Устройство ультразвукового контроля Советский патент 1988 года по МПК G01N29/00 

10

113797

Изобретение относится к средствам для акустических измерений и может быть использовано для измерения плотности жидкостей при исследовании свойств и контроле качества материала в различных областях техники.

Целью изобретения является повышение производительности и точности контроля плотности исследуемой среды за счет учета изменений параметров пьезоизлучателя и пьезоприемника.

На чертеже приведена блок-схема устройства ультразвукового контроля.

Устройство содержит последователь- но соединенные генератор 1, камеру 2 с пьезоизлучателем 3 и пьезоприемни- ком 4, блок 5 усиления и блок 6 регулировки частоты, выходом подключенный к входу генератора 1, последовательно соединенные блок 7 введения, поправки фазового сдвига, входом подключенный к выходу генератора 1, и блок 8 измерения скорости ультразвука, вторы; входом подключенный к выходу генератора 1, последовательно соединенные распределитель 9 импуль- сов, интегратор 10, регистр И памяти, вторым входом подключенный к второму выходу распределителя 9 импуль- 30 сов, компаратор 12 кодов, вторым входом подключенный к выходу интегратора 10, схему 13 переключения режима, триггер 14 и генератор 15 импульсов, вторым входом подключенный к 35

20

25

18

блока 6 вход бло развука ду распр

Устро разом.

Генер частотно лучателе звуковые в исслед частично ка 4, ча электрич та ультр ческого ние пьез максимал ние усил при этом обеспечи настройк кий резо

Скоро формулой

п

третьему выходу распределителя 9 импульсов, первый переключатель 16, входом подключенный к выходам триггера 14 и генератора 15 импульсов, второй 17 и третий 18 переключатели, 40 входами подключенные к выходам первого переключателя 16, а управляющими входами - к выходу схемы 13 переключения режима, первый 19 и второй

20 реверсивные счетчики, входами 45 подключенные к выходам второго 17 и третьего 18 переключателей, а выхоами - к второму и третьему входам блока 7 введения поправки фазового сдвига, последовательно соединенные схему 21 деления, первым и вторым входами подключенную к выходам блоа 8 измерения скорости ультразвука L - второго реверсивного счетчика 20, С - и индикатор 22, и схему 23 вьшитания,с первым и вторым входами подключенную f к выходу блока 8 измерения скорости z - льтразвука и третьему выходу распреелителя 9 импульсов, а второй вход

где f -

а -

Величи равка а с

°,

50

где 1 -

82

блока 6 регулировки частоты и третий вход блока 8 измерения скорости ультразвука подключены к четвертому выходу распределителя 9 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 вьфабатывает высокочастотное напряжение, которое пьезоизлучателем 3 преобразуется в ультразвуковые волны. Они распространяются в исследуемом веществе в камере 2 и частично отражаются от пьезоприемника 4, частично преобразуются им в электрические колебания. Когда частота ультразвука равна частоте акустического резонанса камеры 2, напряжение пьезоприемника А возрастает до максимального значения. Это напряжение усиливается блоком 5 усиления, при этом блок регулировки частоты обеспечивает непрерывную динамическу настройку генератора 1 на акустический резонанс.

Скорость С ультразвука выражается формулой

2fnl п-а

(1)

где f - частота резонанса, на которой в камере 2 длиной 1 размещается п полуволн ультразвука;

а - поправка, вызванная частотно-зависимым сдвигом фазы при отражении ультразвуковых колебаний от преобразователей (пьезоизлучателя 3 и пьезоприемника 4) на частоте

fnВеличина фазового сдвига q; и поправка а связаны зависимостью

Ч -т2

(2)

- - °, L - С - f

где 1 - фазовый сдвиг ультразвуковой волны при отражении от преобразователя и

( - arctg(2tg °); (3)

толщина преобразователя, скорость ультразвука в преобразователечастота ультразвука; удельное акустическое сопротивление материала преобразователя, нормированное относительно исследуемой среды.

Если оба преобразователя идентичны, то

п 2а..

При настройке на резонанс блок 8 обеспечивает измерение скорости С ультразвука, которая согласно формуле (1) пропорщюнальна частоте f „ . Блок 8 целесообразно выполнить в виде счетчика с генератором измерительной базы времени и соответствукяцим ключом. Одновременно блок 8 выраба- тьшает поправку согласно выражениям (2) - (4) и может быть выполнен как в известном устройстве - из преобразователя частота - напряжение и двух соединенных через усилитель тока двухполюсников с характеристикой вида

KtgU,

где 1,и - ток и напряжение соответственно;

К - -коэффициент пропорциональности.

Один из двухполюсников работает в режиме заданного- напряжения, другой - в режиме заданного тока так, что суммарная характеристика имеет вид, вьфажаемый формулой СЗ). z задается усилителем тока, а 2yLg/Cg - изменением параметров двухполюсников

/тукроме того, - , где f -орезонансная частота преобразователей

По истечении времени, необходимо- го для измерения скорости на данном резонансе, определения и введения поправки, блок 6 регулировки частоты настраивает генератор 1 на следующий акустический резонанс. Аналогично указанному измеряется скорость ультразвука с введением поправки. Таким образом, измеряется ряд значений скорости. Схема 23 вычитания вырабатывает сигнал, пропорциональный модулю разности двух соседних значений скорости /С), -С; / . Интегратор 10 суммирует все разности, образуя сумму вида

|Т

D ZI/C,,, -С;1 ,

где i преобретает значения от 1 до т-1р am- количество акустических

Q jc20

25

30

35.

.

40 5 50

резонансов, используемых в измерении. Резонансы выбираются в той области частот, где влияние z максимально - в области fj,. Перестройки частоты генератора 1 на величину, соответствующую заданному количеству m резонансов, интегратор 10 вьщает одно значение.суммы D, которое передается в регистр 11 памяти. Затем импульсы с выхода распределителя 9 запускают генератор 15, который увеличивает или уменьшает содержимое одного из реверсивных счетчиков 19 и 20, Затем следует новая серия импульсов на блоки 6 и 8 и схему 23 вычитания, т.е. измерение серии значений скорости -С;, расчет нового значения D. Если оно больше того, что хранится в регистре 1 1 памяти, то компаратор 12 вьщает сигал Больше на выходе. Этим сигналом перебрасывается триггер 14, переключая режим работы реверсивных счетчиков 19 и 20 (от сложения к вычитанию и наоборот). После каждых двух переключений режима, т.е. изменения направления шага данного параметра, перебрасывается триггер 14, переключая генератор 15 импульсов на счетчик другого параметра. Таким образом, один из параметров настраивается в одну сторону, настройка реверсируется, параметр настраивается в другую сторону до перехода минимума в обратном направлении, затем его величина остается в счетчике, таким же образом обрабатывается второй параметр и т.д.

Если парметры z и f, входящие в формулу (3), выбраны правильно, то значения С,- в пределах случайной ло- грешности совпадают (скорость ультразвука в узком интервале частоты даже в средах с дисперсией скорости практически постоянна) , D в этом случае минимально и тем меньше, чем меньше случайная погрешность. Таким образом, измерение сводится к отысканию таких

fp и Z, для которых

рч - I

ЩС... -С;

mm.

(7)

40 5 50

55

Значения параметра z выхода первого реверсивного счетчика 19, соответствующие минимуму В,и значения С с блока 8 поступают на схему 21 деления, которая согласно формуле р ,(/z выдает на индикатор 22 значение плотности р, где - удельное акустическое

5

сопротивление вещества пьезопреобра- эователя.

Преимуществом предлагаемого устройства ультразвукового контроля является возможность автоматического учета изменения резонансной частоты пьезопреобразователей, вызванных изменениями температуры, износом электродов и т.д. При этом длина измери- тельной ка14еры и ее температурные изменения не оказывают влияния на измеряемые параметры.

Формула изобретения

Устройство ультразвукового контроля, содержащее последовательно соединенные генератор, камеру с пьезоизлу- чателем и пьезоприемником, блок уси- ления и блок регулировки частоты, выходом подключенный к входу генератора, последовательно соединенные блок введения поправки фазового сдвига, входом подключенный к выходу генератора и блок измерения скорости ультразвука, вторым входом подключенный к выходу генератора, отличающееся тем, что, с целью повышения производительности и точности контроля плотности исследуемой среды за счет учетй изменений параметров пьезоизлучателя и пьезоприемника, оно снабжено последовательно соединенными распределителем импульсов, инте

гратором, регистром памяти, вторым входом подкшоченным к второму выходу распределителя импульсов, компаратором кодов, вторым входом подключенным к выходу интегратора, схемой переключения режима, триггером и генератором импульсов, вторым входом подключенным к третьему выходу распределителя импульсов, первым переключателем, входом подключенным к выходам триггера и генератора импульсов, вторым и третьим переключателями, входами подключенными к выходам первого переключателя , а управляющими входами - к выходу схемы переключения режима, первым и вторым реверсивными счетчиками, входами подключенными к выходам BTQ,- рого и третьего переключателей, а выходами - к второму и третьему входам блока введения поправки фазового сдвига, последовательно соединенными

схемой деления, первым и вторым входами подключенной к выходам блока измерения скорости ультразвука и второго реверсивного счетчика и индикатором, и схемой вычитания, и вторым входами подключенной к выходу блока измерения скорости ультразвука и четвертому выходу распределителя импульсов, а второй вход блока регулировки частоты и третий вход блока измерения скорости ультразвука подключены к третьему выходу распредели- геля импульсов.

Изобретение относится к средствам для акустических излучений и моJi1 жет быть использовано для измерения параметров жидких сред. Целью изобретения является повышение производительности контроля плотности исследуемой среды и точности за счет учета изменений параметров пьезоизлучателя и пьезоприемника. При измерении скорости ультразвука устройство с помощью интегратора 10, регистра 11 памяти, компаратора 12 кодов, схемы 13 переключения режима, триггера 14, генератора 15 импульсов и реверсивных счетчиков 19 и 20 позволяет за счет введения поправочных коэффициентов Б блок 6 регулировки частоты учитывать изменения резонансной частоты пьезо- излучателя и пьезоприемника. 1 ил. (Л со | 00