямоугольных импульсов 8, которые по времени следования и длительности совпадают с первым акустическим радиоимпульсом. На вход усилителя 6 через делитель 7 и выключатель "ВК" с выхода ВЧ-генератора I одновременно с акустическим радиоимпульсом подается непрерывное синусоидальное (опорное) напряжение. Контакты выключателя "ВК" замкнуты только в режиме измерения компенсационным импульсно-фазовым методом вариации частоты. На входе усилителя в зависимости от разности сдвига фаз происходит сложение ( ) или вычитание ( ) амплитуд когерентных акустического и опорного синусоидальных электрических колебаний. С выхода усилителя, усиленный по амплитуде, результирующий сигнал (см.рис.3.7е) подается на вход осциллографа 9. Селективный режим работы усилителя 6 позволяет наблюдать, на экране осциллографа только первый акустический радиоимпульс. Измерение частоты заполнения акустических импульсов осуществляется электронным частотомером 10, подключенным к выходу ВЧ-генератора I.

Рис.3.7

Эпюры напряжений сигналов в контрольных точках электронной блок-схемы: а) синусоидальное напряжение на выходе ВЧ-генератора, б) строб-импульс на управляющем входе модулятора, в) зондирующий радиоимпульс на пьезоизлучателе, г) акустические эхо-импульсы на выходе пьезоприемника, д) строб-импульс на управляющем входе усилителя, е) результирующий сигнал на выходе усилителя

В качестве применяемых в электронно-измерительной схеме генератора электрических синусоидальных ВЧ-колебаний (см.рис.3.6) используется серийный генератор сигналов типа Г4-18А; генератора прямоугольных импульсов 3 и блока задержки прямоугольных импульсов 8 - генераторы импульсом типа Г5-54; осциллографа 9 — высокочастотный осциллограф типа C1-78; частотомер 10 -электронно-цифровой частотомер типа Ф 5137.

В качестве формирователя зондирующих радиоимпульсов используется специально разработанный импульсный модулятор, снабженный электронным коммутатором напряжения. Модулятор выполнен в виде двухкаскадного резонансного усилителя мощности радиочастоты.

Предварительный каскад собран на пентоде 6Ж911. Оконечный каскад собран по двухтактной схеме на пентодах 6115П. В качестве резонансных элементов используются колебательные контуры, последовательно включенные в анодные цепи усилительных ламп. В качестве коммутатора напряжения используется полупроводниковый транзистор типа ГТЗ11И, последовательно включенный в цепь катодов выходных ламп оконечного каскада модулятора, по схеме с общим эмиттером. Импульсная работа модулятора осуществляется подачей управляющих прямоугольных импульсов положительной полярности на базу транзистора коммутатора напряжения.

В качестве частотно-избирательного усилителя радиочастоты 6 используется специально разработанный трехкаскадный усилитель резонансного типа, дополнительно снабженный управляющим входом и блоком импульсно-временного стробирования. В качестве усилительных элементов используются высокочастотные пентоды типа 6Ж9П, а в качестве резонансных элементов - колебательные контуры, включенные параллельно в цепи управляющих сеток усилительных ламп. Изменение резонансной частоты усилителя осуществляется заменой катушек индуктивности и подстройкой емкостей соответствующих колебательных контуров. Блок импульсно-временного стробирования образован коммутатором напряжения, выполненного на полупроводниковом транзисторе типа ГТ311И, последовательно включенного в цепь катода пентода первого каскада усиления, по схеме с общим эмиттером. Временная селекция осуществляется подачей управляющих прямоугольных импульсов положительной полярности на базу транзистора коммутатора напряжения.

Принципиальные электрические схемы импульсного модулятора 2 и усилителя радиочастот 6 заимствованы из работ [47,48].

В качестве аттенюатора 4 используется безиндуктивный резисторный делитель, обеспечивающий ступенчатое ослабление уровня высокочастотного сигнала на 70 дБ с шагом в 10 дБ и 1 дБ. Используемый аттенюатор позволяет плавно изменять уровень зондирующего радиоимпульса, не изменяя при этом фазы синусоидального напряжения, заполняющего радиоимпульс, при минимальных нелинейных искажениях в широком диапазоне частот. В качестве делителя опорного ВЧ-напряжения 7 используется обычный безиндуктивный потенциометр.

Порядок измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн методом импульсного интерферометра переменной акустической базы следующий. После установления в автоклаве рабочей температуры и давления, соответствующих жидкому состоянию исследуемого объекта, производится настройка электронно-измерительной схемы на заданную частоту . Величина акустической базы при этом устанавливается равной нулю. Длительность задержанного строб-импульса, поступающего на управляющий вход частотно-избирательного усилителя, устанавливается в пределах 50-100 мкс, а время задержки 10 мкс. Данная временная задержка управляющего строб-импульса необходима для подавления в усилительном тракте зондирующего радиоимпульса, обусловленного недостаточной экранировкой входных цепей приеме -усилительного тракта от выходного тракта модулятора. Выключатель "ВК" устанавливается в разомкнутое положение. При этом на экране осциллографа наблюдается проходящий через исследуемую среду и звукопровод акустический радиоимпульс, а также последовательность монотонно затухающих во времени радиоимпульсов, обусловленных многократным отражением акустических эхо-импульсов от внутренних торцов звукопровода. Величина затухания, вносимого аттенюатором, устанавливается такой, чтобы акустические радиоимпульсы, поступающие на вход резонансного усилителя радиочастоты с выхода пьезоприемника, соответствовали номинальному уровню входного сигнала, при котором усилитель радиочастоты работает в линейном режиме усиления.

)

Порядок изменения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн компенсационным импульсно-фазовым методом вариации частоты фиксированной акустической базы следующий. После установления в автоклаве заданной температуры и давления, соответствующих жидкому состоянию исследуемой среды, производится установка акустической базы до величины, соответствующей режиму "бегущей" волны. Затем, подбирая величину временной задержки и длительности управляющего строб-импульса на выходе резонансного усилителя 6, выделяется только первый акустический радиоимпульс. После этого цепь выключателя "ВК" замыкается и опорное синусоидальное напряжение с выхода ВЧ-генератора I через делитель 7 подается на вход резонансного усилителя 6. На выходе усилителя 6 выделяется результирующий радиоимпульс, амплитуда которого равна векторной сумме амплитуд когерентных волн - акустического радиоимпульса и опорного синусоидального напряжения. Перестраивая несущую частоту ВЧ-генератора и, изменяя амплитуду акустического радиоимпульса, устанавливается условие фазовой компенсации акустического и опорного сигнала. Полная фазовая компенсация достигается при условии равенства их амплитуд и сдвига по фазе на 180°. При этом на экране осциллографа наблюдается результирующий сигнал "нулевой" амплитуды. Численное значение частоты ВЧ-генератора, соответствующее минимуму результирующего сигнала, и величина затухания , вносимого аттенюатором 4, фиксируются. Затем, изменяя частоту ВЧ-генератора, фиксируются значения частот , соответствующие минимумам результирующего сигнала при различающихся на единицу значениях . На основании полученных данных по формуле (3.20) рассчитывается значение - числа периодов, соответствующих начальному значению величины суммарного времени задержки акустического импульса в звукопроводе и исследуемой среде. После этого устанавливается прежнее значение частоты и плавно изменяются Р или Т -параметры в автоклаве. Изменение Р, Т -параметров приводит к изменению амплитуды и фазы акустического радиоимпульса вследствие изменения скорости распространения и коэффициента поглощения исследуемой среды. Это приводит к нарушению фазовой компенсации акустического и опорного сигналов. Посредством изменения вариации частоты ВЧ-генератора I и величины затухания, вносимого аттенюатором 4, устанавливается новый режим фазовой компенсации. По мере изменения Р или Т -параметров режим фазовой компенсации периодически восстанавливается. При изменении частоты ВЧ-генератора на величину частота ВЧ-генератора изменяется в обратную сторону, до первоначального значения , а к величине прибавляется (при ) или вычитается (при ) единица, то есть . При достижении некоторых заданных величин Р или Т -параметров исследуемой среды, значения величин фиксируются, которые затем непосредственно используются для расчета по формулам (3.17) и (3.21), скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн в исследуемой среде.

3.5. Контрольные измерения и оценка погрешностей экспериментальных данных

Для оценки точности измерений скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн на описанной выше акустической установке был проведен теоретический анализ величины погрешности экспериментальных измерений, определяемой суммой систематической и случайной погрешностей.

Систематическая относительная погрешность измерений определяется погрешностями электроизмерительных и индикаторных при

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 186; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!