SE449665B - Forfarande och anordning for att bestemma ljudhastigheten i ett forenderligt medium, samt anvendning av forfarandet - Google Patents

Description

449 665 bringas mediumpelaren till resonans med mätröret genom att sättas i svängning med en reglerbar ljudfrekvens; vidare moduleras därefter den av en ljudmottagare mottagna resonanta utfrekvensen med en låg fre» kvens; sedan bildas medelvärdet av den modulerade utfrekvensen och där- efter räknas ett förutbestämt antal perioder, vars tidsförlopp mellan den första och den sista räknade perioden mäts och används för den ma~ g tematiska beräkningen av ljudhastigheten.

Experiment har visat, att särskilt för mätning av ljudhastighe- ten kring en måltavla den resonanta utfrekvensen moduleras med en 100 till 5000 gånger lägre frekvens och vidare att en startsignal för ine ledning av räkneförloppet bildas med lågfrekvenssignalen.

Det är vidare lämpligt om man räknar ett antal N pulser och se» dan genomför beräkningen av ljudhastigheten enligt formeln S=N- -è- (In/s) varvid Å är våglängden och t tiden mellan den första och den sista pul- sen (perioden).

Genom dessa åtgärder enligt uppfinningen är det nu möjligt att bestämma en godtyckligt föränderlig parameter i ett föränderligt medium med hjälp av den ständigt tillgängliga signalen, som är linjärt bunden till frekvensen eller ljudhastigheten.

En anordning enligt uppfinningen innefattar bl a ett mätrör med en mediumpelare, varvid en högtalare är anordnad framför och på förut- bestämt avstånd från mätrörets ena gavelsida och en ljuduppfångare bry- ter igencm rörets mantel på ett förutbestämt ställe, varvid mätröret, högtalaren och ljuduppfångaren bildar en omvandlare för frekvens till spänning i en kopplingsanordning för att alstra en mot ljudhastigheten i mediumpelaren proportionell utfrekvens, vilken anordning består av kopplingsdon för lågfrekvensmodulation av denna utfrekvens, kopplinge- don för att räkna ett förutbestämt antal perioder av utfrekvensen och kopplingsdon för att mäta tidsavståndet (t) mellan den första och den sista räknade perioden och att alstra en mot ljudhastigheten (s) i me- diumpelaren proportionell tidssignal.

Särskilt vid placering av anordningen enligt uppfinningen vid en måltavla för indikering av träffläget på detta mål kan anordningen lämpligen vara så utförd, att mätröret uppvisar en längd, som utgör en heltalsmultipel av :Ä/4; vidare är ljuduppfångarens avstånd från mätrö~_ rets mot högtalaren vända gavelände en heltalsmultipel av Å./4; och slutligen är högtalarens avstånd från den däremot vända gaveländen av mätröret en heltalsmultipel av Ä/4. 449 665 Därigenom ärdet möjligt att använda både förfarandet och anord- ningen enligt uppfinningen för att bestämma bl a ljudhastigheten i ett gasformigt medium; molvikten i en gasblandning, längden hos en vätska- pelare; mätning av förhållandet mellan beståndsdelarna i ett medium med känd sammansättning; mätning av temperaturen i ett medium med känd sam- mansättning; och liknande.

I det följande beskrivs i exempelform en utföringsform av anord- ningen enligt uppfinningen med hänvisning till bifogade ritning, där fig 1 visar en mätrörsanordning med en ljudtillförselanordning och en ljuduppfångare i schematisk framställning; fig 2 ett prinoipschema för den mätrörsanordningen enligt fig 1 innefattande kopplingsanordningen för att alstra en mot ljudhastigheten proportionell utsignal; fig 3 en grafisk framställning av pulsförloppet för att alstra en mot ljudhas~ tigheten proportionell tidssignal; och fig 4 i sehematisk framställning ett tillämpningsexempel av förfarandet enligt uppfinningen vid en mål- tavla med elektronisk träfflägesindikering.

Den i fig 1 visade mätrörsanordningen, som kan användas på god- tyckligt ställe, består av ett mätrör 1, en vid gaveln anordnad inlopps- öppning 2 och en tillsluten gavelände 5. Detta rör 1 sitter på en bära- re 4, lämpligen förskjutbart i längdriktningen. Vidare är en högtalare 5 anordnad på bäraren 4 framför inloppsöppningen 2. Därjämte finns det i rörets 1 mantel en ljuduppfångare i form av en mikrofon 6 insatt, vil- ken står i akustisk förbindelse med rörets 1 inre.

Det har befunnits, att goda mätresultat erhålles om mätröret har en längd på 5/4 Ä (fem fjärdedels lambda), om vidare mikrofonens 6 av- stånd från mätrörets tillslutna gavelände 3 uppgår till Å /2 (lambda halva) och likaså avståndet mellan högtalaren 5 och inloppsöppningen 2 i mätröret uppgår till Å /2 (lambda halva). Mätröret 1 kan exempelvis bestå av järn eller glas.

För olika tillämpningsomrâden kan emellertid särskilt avståndet mellan högtalare 5 och inloppsöppning 2 i mätröret 1 vara variabelt, så att högtalare och mätrör kan förskjutas inbördes.

Här skall nämnas, att mätröret även kan vara öppet i båda ändar eller förtäckt i båda ändar, återigen allt efter tillämpning, vilket man då bara ska ta hänsyn till i beräkningsformlerna, varvid särskilt rörets egenfrekvens ändrar sig.

Vid fallet med ett i båda ändar förtäckt mätrör 1 uppvisar detta in- och utloppsöppningar för det ifrågavarande mediet på sin mantelyta.

Den ovan beskrivna mätrörsanordningen sätts nu som en sorts om- vandlare 10 för frekvens till spänning in i en kopplingsanordning 100 449 665 för alstring av en mot ljudhastigheten proportionell utsignal enligt fig 2. Som redan framgår av exemplet på utföringsform av denna kopps lingsanordning, fungerar därvid hela systemet i huvudsak som frekvenles följare analogt med en spänningsföljare i operationsförstärkarteïnailren., 1 detalj erhåller emvsnalarena 10 högtalare 5 resp män-career» rangemanget via en signalomformare 11 en signal på 2,4 till 2,9 leds från en huvudgenerator 12, vars frekvens är proportionsll mot instyrspäne ningen.

Pâ ingångssidan styrs denna huvudgenerator 12 via en ledning 15 av en adderare 14, som addera: utspänningen från en integrator 15 ooh en modulationssignal på 4Hz från en 4Hz sinusgenerator 169 Ãterkopplíngen sker därvid över en multiplikator 17, som f1znge= rar som synkrondetektor. Denna multiplikator 17 får å ena sidan över en signalomformare 18 och ett fasvändarsteg 19 en 4Ez signal ooh å andra sidan över ett bandpassfilter 20, en likriktare 21 och en mikrofonfözfe stärkare 22 den av mätrörsarrangemangets 10 mikrofon 6 uppfångade sig» nalen.

Som vidare kan utläsas ur fig 2, tillförs både en frekvensutgàng 23 på huvudgeneratorn 12 och en 4Hz signal från fasvändarsteget '19 över ledningen 24 till en logikdel 25, på vars utgång 26a,b det uppträder en signal, som på det sätt som skall beskrivas närmare i det följande kan användas för den matematiska beräkningen av den i mediet inuti nzíalti-ëziet 1 rådande momentana ljudhastighetenfl.

Vid den ovan beskrivna kopplingsanordningen, som endast sku-ll ses som ett exempel, och som helt igenom kan vara uppbyggd på annat sätt, ska observeras, att integratorn 15 korrigerar sin utspänning 'till dose att medelvärdet för spänningen hos den som synkrondetektor fungerande multiplikatorn 17 är noll.

För förståelse av förloppen vid bestämcningen enligt uppfinningen av ljudhastigheten i luftpelaren i mätröret 1 hänvisas till nâgra fysi- kaliska grtmdsatser.

Enligt dessa erhålles egenfrekvensen fn för det i båda ändar för» täckta eller öppna mätröret 1 ur formeln fn=-å-:-§; n= 1,23 f (1) och för det i en ände öppna mätröret 1 ur formeln »w 449 665 fn=(n-%>¿;n=1,23 _ (e) varvid f är frekvensen i Hz; n är egenfrekvensens ordning (grundfre- kvens och övertoner);c ljudhastigheten 1 m/s; och $ mätrörets längd i m.

Vidare gäller för ljudhastigheten c i en gas följande formel: cefzäï' (In/Sh (5) där c är ljudhastigheten i m/s; R gaskonstanten i J/kMol°K; T den abso- luta temperaturen; 3' den adiabatiska exponenten; och M molvikten i kg/mol .

Vid mätröret gäller vidare _ _2_ . f-Å ,p (o varvid f är frekvensen, c ljudhastigheten och :Ä (lambda) våglängden.

Vidare gäller (idealiserat) Å=%n (m varvid.1Ä betecknar våglängden och E mätrörets längd.

För bestämning av ljudhastigheten i mätrörets 1 luftpelare, vil- ken är proportionell mot medelresonansfrekvensen, regleras frekvensen hos det ljud från högtalaren 5, för vilket luftpelaren utsattes, mot -svängningsmaximum i mätröret 1. Denna reglering tar ca 1 minut.

I denna avstämda krets matas sedan den med 4Hz modulerade signa- len in, resp moduleras den mot ljudhastigheten proportionella utfre-_ kvensen från omvandlaren med nämnda hjälpfrekvens på 4Hz resp med en 100 till 5000 gånger lägre frekvens.

Medelvärdet av denna modulerade utfrekvens använder man nu till tidmätningen, för att därur medelst beräkningar erhålla ljudhastighe- ten, på det sätt som närmare visas i fig 3. För detta ändamål tillförs logikdelen 25 en mätorder 39, varpå efter 4Hz-modulationens nollgenom- gång (kurva 40 i fig 3) nästa negativa flank hos huvud- resp_resonans- frekvensen (2,7 kHz) alstrar en startpuls 41 och, efter de förutbestäm- da 14 perioderna, alstrar den 14:e negativa flanken hos huvudfrekvensen en stoppuls 42, vilka pulser blir tillgängliga på logikdelens 25 utgång 16a resp 16b, varifrån de tillförs till en omvandlings-_och beräknings- enhet 31. Denna enhet 31 mäter tiden t mellan startpulsen och stoppulsen 449 665 och beräknar därur ljudhastigheten s enligt formeln s = 14- -è- (m/s) (e) varvid Ä är våglängden.

Som lätt inses tillåter således den ovan beskrivna anordningen kontinuerlig justering av resonansfrekvensen till följd av den föränder- liga luftpelaren i mätröret 1, vilken som regel motsvarar den omgivande luften. Som resultat därav ändrar sig på motsvarande sätt tidssignalen, med vilken man kontinuerligt även kan erhålla ett korrigerat värde på ljudhastigheten i det nämnda mediet.

Den primära uppfinningstanken ligger således i att följa de för- handenvarande resonansförhållandena i en mediumpelare genom anpassning av den frekvens med vilken pelaren sätts i svängning, d v s i kontinuer- lig avstämning av kretsen, för att på detta sätt få fram en mot ljudhas- tigheten proportionell tidssignal.

Med den kontinuerliga närvaron av en signal, som är linjärt bun- den till frekvensen eller ljudhastigheten, kan man således bestämma god- tyckliga föränderliga parametrar i ett föränderligt medium.

Vid sidan om angivande av ljudhastigheten i t ex luft kan man således också med det ovan beskrivna förfarandet bestämma molvikterna i en gasblandning om dennas sammansättning är känd. T ex kan man inom ra- men för miljöskydd mäta 02-andelen i vatten eller kvävehalten i av- loppsluft. Även andra kemiska analyser är tänkbara. 7 Om ljudhastigheten i mediet är känd kan man dessutom bestämma längden på en vätskepelare.

Vidare kan man med detta förfarande utan vidare utföra förhållan- de- och temperaturmätningar i medier med känd sammansättning.

Således finns det ett brett användningsspektrum för förfarandet enligt uppfinningen. ' Ett för sökanden viktigt tillämpningsområde utgörs av mätning av ljudhastigheten i luften kring en måltavla på det sätt som antydes vid en måltavla med elektronisk träfflägesindikering i fig 4.

Måltavlan enligt fig 4 består här av en skivanordning med ett underlag 53, som är fäst på en träram 52 och som uppbär den ifregel på- målade målbilden 51. I riktning bakåt ansluter sig till denna främre träram 52 träramen 54, som kringsluter mätkammaren. Så som antydes i tvärsnittet är mätkammarramen 54 invändigt försedd med ett värmeisole- rande skikt 55 och ett ljudabsorptionsskikt 56. Som framgår är mätkam- maren tillsluten framåt av en skiva 57 med en tjocklek på t ex 4 till

Claims (10)

? 449 ess 5 mm. Denna skiva består i allmänhet av flera skikt med en bärare av konstmaterial, ett invändigt ljudabsorberande skikt och.ett utvändigt ljudreflekterande skikt. Vidare är membranet tillslutet bakåt med en skiva 58 av samma slag som den främre skivan 57. Inuti mätkammaren, här på mätkammarramens 54 undre del, finns det tre akustiska kännare eller ljuduppfångare 60, 61 och 62, vilka via motsvarande förbindningsledningar 63 är förbundna med en förstärkare 64, som å sin sida är ansluten till omvandlings- och beräkningsenheten 51 via ledningen 65. På ramen 54 är vidare den ovan beskrivna mätrörsanordningen 10 enligt uppfinningen anordnad på lämpligt sätt. Den är på ovan beskrivet sätt förbunden över ledningar 5' och 6' med den ovan beskrivna kopp- lingsanordningen 100, som i sin tur är förbunden med logikdelen 25 via ledningarna 23 och 24. Logikdelen 25 är på det beskrivna sättet förbun- den med omvandlar- och beräkningsenheten 51 via signalledarna 26a och 2st. i Mätrörsanordningen 10 upptar nu det medium som finns i det inre av skivan, varvid sedan den momentana ljudhastigheten i skivans inre noga bestäms med förfarandet enligt uppfinningen, så att träffläget på måltavlan på känt sätt över ljuduppfångarna 60, 61 och 62 kan anges med största, hittills icke uppnådd noggrannhet. P a t e n t k r a v:

1. Förfarande för att bestämma ljudhastigheten i ett föränderligt medium, t ex luft, speciellt vid anordningar för elektronisk indikering av träffläge vid en måltavla, k ä n n e t e c k n a t av att en medi- umpelare bildas i ett mätrör; att därefter mediumpelaren genom att ut- sättas för ljud med reglerbar frekvens bringas till resonans med mätrö- ret; att därefter vidare den av en ljuduppfångare mottagna resonanta ut- frekvensen moduleras med en låg frekvens; och att vidare medelvärdet för den modulerade utfrekvensen bildas och sedan ett förutbestämt antal perioder räknas, varvid den förlupna tiden (t) mellan den första och den sista räknade perioden mäts och används för matematisk beräkning av ljudhastigheten.

2. Förfarande enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att den resonanta utfrekvensen moduleras med en 100 till 5000 gånger lägre frekvens.

3. Förfarande enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att man med lågfrekvenssignalen bildar en aktiveringssignal för in- 449 665 ledning av räkneförloppet.

4. Förfarande enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att ett antal N pulser räknas och sedan ljudhastigheten (s) beräknas ur formeln Å

5. S = N - -¶- (m/S) (6) _ 5. Anordning för att bestämma ljudhastigheten i ett föränderligt medium enligt något av kraven 1 till 4, k ä n n e t e o k n a d av ett för upptagning av en mediumpelare avsett mätrör (1), framför vars ena ände (2) en högtalare (5) är anordnad på förutbestämt avstånd och som på ett förutbestämt ställe genomgås av en ljuduppfångare (6), varvid mätröret (1), högtalaren (5) och ljuduppfångaren (6) bildar en omvand- lare (10) för frekvens till spänning i en kopplingsanordning (100) för alstring av en mot ljudhastigheten i mediumpelaren proportionell utfre- kvens (50), vilken består av kopplingsdon för lågfrekvensmodulation (40) av denna utfrekvens, kopplingsdon för räkning av ett förutbestämt antal perioder av utfrekvensen och kopplingsdon för mätning av tidsav- ståndet (t) mellan den första (41) och den sista (42) av de räknade pe- rioderna och för alstring av en mot ljudhastigheten i mediumpelaren proportionell tidssignal (fig 2 och 5). _

6. Anordning enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a d av att mätröret (1) uppvisar en längd på en heltalsmultipel av 1/4 lambda.

7. Anordning enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a d av att ljuduppfångarens (6) avstånd från den från högtalaren (5) vända änden (5) hos mätröret (1) uppgår till en heltalsmultipel av Ä/4.

8. Anordning enligt kravet 5, k ä n n e t e e k n a d av att högtalarens (5) avstånd från den däremot vända änden (2) av mätröret (1) uppgår till en heltalsmultipel av Ä,/4.

9. Användning av förfarandet enligt krav 1 för att bestämma ljudhastigheten i ett gasformigt medium.

10. Användning enligt krav 9, k ä n n e t e o k n a d av att den konstaterade ljudhastigheten i omrâdet för måltavlan anlitas för under-Salming av traffiäget (rig 4). u;