Устройство для измерения скорости ультразвука

Устройство для измерения скорости ультразвука

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Союз Советских

Социалистических

Республик г

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ о»746279 (61) Дополнительное к ввт. свид-ву— (22) ЗаЯвлено 2 11275 (21) 2302774/10 с присоединением заявки № (23) Приоритет

51)М. Кл.

G 01 N 29/OO

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий

Опубликовано 07,07.80. Бюллетень ¹25 (5Ç) УДК 5З4.6З2 (088.8) Дата опубликования описаиия07.07.80 (72) Авторы изобретения

П. П. Шабанов, В. П. Троценко, Б. A. Нищета и В. П. Столбоушкин

Трест Севертрубопроводстрой Главсибтрубопроводстроя

Миннефтегазстроя СССР (71) Заявитель (54) УСТРОКСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА

Изобретение относится к области . ультразвуковой техники и может быть применено для изучения физико-химических свойств различных материалов, находящихся в твердом или жидком состоянии, а именно для определения ,концентрации химических компонентов, плотности, удельного веса, вязкости, текучести исследуемых веществ, в качестве анализатора температурных характеристик и датчика параметров при различных технологических процессах, для измерения геометрических размеров, упругих констант твердых тел.

Наиболее эффективное применение изобретение найдет при измерении остаточных напряжений в металлах и металлических конструкциях беэ разрушения последних, например после сварки в тех случаях, когда поле остаточных напряжений имеет двухосный характер.

Известен прибор для измерения скорости ультразвука в твердых телах, основанный на частотно-импульсном методе определения времени распространения ультразвуковой волны. В таком приборе использован прин/ цип автоциркуляции, заключающийся в том, что генератор ультразвуковых импульсов переэапускается импульсом, прошедшим через измеряемую среду (1) .

Однако при установившейся частоте автоциркуляции и при ее достаточной стабильности данным прибором определяется "олько относительное изменение скорости прохождения ультразвука в момент измерения при воздействии на исследуемый объект внешних во змущен ий .

Известен также прибор для измерения скорости ультразвука в морской воде, построенный на принципе принудительной импульсной частотнофазовый синхронизации, использующей явление тождественности скорости ультразвука времени, необходимому для того, чтобы импульс ультразвука и его отражение прошли по строго установленной длине пути (2!.

Такой прибор пригоден для измерения скорости ультразвука в твердых телах, так как измерительное устройство может быть заполнено только жидкостью. Настройка же оптимального режима синхронизации ведется по зри746279 тельному индикатору, что приводит

В к большой погрешности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее генератор, соединенный с ультразвуковым преоб разователем, механически связанным с контролируемой средой и через электронный ключ с усилителем, блок ., автозапуска, связывающий генератор с усилителем, выход которого нагружен на детектор, соединенный с пересчетным блоком (3).

Недостатком этого устройства является наличие постоянной погрешности при определении скорости прохождения 15 ультразвука, связанной с неопределенМбстью амйлитуды детектируемйх в него импульсов пересчета.

Цель изобретения - повышение точности измерений.. 26

Цель достигается тем, что устройство снабжено дополнительным усилителем, блоками нез ави симой сежекции, автоматической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска и постоянного видеоконтроля, причем первый вход усилителя связан с вйходом электронного ключа, второй его вход связан с выходом блока авто-, матической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска, а выход этого ЗО усилителя нагружен на первый вход блока независимой селекции, второй вход которого связан с первым выходом пересчетного блока, первый выход блока независимой селекции на- 35 гружен параллельно на входа генератора и блока автоматической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска, а второй его выход связан с первым входом блока постоян-. 4Q ного видеоконтроля, второй вход которого соединен с вторым, выходом пересчетного блока, имеющим одновременную обратную связь .через линию задержки со своим же входом.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы электрических процессов.

Устройство, содержит генератор 1, ультразвуковой преобразователь 2, механически связанный с контролйруе- ® мой средой 3, электронный ключ 4, усилитель 5, детектор 6, перес етный блок 7, имеющий обратную связь через линию задержки 8 со своим же входом, и блок автозапуска 9, свя- 55 зывающий усилитель 5 с генератором 1.

Устройство содержит также дополнительный усилитель 10, блок независимой селекции 11, блок 12 автоматической стабилизации амплйтудМ пблуволны перезапуска и блок 13 .постоянного видеоконтроля.

Устройство снабжено цифровым час. тотомером, включаемым в любую точку амкнутого контура автоциркуляции 65 предпочтительно к генератору,1, ли-! бо к пересчетному блоку 7 (на схеме не показан).

Работу устройства поясняют диаграммы электрических процессов (фиг .2)

3а исходное состояние вз ят момент, когда импульсы ультразвуковых колебаний не проходят через контролируемую среду.

Не получая сигнала АРУ от блока

5 - первого усилителя радиоимпульcos> блок автозапуска 9 выдает импульсы с собственным периодом повторения Тс (фиг. 2, а) на второй вход генератора 1, производя его запуск (фиг. 2, в) .

С выхода ключа 4 на вход усилителей 5 и 10 синхронно поступает ряд малых по величине и убывающих по ,амплитуде радиоимпульсов с частотой заполнения, равной собственной частоте ультразвукового преобразователя 2 (фйг. 2, с) . По диаграмме с необходимо сделать Условное допущение, состоящее в следующем. При определейном номере отражения п, например четвертом, ультразвукового сигнала прибор перейдет в режим автоциркуляции, и дальнейший характер приведенной диаграммы нарушится. Одйако для йаглядности объяснения временных интервалов диаграмму с фиг.2 оставляют беэ изменения, предположив при этом, что после n --ro номера она становится подобной с, от-. ражающей действительную картину установившегося режима автоциркуляции.

Непрерывный ряд усиленных радиоимпульсов с первого выхода усилителя

5 с поступает на вход детектора б, на выходе которого преобразуется в . непрерывный ряд видеоимпульсов.

Независимо от того, в каком состоянии счета находится блок пересчета

7, в момент прихода на его первый вход и -го видеоимпульсй с амплитудой переднего фронта выше порога запуска, на его выходе возникает выброс напряжения (фиг. 2, ), часть .которого с его же второго выхода через линию задержки 8 возвращаетс на собственный второй вход Сброс, переводя блок 7 в начальное состояние счета до., прихода следующего

Ъ1.-го видеоимпульса в повторяющемся ряде отражений (фиг. 2, с() . 1аким образом, первоначальный выброс напряжения на выходе блока 7 преобразуется в отчетливый прямоугольный видеоимпульс длительность которого равна времени задержки лийии задержки 8, а длительности его фронта и спада, зависящие только от частйых свойств блока 7, могут быть доведены до значений на порядок и более ниже длитель- с ности четверть волны ультразвуковых колебаний.

Иэ сопоставления диаграмм с и д иа фиг;. 2 видно, что всякий счетный

746279

Если же огибающая первой селектированной полуволны отражения в амплитудном детекторе б окажется ниже порога запуска пересчетного блока 7, то момент возникновения видеоимпульса селекции сдвинется во времени на период ультразвуковых колебаний

Ту, при этом графическое иэображение картины селекции на экране осцилЛографа блока 13 изменится таким образом, что будет нетрудно увидеть что номер выделенной для перезапус-. импульс (фиг. 2 d ) n -го номера располагается напротив (совпадает во времени) той волны в радиоимпульсе

< -ro номера (фиг. 2, c), которая, пройдя амплитудный детектор, вызывает запуск блока 7. 5

В предлагаемом приборе это явление применено для использования прямоугольного видеоимпуль са счета (фиг. 2,ol ) н качестве ворот независимой селекции той волны радиоимпульса, которая его соответственно вызывает (фиг. 2, с) . С этой. целью длительность времени задержки линии 8 устанавливается равной периоду Т ультразвуковых колебаний преобразователя 2.

Поскольку систему АРУ усилителя

5, устанавливающую оптимальные условия режима автоциркуляции, изменять нельзя, в предлагаемый прибор внодится второй усилитель 10, предназначен- 20 ный только для независимой селекции.

С выхода усилителя 10 усиленный ряд радиоимпульсов, абсолютно идентичный ряду радиоимпульсов на выходе усилителя 5, (фиг. 2, с) поступает 25 на первый вход блока независимой селекции 11, на второй вход которою с выхода блока- пересчета 7 приходит прямоугольный видеоимпульс П -го ,номера счета, установленного пере- 30 ключателем ПХ. В результате реализации логической комбинации«И»входной ряд радиоимпульсов в промежуточной точке блока 11 в полном временном соответствии потеряет од- З5 нополярные полупериоды за исключением того полупериода, который, заполняя радиоимпульс rl -го номера, попадает в ворота селекции (фиг. 2, е ) . После отсечки полупериодов противополож- 1О ной полярности (фиг. 2, е они показаны как отрицательные) на выход блока 11 пройдет только селектируемая полуволна < -го отражения, имеющая сначала амплитуду (фиг. 2, е), равную амплитуде в ряде радиоимпуль- 5 сон, приходящих на первый вход блока

11(фиг. 2, с) от усилителя 10. Выделенная полуволна с первого выхода блока 11 в качестве импульса перезапуска подается на первый вход генератора 1, производя его повтор.ный запуск, т. е. работа прибора переходит в режим автоциркуляции.

Генератор 1, как всякое электронное устройство, имеет собственный порог запуска (см. диаграммуS фиг. 2,U«) . Ha этой же диаграмме S о то бр ажающей более шир е времен ной процесс на выходе блока 11 (фиг. 2 е),60 видно, как н зависимости от амплитуды отселектированной полуволны, сколь„зит время начала перезапуска (йо.грешность r!3 ) по порогу запуска блока 1. 65

Для исключения погрешности Л < в предлагаемое устройство введен, блок

12 автоматической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска до какоголибо постоянного значения, например 4r (диаграмма f на фиг. 2) . В результате стабилизации амплитуды в общее время Т задержки импульса, проходящего по всему кольцу автоИиркуляции, вне зависимости от нида измерений будет вноситься постоянная добавка Л ст (фиг. 2, g ), не влияющая на величину соотношений измеряемых частот автоциркуляции Р, Влок стабилизации амплитуды 12 работает следующим образом. Если амплитуда отселектированной полуволны равна (фиг. 2 f ), блок 12, проанализировав ее значение, вырабатыва" ет сигнал, поступающий на отдельный вход усилителя 10 и изменяющий его коэффициент усиления так, чтобы амплитуда выделенной для перезапуска полуволны стала равнойУст (фиг. 2, ) .

Таким образом, введение блоков 10, 18 и 12 устраняет постоянную погрешность при измерениях .

Для устранения дискретной неопределенности в численном значении измеряемой частоты F связанной с неопределенностью номера полуволны радиоимпульса, попадающей в видеоимпульс селекции, н предлагаемое устройство введен блок 13 — блок Непрерывного видеоконтроля. Как только блок пересчета выдает передний фронт видеоимпульса П -го номера (фиг. 2,4) часть этого импульса запускает развертку g осциллографа (блок 12) (фиг. 2, Ф ), а на вертикальный усилитель У подается электрический сигнал реализации логического процесса совпадения радиоимпульса

+ -го номера с видеоимпульсом r! го номера в промежуточной точке блока

11 (фиг. 2, е ). На экране осциллографа через время задержки з о возникает графическое изображение картины селекции, по которой можно уверенно определить, какая по счету по- луволна < -ого радиоимпульса произвела перезапуск генератора 1. На диаграмме Я фиг. 2 экрана осциллографа видно, что номер полуволны перезапуска равен единице.

746279 лЛ/+< 1 7цгп

30 (2)

40

50 ка полуволны стал равным двум и т. д.

Если же в силу внешних обстоятельств требуется произвести пере,расчет измеренной частоты 7 C поМуволны на полуволну (например, 5 для сохранения соотношений измеренных частот на лабораторном об/ раэце и объекте, когда экран осциллографа блока 13 фиксирует смещение номера селектируемой полуволны), такой перерасчет производится по формуле где I n — частота автоциркуляции на и -ом номере отражения и Ф -ом номере выделенной

rro yaoxzw, Ги;

T - период собственных ультра-20

У звуковых колебаний применяемого преобразователя, сек.

В случае прекра)цения режима автоциркуляции, на блок автозапуска 9 25 не поступает сигнал АРУ от усилителя

5. Блок 9 выдает импульс на второй вход генератора 1, и процесс автоциркуляции восстанавливается автоматически.

В общем виде скорость ультразвука, проходящего через измеряемую среду, определяется по формуле и ч=, õà- Р,.„,., Т

„где F< — частота автоциркуляции измеренная на ю -ом номере отражения, 1 сек; толщина исследуемого вещества, м; номер пересчета:(отражения); (Й вЂ суммарное время задержки электрического импульса, проходящего через все функциональные блоки, кроме исследуемого вещества (сек) у

- общее время прохождения электрическоro импульса по замкнутому кольцу автоциркуляции (Тц= + ЕМ ), сек. с< ГФ 55

Обычно 7л . и формуле (2) приобретает окончательный вид

Ч=г„Єà (scen). (3)

В тех случаях, когда отношением 60 пренебречь нельзя, скорссть про1 хождения ультразвука через исследуемую среду определяют по формуле л п» ф рр л " (уce ) (4) гг п -1 где I F — частота автоциркуn+ i ляции, измеренная соответственно на -ом и П +1-ом номере отражения (устанавливается переключателемП1).

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее генератор, соединенный с ультразвуковым преобразователем, механически связанным с контролируемой средой и через электронный ключ с усилителем, блок автоэапуска, связывающий генератор с усилителем, выход которого погружен на детектор, соединенный с пересчетным блоком, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью ïoâûшения точности измерений, устройство снабжено дополнительным усилителем, блоками независимой селекции, автоматической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска и постоянного видеоконтроля, причем первый вход усилителя связан с выходом электронного ключа, второй его вход связан с выходом блока автоматической стабилизации амплитуды олуволны перезапуска, а выход. этого усилителя нагружен на первый вход блока независимой селекции, второй вход которого связан с первым выходом пересчетного блока, первый выход блока независимой селекции нагружен параллельно на входы генератора и блока автоматической стабилизации .амплитуды полуволны перезапуска, а второй его выход связан с первым входом постоянного видеокон- троля, второй вход которого связан с вторым выходом пересчетного блока, имеющим одновременную обратную связь через линию задержки со своим же в ходом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. R. Е. 7orgacs, Improvement

in the sing-around Technique, the

dournaI of the AIaesticaI Society

of America, Р 32, Р 12, 1960, р. 39.

2. N. D. W11son, D. D. TayIor, Sound veIocity measurement in I1quids, Етес гоп1св, 1960, ч. 33, 9 37, р. 69.

3. Авторское свидетельство

9 423377, кл. G 01 H 5/00. 1974 (прототип).

746279

Угь»

ТМ*В4 т г

ЦИИИПИ Заказ 3931/31 . Тираж 1019 Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4