Ультразвуковое устройство для измерения физических параметров веществ

Ультразвуковое устройство для измерения физических параметров веществ

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к средствам акустического неразрушающего контроля. Целью изобретения является расширение области применения и повышение чувствительности, благодаря обеспечению возможности работы с горячими веществами при высоком соотношении сигнал/шум вследствие измерения коэффициента отражения продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний и выбору особым образом материалов и размеров звукопровода и пьезопластин. Пьезопластина 1 возбуждает в твердом звукопроводе 3 импульсы продольных УЗ-колебаний и принимает нормально отраженные эхо-импульсы поверхностью 12, граничащей с воздухом, и поверхностью 11, граничащей с исследуемым веществом 18. По соотношению амплитуд этих эхо-импульсов, отраженных равными по площади поверхностями 11 и 12, определяют коэффициент отражения под прямым углом. Пьезопластина 2 возбуждает в звукопроводе 3 импульсы продольных УЗ-колебаний, распространяющиеся под непрямым углом к поверхностям 11 и 12 и подающие после отражения на пьезопластину 1 под таким углом, что в ней возбуждается нулевая мода волны Лэмба. По соотношению амплитуд этих отраженных импульсов определяют коэффициент отражения под непрямым углом, а с помощью найденных коэффициентов - физические параметры вещества. 2 ил.

СОЮЗ 00ВЕТСННХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

А1 (g1> g "- О! N 29/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HGMHTET

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГГИЯМ

ПРИ ГННТ CCCP (2 ) 4393326/25-28 (22) 28,01.88 (46) 30,08.89. Бюл. Р 32 (71) Каунасский политехнический институт км. Антанаса Снечкуса (72) I.Â: Юозанене и С.Й. Саяускас (53) 620 . 179 . 16 (088 . 8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р,00290 I, кл. C О! М 29/00, 1981.

Авторское свидетельство СССР

М 1100559, кл. G 01 N 29/00, !982. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО пЛЯ

ИЗКЕРВ1РЯ Фт" ЗИКГ С!61: ПАРА 1ВТРОВ В цВСТВ (57) Изобретение относится к средствам акусти" еского неразрушаюшего контроля. Целью изобретения является расширение области применения и повышение чувствительности благодаря обеспечению возможности работы с горячими веществами при высоком соотношении сигнал/шум вследствие измерения коэффициента отражения продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний и выбору особым образам материалов и

„„SU„„1504606 размероь звукопровода и пьезопластин.

Пьезопластина 1 возбуждает в твердом звукоправоде 3 импульсы продольных

УЗ-колебаний ч принимает нормально отраженные эхо-импульсы поверхностью

12, граничащей с воздухом, и поверхностью 11, граничащей с исследуемым веществом 18. По соотношению амплчтуд этих эхо-импульсов, отраженных равньзгк по плошади поверхностями

11 и 12, определяют коэффициент отраженкя под прямым углам, Пьезоплас—

",èíà 2 возбуг:ает в звукопроваде 3 импульсы прадольнь.х УЗ-колебаний, -, аспространяющиеся пад непрямым углам к поверхностям 11к 12 и падающие после отражения на пьезопластину 1 под таким углом, чта в ней возбуждается нулевая мода волны

Лэмба. По соотношению амплитуд этих отраженных кмпульсав определяют коэффициент отражения пад непрямым углом, а с помощью найденных коэффициентов — физкческие параметры вещества. 2 ил.

3 1504606

Изобретение относится к средствам акустического нераэрушающего контроля и может быть использовано для измерения физических параметров веществ например жидких или газообразных веществ.

Целью изобретения является расширение области применения за счет обеспечения воэможности работы уст- 10 ройства в контакте с горячими веществами и повышение чувствительности

sa счет использования продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний, возбуждающих в приемной пьеэопластине 15 волны Лэмба, в результате чего обеспечивается высокое соотношение сигнал! шум.

На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг.2 вид А ка фиг. 1. 20

УЗ-устройство для измерения физических параметров веществ содержит первую и вторую пьеэопластины 1 и 2 соответственно, твердый звукопровод

3 и связанный с пьезопластинами 1 и

2 генератор 4 импульсов. УЗ-устройство содержит также подключенные к первой пьезопластине 1 последовательно соединенные первый селектор 5 импульсов, первый усилитель 6 и 30 первый измеритель 7 отношения напряжений. Второй вход первого измерителя 7 отношения напряжений соединен с вторым выходом первого селектора 5 импульсов. Кроме того, УЗ устройство содержит подключенные к

V первой пьезопластике 1 последовательно соединенные второй селектор

8 импульсов, второй усилитель 9 и второй измеритель 10 отношения на- щ0 пряжений. Второй вход второго измерителя 10 отношения напряжений соединен с вторым выходом второго селектора 8 импульсов. Твердый звукопровод 3 выполнен с двумя разновысотными45 отражающими параллельными поверхностями 11 и 12 и соединяющей эти поверхности перпендикулярно им плоскостью 13. Первая пьезопластина 1 установлена на поверхности эвукопровода 3 параллельно его отражающим поверхностям 11 и 12. Вторая пьезопластина установлена на поверхности звукопровода 3 под углом м, к отражающим поверхностям 11 и 12. Соединяющая плоскость 13 проходит через акустические оси пьезопластин 1 и 2.

Акустическая ось второй пьеэопластины 2 направлена в сторону пьеэопластикы 1. Площадь отражающей поверхности 11, дальней по стношекию к пьеэопластинам 1 и 2, равна площади отражающей поверхности 12, ближней по откошекию к пьезопластинам 1 и 2, Пьезопластины 1 и 2 установлены таким образом, что расстояния Х

Х от проекции центров соответству2 ющих пластин 1 и 2 на дальнюю отражающую поверхность 11 до вершины угла х,, образованного установочной плоскостью второй пьезопластины 2 и отражающей поверхностью 11, удовлетворяют условию

Х = (Х + S sin cosc ) /соз, (1) где Б — расстояние or установочной, плоскости первой пьеэопластины 1 до отражающей поверхности 11.

Размеры d < и d пьезопластик 1 и 2 в плоскости, совпадающей с соединяющей плоскостью 13 удовлетворяют условию

d — d„ /c os „ (2) Значение угля о or.ðåäåëÿåòñÿ из равенства оа = arcsin(CС,),,>

С вЂ” фаэовая скорость нулевой

0 моды волн Лэмба в первой пьеэопластине

Материал эвукопровода 3 выбирают таким образом, чтобы удовлетворялось условие

С С (4)

Позициями 14-17 обозначены УЗколебания различного направления распространения в звукопроводе 3, а позициеи,8 — исследуемое вещество, УЗ-устр: йство для измерения физических пар=.метров веществ работает следующим обр-зом.

Пьезопластины 1 и 2 выполнены, например, из материала LTC-19 на частоту 6 МГц (С = 2365 м/с), Для удовлетворения условия (4) звукопровод

3 выполнен, например, иэ фторопласта (С = 1348 м/с). На основании усло1 о ( вия (3) угол Ы выбран равным 34 44

При работе с пьезоплас.тиной 2, например, диаметром и = 30 мм в соответ ствии с условием (2) необходимо выбрать диаметр d, пьезопластикы 1 бо1504606

С! ()-Ч (Ь(1+V) à(1-V)Q — V С (1 +у ) (1 1,2 (1-Vc ) p b (1+V) -a (1-V)J s in()(, (} = з (1+Vo) (Ь(1+Ъ )-а(1-Ч)1 sin ()(. (1-Ч ) jb (1+V) -a(1-V)) гР г С (1+Ъ ) -(, 1 V) г г + 1

1 (i Чо) Pb(1 I ) а(1 ЧД з.пс .

С () (1+Ч ) (1-V ) Pb(1+V) - (1 V)) г г г (1+V ) г (i U) а где а = 4o С sin () Сг -Сг sin @/C

С е! льшим или равным 36,5 мм. В ходе измерений устройство поверхностью 11 звукопровода 3 контактирует с исследуемым веществом 18. Генератор 4 им5 пульсов возбуждает одновременна пьезопластины 1 и 2.

Пьезопластина 1 излучает в звукапровод 3 импульсы продольных УЗ-ка— лебаний 14 и 15. Отраженнь(е ат поверхности 12 звукаправода 3, граничащей с воздухом, импульсы продольных колебаний 14 и отраженные ат поверхности 11 эвукапровада 3, граничащей с веществом 18, импульсы продольных колебаний 15 возвращаются к пьезо пластине 1 и трансформируются ею в

I электрические сигналы, которые подаются на вход селектора 5. На первом выходе селектора 5 выделяется 2(.) импульс, создаваемый колебаниями 16, и через усилитель 6 подается на числительный вход измерителя 7. На втором выходе селектора 5 выделяется импульс, создаваемый колебаниями 25

14> и подается на знаменательный вход измерителя 7. Коэффициен", усиления усилителя 6 предв, .ритечьна устанавливают таким, чтобы при отсутствии ьещества 18 амплитуды импульсов, по- 30 даваемых на входы измерителя 7, были равны. В этом случае показания измерителя 7 отношения напряжений при акустическом контакте звукопровада

3 с веществам 18 равны коэффициенту

Ч отражения продольных УЗ-колебаний б ! падающих нормально на границу материал звукогровода 3 — исследуемое вещество 18.

Пьезапластина 2 также излучает 10 импульсы продольных УЗ-колебаний в

b = о (C — 2C2 sin2л!.}г)(СЗ соя,ь!) ! 1

V платность материала звукопровода 3;

С вЂ” скорость распространения по1 звукаправад 3, которые падают на поверхности 1 1 и 13 пад углам(,., отражаются и IIàäàþò на пьезопластину 1, вазауждая г ней волны Лэмба нулевой моды. Илпульсы продольных колебаний )б отражаются от ближней поверхности 12, а импульсы продольных колебаний 17 — a) дальней поверхности 11.

Вазбужденнь1е отраженными калебаниямиьалны Лэмба трансформируются пьезопластиной 1 г. электрические сигналы, которь.е подаются на вход селектора 8.

Ва первом выходе селектора 8 выделяется-;импульс, создаваемый колебаниями 17, и через усилитель 9 подается на числительнь)й вход измерителя 10, Ва втором выходе селектора 5 выделя— ется импульс, создаваемый колебания)и 16, и падается на знаменательный вход измерителя 10. Коэффициент усиления усилителя 9 предварительно устанавливается таким, чтобы при отсутс-.вии вещества 118 амплитуды импульсов, подаваемых на входь) измерителя 10, были равны. В этом случае показания измерителя 10 отношения напряжений при акустическам контакте звукопровада 3 с ветествам 18 равны коэффициенту (отражения продольных УЗ-колебаний. палаюших пад уггам (х . на границу материал звукопровада 3 исследуемое вещество 18.

По найденным значениям коэффициентов отражения 7 и V определяют скорость С распространения продольных

УЗ-колебаний в исследуемом веществе

i8, его платность и ега коэффициент )г адиабатической сжимаемости

), а( из следуюпр х формул: перечных УЗ-колебаний в материале звукоправаца 3.

1504606

Использование при измерениях продольных УЗ-колебаний, имеющих меньший коэффициент поглощения относительно поперечных УЗ-колебаний, поз. воляет использовать звукопровод больших размеров и такой формы с наружной стороны, чтобы была возможность охлаждать пьезопластины при измерении параметров веществ, нахо- 1О дящихся в условиях высокой температуры. Поддерживая постоянной температуру звукопровода в зоне установки пьезопластин, обеспечивают постоянство угла падения на первую пьезо- f5 пластину, в которой возбуждаются волны Лэмба. В участке звукопровода, находящемся в условиях постепенного повышения температуры, происходит изменение направления волнового пучка, 2О однако после отражения на отражающих поверхностях при возвращении его в обратном направлении это изменение направления распространения происходит таким образом, что к первой 25 пьезопластине волновой пучок приходит пон таким же углом Q при котором возбуждаются волны Лэмба, При этом происходит смещение пучка волн и поэтому в условиях больших температурных перепадов необходимо использовать пьезопластину больших размеров. формула изобретения

Ультразвуковое устройство для измерения физических параметров веществ, содержащее две пьезапластины, твердый звукопровод с двумя разновы-. сотными отражающими параллельными поверхностями, генератор импульсов, связанный с пьезопластинами, подключенные к первой пьезопластине последовательно соединенные первые селектор импульсов, усилитель и измеритель отношения напряжений, второй вход которого соединен с вторым выходом первого селектора импульсов, и последовательно соединенные вторые селекI тор импульсов, усилитель и измери50 тель отношения напряжений, второи вход которого соединен с вторым выгде С

С, С,;

d > d /coseL

+S sin ccsg /с os, 0 скорость распространения продольных колебаний в материале звукопровода; фазовая скорость нулевой моды волн Лэмба в первой пьезопластине размер первой пьезопластины в соединяющей отражаюцде поверхности плоскости; размер второй пьезопластины в соединяющей отражающие поверхности плоскости; расстояние от вершины угла

Ы для проекции центра первой пьезопластины на дальнюю отражающую поверхность; расстояние от вершины угла до проекции центра второй пъезопластины на дальнюю отражающую поверхность; расстояние от установочной плоскости первой пьезопластины до дальней отражающей поверхности ходом второго селектора, первая пьезопластина установлена на поверхности звукопровода параллельно его отражающим поверхностям, соединяющая отражающие поверхности плоскость перпендикулярна им и проходит через акустическую ось первой пьезопластины,отличающееся тем, что, с целью расширения области применения Й повышения чувствительности, вторая пьезопластина установлена на поверхности звукопровода под углом д к отражающим поверхностям так, что ее акустическая ось направлена в сторону первой пьезопластины и лежит в плоскости, соединяющей отражающие поверхности, плошади отражающих поверхностей равны, а материалы и геометрические размеры звукопровода и пьезопластин выбраны из условий

М = arcszn(CС>

1504606

Составитель С. Волков

Техред H.Äèäûê Корректор Т.Малец

Редактор И. Рыбченко

Заказ 5247/46 Тираж 789 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101