СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА В УГЛЕРОДНЫХ ЖГУТАХ И НИТЯХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2006 года по МПК G01H5/00 

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля и может быть использовано для определения скорости ультразвука в углеродных нитях и жгутах и других функционально зависящих от скорости параметров, например динамического модуля упругости.

Известен ряд способов измерения скорости ультразвука, близких по своей технической сущности и достигаемому результату по авторским свидетельствам СССР №894551, кл. G 01 N 29/00, 1981; патент РФ №2060474, индекс МПК G 01 H 5/00; патент РФ №2104503, индекс МПК G01H5/00. Основным условием реализации этих способов является установление в контролируемом канале режима автоциркуляции, а в эталонном - импульсного режима прохождения электроакустических импульсов при одновременном возбуждении обоих каналов. Основным недостатком данной группы способов применительно к углеродным жгутам является то, что невозможно установить и поддерживать устойчивый режим автоциркуляции в контролируемом канале, так как углеродные жгуты и нити характеризуются достаточно сильным затуханием ультразвука, а уменьшение длины контролируемого образца в канале автоциркуляции для уменьшения затухания приводит к потере точности измерения скорости ультразвука.

Известно устройство для определения скорости ультразвука - Криштел М.А и др. Электронная аппаратура ультразвуковых установок для исследования свойств твердого тела. - М.: Энергия, 1974, с.143, содержащее последовательно соединенные пьезопреобразователь, генератор зондирующих сигналов, усилитель, измеритель временных интервалов. Однако известное устройство имеет ряд недостатков: его нельзя использовать при прецизионных измерениях скорости ультразвука по причине неточного измерения времени распространения упругих волн, возникающего за счет визуального совмещения сигналов на экране осциллографа.

Известно устройство для измерения скорости распространения ультразвука - а.с. 260302 кл. 42s, 3/00, 1969, дополнительно а.с. СССР N 503140, кл. G 01 Н 5/00, 1976, содержащее генератор импульсов, приемопередающие акустические преобразователи, амплитудный усилитель, дискриминатор, формирователь, пиковый детектор и измеритель частоты. Данный измеритель позволяет выявить и оценить величину случайного изменения амплитуды приемного сигнала. Точность измерения достигается посредством расчетного определения поправки изменяющегося времени нарастания амплитуды приемного сигнала до порогового уровня напряжения дискриминатора.

Недостатком данного устройства, применительно к углеродным жгутам, является невысокая точность измерения ввиду того, что углеродные жгуты и нити состоят из множества (нескольких тысяч) элементарных волокон, каждое из которых имеет «свою» скорость ультразвука - иными словами имеется дисперсия этой скорости по волокнам жгута. Поэтому при измерении скорости ультразвука с применением известного устройства в углеродных жгутах и нитях может фиксироваться время распространения ультразвука только для небольшой группы волокон жгута, имеющих наименьшее значение этого времени из всей массы волокон. Кроме того, указанный измеритель не позволяет в полной мере компенсировать влияние изменения амплитуды приемного сигнала на точность измерения, возникающее из-за разной величины затухания ультразвука в образцах нитей и жгутов.

Известно устройство, патент №2208223 индекс МПК G01H5/00, измеритель скорости звука в жидких средах, принятое в качестве ближайшего аналога, содержащее импульсный генератор, приемоизлучающий акустический преобразователь, приемный усилитель, временной селектор, аналого-цифровой преобразователь и цифровое вычислительное устройство. Принцип работы этого устройства заключается в том, что в ходе измерения однократно излучается зондирующий импульс, в принятом эхо-сигнале с помощью временного селектора выделяется k-й (k=2,3...m) импульс, который преобразовывается в цифровой эквивалент, затем определяется положение максимума (экстремума) полупериода на временной оси, далее рассчитывается время, а по нему - скорость распространения ультразвука в воде. Известное устройство хотя и содержит часть узлов, примененных в заявляемом устройстве, однако не может быть использовано для измерения скорости ультразвука в углеродных жгутах и нитях в силу следующих причин:

- Углеродные жгуты и нити характеризуются очень высокой скоростью распространения ультразвука (10⁴-1,8×10⁴) м/с по сравнению с жидкостью, в которой значение скорости ультразвука порядка (1,4×10³-1,6×10³) м/с, по причине чего значительно увеличивается инструментальная погрешность измерения.

- Определение момента окончания временного интервала по положению «вершины» полупериода с максимальной амплитудой может привести к значительной ошибке определения времени распространения ультразвука и, как следствие, скорости из-за наличия дисперсии скорости по отдельным волокнам жгута.

- В связи с тем, что некоторые типы углеродных жгутов, в отличие от жидких сред, имеют высокий коэффициент затухания ультразвука, при однократном зондировании, как реализовано в прототипе, амплитуда теневого сигнала будет крайне мала (на уровне шума) для достоверного определения положения максимума амплитуды полупериода.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача создания такого способа, который позволил бы обеспечить высокую точность измерения скорости ультразвука в жгутах и нитях. Согласно изобретению указанная задача решается исключением влияния на результат измерения следующих факторов: дисперсии скорости ультразвука по отдельным волокнам жгутов и нитей, изменения амплитуды теневого сигнала из-за вариации величины акустического контакта и большого коэффициента затухания ультразвука в углеродных жгутах - путем многократного зондирования образца, использованию общего усилительного тракта для зондирующего и теневого сигналов, потоковому аналого-цифрового преобразованию с накоплением цифровых дискретных отсчетов, расчету огибающей, нахождению временного интервала между максимумами огибающей, образованными зондирующим импульсом и теневым сигналом. Скорость распространения ультразвука вычисляют по найденному временному интервалу и известной длине образца между излучателем и приемником ультразвука (измерительной базе).

Заявляемый способ реализуется следующим образом. Образец жгута или нити благодаря небольшой растягивающей нагрузке прижимается к приемнику и излучателю ультразвуковых колебаний, находящихся друг от друга на фиксированном расстоянии. Измерение производят в несколько идентичных циклов. В ходе каждого цикла генерируют короткий зондирующий радиочастотный импульс, который направляют через излучатель ультразвука в контролируемый образец и одновременно через аттенюатор в общий усилительный тракт, в который направляют и теневой сигнал с приемника ультразвука, результирующий аналоговый сигнал преобразуют в последовательность дискретных цифровых отсчетов. Преобразование начинается синхронно с генерацией зондирующего импульса и длится, по крайней мере, дольше, чем максимально возможное время распространения ультразвука по образцу. Далее цифровые дискретные отсчеты, полученные в ходе преобразования, суммируются по соответствующим индексам с отсчетами, накопленными в предыдущих циклах, и результат запоминается. По накопленным отсчетам строится (вычисляется) огибающая, которая имеет два пика (фиг.1в): первый из них соответствует зондирующему сигналу, а второй теневому импульсу, снятому с приемника ультразвука. По величине амплитуды теневого пика производят принятие решения о необходимости продолжить измерение, запустив его очередной цикл или прекратить зондирование образца и рассчитать временной интервал как число отсчетов между максимумами пиков огибающей, умноженное на временную дискретность преобразования. По полученному значению времени прохождения ультразвука и известному расстоянию между приемником и излучателем производится расчет скорости распространения ультразвука. Для исключения неопределенных ситуаций, когда необходимое значение амплитуды пика для теневого сигнала не может быть достигнуто по каким-либо причинам, максимальное число циклов измерения - N - ограничено фиксированным значением.

На фиг.1 показаны эпюры огибающих для накопленной суммы дискретных отсчетов при разном количестве циклов в ходе одного измерения. Эти эпюры поясняют механизм компенсации, в заявляемом способе, сильного затухания ультразвука в углеродных жгутах (и как следствие, снижения амплитуды теневого сигнала до уровня шумов). После одного цикла (фиг.1.а) пик огибающей, образованный теневым сигналом, неразличим на фоне шумов, после десятого цикла (фиг.1.б) уже возможно определение положения пика теневого сигнала на временной оси, однако из-за малой его амплитуды точность определения положения пика может быть невысокой. После 100 циклов, (фиг.1.в) амплитуда пика становится достаточной для точного нахождения положения на временной оси и, как следствие, точного расчета скорости ультразвука.

Для иллюстрации обеспечения точности измерения в заявляемом способе за счет исключения влияния дисперсии скорости прохождения ультразвука по отдельным волокнам приведены (фиг.2) эпюры зондирующего и теневого сигналов, а также их огибающих для двух разных образцов углеродных жгутов, имеющих равное среднее время распространения ультразвука - Т (фиг.2а, б), но разную его дисперсию (как следствие дисперсии скорости). В приведенном примере (фиг.2б) дисперсия времени распространения ультразвука по отдельным волокнам у образца 2 больше по сравнению с образцом 1 (фиг.2а). Поэтому при определении начала и конца временного интервала, как реализовано в прототипе, время распространения ультразвука - Т2 (фиг.2б) для второго образца будет меньше чем это время - Т1 (фиг.2а) у первого образца. При определении времени предложенным способом по «расстоянию» между максимумами огибающей сигналов найденные времена распространения ультразвука у обоих образцов будут одинаковыми, что соответствует действительности.

Как вариант, возможна реализация заявляемого способа с использованием дополнительного приемника ультразвука, который находится в контакте с образцом жгута и располагается между уже имеющимися излучателем и приемником. Сигнал с дополнительного приемника направляют в общий усилительный тракт взамен зондирующего сигнала с генератора без применения аттенюатора. При этом на «месте» пика, образованного зондирующим сигналом, будет находиться пик, образованный теневым сигналом с дополнительного приемника. Такое решение компенсирует систематическую погрешность измерения времени распространения ультразвука, возникающую из-за задержек сигналов в излучателе и приемнике ультразвука.

Для осуществления заявляемого способа предлагается устройство (фиг.3), состоящее из излучателя (1) и приемника (2) ультразвука, генератора зондирующих импульсов (3), блока аналого-цифрового преобразователя (4), блока нахождения максимума (5), блока расчета скорости (6), отличающегося от прототипа наличием аттенюатора (7), двухвходового усилителя, (8) блока накопления дискретных отсчетов (9), блока построения огибающей (10), блока расчета отношений (11), блока принятия решений (12), блока пользовательского интерфейса (13), причем один из входов усилителя подключен к приемнику ультразвука (2), а второй вход подключен через аттенюатор (7) к выходу генератора зондирующих импульсов (3), выход усилителя (8) подключен к входу блока аналого-цифрового преобразователя (4), выход которого подключен к программируемому вычислителю (14), а именно к блоку накопления дискретных отсчетов (9). Выход блока накопления дискретных отсчетов (9) подключен к последовательно соединенным блокам построения огибающей (10) и нахождения максимума (5). Выход блока нахождения максимума соединен (5) с блоком расчета отношений (11) и блоком расчета скорости (6). Выход блока расчета отношений (11) подключен к блоку принятия решения (12), прямой выход последнего соединен с запускающими входами генератора зондирующих импульсов (3) и блока аналого-цифрового преобразователя (4), а обратный выход соединен с управляющим входом блока расчета скорости (6). Выход этого блока подключен к блоку пользовательского интерфейса (13), а управляющий выход последнего подключен к управляющему входу блока принятия решения (12) и входу сброса блока накопления дискретных отсчетов (9). Следует отметить, что двухвходовый усилитель (8) образует общий усилительный тракт для зондирующего импульса и теневого сигнала.

Заявляемое устройство (фиг.3) работает следующим образом. Контролируемый образец углеродного жгута или нити за счет небольшой растягивающей нагрузки прижимается к излучателю (1) и приемнику (2) ультразвуковых колебаний, обеспечивая тем самым необходимый акустический контакт. Процесс измерения скорости ультразвука инициируется через блок пользовательского интерфейса (13), который формирует управляющий сигнал, обнуляющий накопленные значения отсчетов в блоке накопления дискретных отсчетов (9) и информирующий блок принятия решений (12), через управляющий вход, о начале нового процесса измерения. По сигналу с блока пользовательского интерфейса (13) блок принятия решения (12) запускает генератор (3) и разрешает блоку аналого-цифрового преобразователя (4) начать конвертацию входного аналогового сигнала в последовательность цифровых дискретных отсчетов с временной дискретностью t. Генератор (3) по запускающему сигналу формирует короткий радиочастотный зондирующий импульс с частотой заполнения f₃, (фиг.4а), который с помощью излучателя ультразвуковых колебаний (1) передается в контролируемый образец, и одновременно этот же импульс, ослабленный аттенюатором (7), поступает на один из входов усилителя (8). Через промежуток времени, приблизительно равный временному интервалу Тр, ультразвуковой (теневой) сигнал (фиг.4б), пройдя через образец и преобразовавшись с помощью приемника ультразвуковых колебаний (2) в электрический сигнал, поступает на второй вход усилителя (8). С его выхода зондирующий импульс и его теневой сигнал (фиг.4в) поступают на вход блока аналого-цифрового преобразователя (4). В результате конвертации на выходе блока аналого-цифрового преобразователя (4) получается последовательность дискретных отсчетов - цифровой эквивалент зондирующего импульса и его теневого сигнала во временной области (фиг.4г). Данные, содержащие дискретные отсчеты с выхода блока аналого-цифрового преобразователя (4), поступают на вход программируемого вычислителя (14), а именно на вход блока накопления дискретных отсчетов (9), в котором они суммируются по соответствующим индексам с отсчетами, накопленными в предыдущих циклах процесса измерения, и результат запоминается. Далее просуммированные (накопленные) значения дискретных отсчетов поступают на вход блока построения огибающей (10), где и происходит, при помощи цифровой обработки, расчет огибающей, которая (дискретные ее значения) представляет собой два пика (фиг.4д), первый пик соответствует зондирующему радиочастотному импульсу с генератора, а второй пик - теневому сигналу, снятому с приемника ультразвука. С выхода блока построения огибающей (10) данные поступают на вход блока нахождения максимума (5). С его выхода данные об амплитудах пиков и их положениях на временной оси поступают на вход блока расчета отношений (11) и на вход блока расчета скорости (6). В блоке расчета отношений производится расчет отношения амплитуды пика теневого сигнала к амплитуде шумов. Полученное значение поступает в блок принятия решения (12), где сравнивается с заданным пороговым значением. Если полученное значение меньше заданного, то запускается очередной цикл процесса измерения путем выдачи управляющего сигнала через прямой выход блока (12) для запуска генератора зондирующих импульсов (3) и блока аналого-цифрового преобразования (4), в противном случае, когда отношение сигнал/шум достигло пороговой величины, производится выдача управляющего сигнала через обратный выход блока (12) на вход блока расчета скорости (6). Иными словами, процесс измерения продолжается до тех пор, пока «высота» пика, образованного теневым сигналом (фиг.4), не достигнет величины, достаточной для достоверного определения положения этого пика на временной оси. Однако для исключения неопределенных ситуаций, когда необходимое значение отношения сигнал/шум для теневого пика не может быть достигнуто по каким-либо причинам, максимальное число циклов измерения - N - ограничено фиксированным значением.

Получив управляющий сигнал с блока принятия решений (12), блок расчета скорости (6) вычисляет значение скорости ультразвука в углеродном жгуте по формулам:

где L - расстояние между приемником и излучателем ультразвука (измерительная база);

N_макс.т - номер отсчета, соответствующий максимуму огибающей теневого сигнала;

N_макс.з - номер отсчета, соответствующий максимуму огибающей зондирующего импульса;

t - временная дискретность аналого-цифрового преобразования.

Создан опытный образец заявляемого измерителя скорости ультразвука, в качестве программируемого вычислителя которого использована промышленная рабочая станция стандарта IBM PC, блоки, входящие в состав вычислителя, реализованы программно-аппаратным способом. Блок аналого-цифрового преобразования представляет собой плату расширения, выполняющую функцию потокового преобразования аналогового сигнала в цифровой эквивалент с программируемой временной дискретностью. Генератор зондирующих сигналов, суммирующий усилитель, аттенюатор реализованы по типовым схемам с учетом специфики применения. Приемник и излучатель ультразвука - стандартные пьезопреобразователи, на рабочих торцах которых наклеены специальные концентраторы для обеспечения надежного акустического контакта с контролируемым образцом.

Следует добавить, что опытный образец измерителя скорости ультразвука, помимо самой скорости, рассчитывает и выводит на дисплей значение динамического модуля упругости.

Благодаря заявляемому способу опытный образец способен работать на больших измерительных базах (расстояниях между излучателем и приемником) порядка (500-750) мм, поэтому инструментальная погрешность прибора определяется, в основном, значением временной дискретности аналого-цифрового преобразования и составляет доли процента (0,2-0,3) при дискретности преобразования 50 нс. Лабораторные испытания проводились на образцах углеродных жгутов различных типов.

Таким образом, поставленная задача решена созданием нового способа и устройства, позволяющего измерять скорость ультразвука в углеродных жгутах и нитях.

Использование: для измерения скорости ультразвука в углеродных жгутах и нитях. Сущность: заключается в многократном зондировании образца, аналого-цифровом преобразовании с накоплением цифровых сигналов с помощью суммирования их дискретных отсчетов по индексам соответствия, расчете огибающей, нахождении временного интервала между максимумами огибающей, соответствующих зондирующему и теневому сигналам. Расчет скорости распространения ультразвука производят по найденному временному интервалу и известной длине образца. Технический результат: повышение точности измерения скорости ультразвука в углеродных жгутах и нитях. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения скорости ультразвука в углеродных жгутах и нитях, включающий излучение и прием ультразвука в образце фиксированной длины, преобразование сигналов, отличающийся тем, что измерения производят в течение нескольких идентичных циклов, в ходе каждого цикла генерируют зондирующий радиочастотный импульс, который направляют через излучатель ультразвука в контролируемый образец фиксированной длины и одновременно через аттенюатор в общий усилительный тракт, в который направляют и теневой сигнал с приемника ультразвука, результирующий аналоговый сигнал преобразуют в последовательность дискретных цифровых отсчетов, причем преобразование начинается синхронно с генерацией зондирующего импульса, далее дискретные отсчеты, полученные в ходе преобразования, суммируют по соответствующим индексам с отсчетами, накопленными в предыдущих циклах, и результаты сохраняют, на следующем этапе по накопленным отсчетам вычисляют огибающую, по величине пика огибающей, образованного теневым сигналом, принимают решение о необходимости продолжить измерение, запустив его очередной цикл, или прекратить зондирование образца и рассчитать временной интервал как число отсчетов между максимумами пиков зондирующего и теневого сигналов, умноженное на временную дискретность преобразования, по полученному значению времени прохождения ультразвука и известной длине образца производят расчет скорости распространения ультразвука.2. Устройство для осуществления способа измерения скорости ультразвука в углеродных жгутах и нитях, содержащее излучатель и приемник ультразвука, генератор зондирующих импульсов, соединенный с излучателем ультразвука, блок аналого - цифрового преобразователя, блок нахождения максимумов, блок расчета скорости, отличающееся тем, что в него введены двухвходовый усилитель, подключенный одним из входов к приемнику ультразвука, а другим входом через аттенюатор к выходу генератора зондирующих импульсов, выход двухвходового усилителя соединен с входом блока аналого-цифрового преобразователя, программируемый вычислитель, содержащий блок накопления дискретных отсчетов, блок построения огибающей, блок расчета отношений, блок принятия решений и блок пользовательского интерфейса, причем выход блока аналого-цифрового преобразователя подключается к входу программируемого вычислителя, а именно к блоку накопления дискретных отсчетов, последовательно соединенному с блоком построения огибающей и блоком нахождения максимума, выход последнего соединен с блоком расчета отношений и блоком расчета скорости, выход блока расчета отношений подключен к блоку принятия решения, прямой выход последнего соединен с запускающими входами генератора зондирующих импульсов и блока аналого-цифрового преобразователя, а обратный выход соединен с управляющим входом блока расчета скорости, выход этого блока подключен к входу блока пользовательского интерфейса, управляющий выход которого, в свою очередь, подключен к управляющим входам блока принятия решения и блока накопления дискретных отсчетов.