Результат интеллектуальной деятельности: АКУСТИЧЕСКИЙ БЛОК УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к технике измерения уровня жидких и сыпучих веществ или измерения расхода вещества и других параметров, определение которых производится на основе измерения расстояния путем эхолокации через газовую среду.

Известен акустический блок ультразвукового измерительного устройства, содержащий звуковод, выполненный в виде трубы, внутри которого на его верхнем конце жестко закреплен электроакустический преобразователь, обращенный с помощью звуковода излучающей поверхностью к поверхности контролируемой среды, находящейся в резервуаре, соединительный узел, жестко соединяющий звуковод с резервуаром [1].

Наиболее близким к заявленному изобретению является акустический блок с упомянутыми выше признаками, в том варианте, в котором в нижней части звуковода на пути ультразвуковых колебаний установлено реперное кольцо, формирующее отраженный ультразвуковой сигнал, используемый для определения скорости распространения ультразвуковых колебаний [1].

Недостатком упомянутых устройств является то, что вокруг электроакустического преобразователя образуется замкнутый объем газа над контролируемой средой, ограниченный звуководом. Более легкие фракции газа имеют свойства скапливаться в этом объеме и создавать газовый состав с отличной от внешней среды скоростью звука.

Кроме того, при возникновении разницы температур между внешней средой и средой внутри звуковода скорость звука также различна. Например, при воздействии на акустический блок прямого солнечного излучения разница температур внутри и вне звуковода может достигать более десяти градусов. Наличие внутри звуковода звукопоглощающего материала дополнительно усугубляет этот фактор, так как этот материал имеет также теплоизоляционные свойства.

Совокупность указанных выше факторов приводит к искаженному определению текущего значения скорости звука и может вносить существенную дополнительную погрешность в измерения, а также приводит к инерционности устройства, мешающей регистрировать относительно быстрые изменения газового состава окружающей среды.

Одновременно, следует отметить, что для повышения точности определения скорости ультразвука реперный отражатель должен быть расположен на значительном расстоянии от электроакустического преобразователя в дальней зоне излучения, т.е. уменьшение длины участка, на котором определяется скорость, нежелательно. В упомянутом блоке [1] реперное кольцо закреплено в нижней части звуковода, поэтому длина звуковода в данной конструкции не может быть уменьшена.

Задачей данного изобретения является повышение точности и стабильности измерений при изменениях газового состава и температуры окружающей среды при одновременной возможности уменьшения массогабаритных показателей изделия.

Для решения поставленной задачи предложен акустический блок ультразвукового измерительного устройства, содержащий звуковод, представляющий собой участок трубы, внутри звуковода на его верхнем конце жестко закреплен электроакустический преобразователь, обращенный излучающей поверхностью к поверхности контролируемой среды, находящейся в резервуаре, и соединительный узел, жестко связанный с резервуаром, при этом звуковод выполнен укороченным, а в нижней части звуковода закреплены держатели, к нижним концам которых прикреплен реперный отражатель. Минимальная длина укороченного звуковода определяется исходя из требуемой диаграммы направленности излучения акустического блока, например длина и диаметр звуковода выбираются таким образом, чтобы нижний край звуковода ограничивал основной лепесток диаграммы направленности электроакустического преобразователя на уровне 0,5 от максимума излучения.

Предлагается реперный отражатель выполнить в форме цилиндра с диаметром, превышающим длину волны излучения электроакустического преобразователя.

Предлагается в верхней части звуковода выполнить отверстия для формирования конвекции газовой среды.

Предлагается также ввести в конструкцию блока гибкий подвес, один из концов которого подсоединен с помощью соединительного узла к резервуару с контролируемой средой, а другим концом соединен снаружи звуковода с его верхним концом так, что обеспечивается неизменность вертикального положения звуковода.

Работа устройства поясняется с помощью фиг.1, 2.

Акустический блок ультразвукового измерительного устройства (фиг.1) состоит из звуковода 1, представляющего собой участок трубы, внутри звуковода на его верхнем конце жестко закреплен электроакустический преобразователь 2, обращенный излучающей поверхностью к поверхности контролируемой среды, находящейся в резервуаре 3. В нижней части звуковода закреплены держатели 4 и реперный отражатель 5, соединительный узел 6, жестко связанный с резервуаром 3.

Работа устройства по обобщенной схеме (см. фиг.1) происходит следующим образом.

Электрические импульсы, поступающие от ультразвукового измерительного устройства на электроакустический преобразователь 2, преобразуются в ультразвуковые колебания, которые вдоль звуковода 1 распространяются в направлении границы раздела со средой, уровень которой контролируется. Ультразвуковые колебания отражаются от реперного отражателя 5 и границы раздела сред и под неизменным углом поступают обратно на электроакустический преобразователь 2, где происходит обратное преобразование ультразвуковых колебаний в электрический приемный сигнал. При реперном отражателе с цилиндрической формой происходит исключение многократных переотражений от репера, попадающих в зону измерений и являющихся помехой.

Длина звуковода выбирается исходя из требуемой диаграммы направленности акустического блока, то есть системы электроакустический преобразователь - звуковод. Например, для сужения диаграммы направленности электроакустического преобразователя с частотой излучения f и радиусом излучающей поверхности r в среде со скоростью ультразвука С, без увеличения габаритов электроакустического преобразователя, длина и диаметр звуковода выбираются таким образом, чтобы нижний край звуковода ограничивал основной лепесток диаграммы направленности электроакустического преобразователя на уровне 0,5 от максимума излучения.. Как известно [2], диаграмма направленности R в зависимости от угла θ относительно акустической оси круглого поршневого излучателя определяется формулой

где J1 - цилиндрическая функция Бесселя первого порядка.

Таким образом, в вышеприведенном примере угол θ определяется из уравнения

а длина звуковода h с диаметром d определяется геометрически выражением

Расстояние до контролируемой поверхности определяется по известной формуле:

где Т - время задержки принятого, отраженного от границы раздела сред импульса относительно излученного; С - скорость ультразвука в газовой среде.

Скорость ультразвука в газовой среде определяется по времени прихода сигнала от реперного отражателя 5 и вычисляется по формуле

где Tr - время задержки сигнала от реперного отражателя; Dr - дистанция, на которой расположен реперный отражатель.

Соединительный узел 6 служит для крепления акустического блока на резервуаре 3 и монтажа электрической линии связи акустического и измерительного блоков.

На фиг.2 иллюстрируется вариант исполнения соединительного узла с применением подвеса 7, один из концов которого подсоединен с помощью соединительного узла к резервуару с контролируемой средой, а другим концом соединен снаружи звуковода с его верхним концом так, что обеспечивается неизменность вертикального положения звуковода. При этом перпендикулярность распространения колебаний границе раздела обеспечивается при помощи гибкого подвеса за счет действия силы тяжести [3]. Это обеспечивает автоматическую юстировку системы, что позволяет на больших дистанциях увеличить амплитуду приемного сигнала в 1,5-2 раза.

Для обеспечения неизменности вертикального положения звуковода крепление подвеса должно осуществляться на вертикальной оси, проходящей через центр тяжести узла звуковод - электроакустический преобразователь.

Кроме того, для обеспечения возможности сохранения вертикального положения звуковод и подвес должны иметь свободный ход в горизонтальной плоскости в пределах возможных отклонений.

Таким образом, благодаря конструкции акустического блока с составным звуководом с держателями и введенным подвесом сохраняется точность и стабильность показаний при изменении газового состава среды и воздействии факторов, приводящих к механическим деформациям резервуаров.

Для обеспечения конвекции газообразной среды предлагается в конструкцию звуковода 1 включить отверстия 8 (фиг.2), равномерно распределенные по поверхности отрезка трубы. Это позволяет добиться однородности среды внутри и вне звуковода.

Эксперимент показал значительное улучшение метрологических характеристик устройства при эксплуатации на объектах установленных на открытом воздухе под воздействием прямого солнечного излучения.

Литература

1. Акустический блок ультразвукового измерительного устройства №2225082.

2. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1980.

3. Акустический блок ультразвукового измерительного устройства. Заявка №2005135488/28 (039657).