Ультразвуковое устройство для измерения физических параметров веществ Советский патент 1989 года по МПК G01N29/00 

фи.

3150

Изобретение относится к средствам акустического неразрушающего контроля и может быть использовано для мерения физических параметров ве- ществ, например жидких или газообразных веществ.

Целью изобретения является расширение области применения за счет v обеспечения возможности работы уст- ройства в контакте с горячими веществами и повьшение чувствительности за счет использования продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний, возбуждающих в приемной пьезопластине волны Лэмба, в результате чего обеспечивается высокое соотношение сиг- нал/шум.

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

УЗ-устройство для измерения физических параметров веществ содержит первую и вторую пьезопластины 1 и 2 соответственно, твердый звукопровод 3 и связанный с пьезопластинами 1 и 2 генератор А импульсов. УЗ-устройство содержит также подключенные к первой пьезопластине 1 последовательно соединенные первьй селектор 5 импульсов, первый усилитель 6 и первьй 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 первой пьезопластине 1 последовательно соединенные второй селектор 8 импульсов, второй усилитель 9 и второй измеритель 10 отношения на- пряжений. Второй вход второго измерителя 10 отношения напряжений соединен с вторым .выходом второго селектора 8 импульсов. Твердый звукопровод 3 выполнен с двумя разновысотным отражающими параллельными поверхностями 11 и 12 и соединяющей эти поверхности перпендикулярно им плоскостью 13. Первая пьезопластина 1 установлена на поверхности звукопрово- да 3 параллельно его отражающим поверхностям 11 и 12. Вторая пьезопластина установлена на поверхности зву копровода 3 под углом об к отражающим поверхностям 11 и 12. Соединяю- щая плоскость 13 проходит через аку- стические оси пьезопластин 1 и 2. Акустическая ось второй пьезопластины 2 направлена в сторону пьезопластины 1. Площадь отражающей поверхности 11, дальней по отношению к пье зопластинам 1 и 2, равна площади отражающей поверхности 12, ближней по отношению к пьезопластинам 1 и 2. Пьезопластины 1 и 2 установлены таким образом, что расстояния Х X от проекции центров соответствующих пластин 1 и 2 на дальнйю отражающую поверхность 11 до вершины угли ( , образованного установочной плоскостью второй пьезопластины 2 и отражающей поверхностью 11, удовлетворяют условию Х , (Х + S sin 66cosci)/cos2od, (1)

где S - расстояние от установочной плоскости первой пьезопластины 1 до отражающей поверхности 11 ,

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

d Ь d /cosui.

(2)

.Значение угла об определяется из равенства

oi arcsin( ,(3)

где Cj - скорость распространения продольных УЗ-КОЛебаний в материале звукопровода 3; Cg - фазовая скорость нулевой моды волн Лэмба в первой пьезопластине 1.

Материал звукопровода 3 выбирают таким образом, чтобы удовлетворялось условие

С С,

(А)

no3HUHHNrrf 14-17 обозначены УЗ- колебания различного направления распространения в звукопроводе 3, а позицией 18 исследуемое вещество.

УЗ-устройство для измерения физических парехметров веществ работает следующим образом,

Пьезопластины 1 и 2 выполнены, например, из материала ЦТС-19 на частоту 6 МГц (Сд 2365 м/с). Для удовлетворения условия (4) звукопровод 3 выполнен, например, из фторопласта (Сп 1348 м/с). На основании условия (3) угол ui выбран равным . При работе с пьезопластиной 2, например, диаметром d 30 мм в соответ- ствии с условием (2) необходимо выбрать диаметр d , пьезопластины 1 бо-

льшим или равным 36,5 мм. В ходе измерений устройство поверх1 остью 1 звукопровода 3 контактирует с исследуемым веществом 18. Генератор 4 импульсов возбуждает одновременно пьезопластины 1 и 2.

Пьезопластина 1 излучает в звуко- провод 3 импульсы продольных УЗ-ко- лебаний 14 и 15. Отраженные от поверхности 12 звукопровода 3, граничащей с воздухом, и отyльcы продольных колебаний 14 и отраженные от поверхности 11 звукопровода 3, граничащей с веществом 18, импульсы продольных колебаний 15 возвращаются к пьсзо- пластине 1 и трансформируются ею в электрические сигналы, которые по- даются на вход селектора 5. На первом выходе селектора 5 вьщ.еляется импульс, создаваемый колебаниями 16, и через усилитель 6 подается на числительный вход измерителя 7. На втором выходе селектора 5 выделяется импульс, создаваемый колебат-1ями 14, и подается на знаменательный вхо измерителя 7. Коэффициент усиления усилителя 6 предварительно устанавливают таким, чтобы при отсутствии вещества 18 амплитуды импульсов, подаваемых на входы измерителя 7, бьши равны. В этом случае показания измерителя 7 отношения напряжений при акустическом контакте звукопровода З.с веществом 18 равны коэффищ енту V отражения продольных УЗ-колебаний па,цаю1цих нормально на границу материал звукопровода 3 исследуемое вещество 18,

Пьезопластина 2 также излучает импульсы продольных УЗ-колебаний в

46066

звукопровод 3, которые падают на по- верхности- 11 и 13 под углом с , отражаются и падают ка пьезопластину 1, 2 возбуждая в ней волны Лэмба нулевой

моды. Импульсы продольных колебаний б отражаются от ближней поверхно- сти 12, а импульсы продольных колебаний 17 - от дальней поверхности 11.

10 Возбужденные отраженными колебаниям - Болны Лзмба трансформируются пьезо- пластиной 1 в электрические сигналы, которые подаются на вход селектора 8. На первом выходе селектора 8 выделя15 ется шьтульс, создаваемый колебаниями 17j и через усилитать 9 гюдается на числительный вход измерителя 10. На втором выходе селектора 5 вьделя- ется импульс, создаваемьш колебани20 яки 16, и подается на знаменательный вход измерителя 10. Коэффициент усиления усилителя 9 предварительно устанавливается таким, чтобы при отсутствии вещества 18 амплитуды и myльcoв,

25 подаваемых на входы измерителя 10, бьши равны. В этом показания измерителя 10 отношения напряжений при акустическом контакте звукопровода 3 с веществом 18 равны коэффици30 енту отражения продольных УЗ-колебаний. палаюпщх под углом ot на границу материал звукопровода 3 - исследуемое вещество 18.

35

По найденным значениям коэффициентов отражения Vg и V определяют скорость С распространения продольных УЗ-колебаний в исследуемом веществе 18, его плотность р и его коэффи-

цяент I да адиабатической сжимаемости

-из следукнщгх формз л:

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.

С - CijilI YiliLb(l±YbaO::V)li;Pi ciH-bV2.)i(i;v;

(1 -V, ) b (1 +V) -а (1 -V) S inc

n - P lI- -yo Ib(HV)-a()

р .. .- ...

r

(1 -V,) 2 b (1+V) -a (1 -V) 2p 2 c| (t +V ) 2 (1 -V) 2 ()(1+V)-a(1-V)lsinoL

Cl P(I+VO) л|(1-У,)(НУ)-а(1-У)2р C|(1+Vj4l-Vf где a 4p,C| sin si lc -C . b p,(C2 -2C2 51пЫ)(СЗ

p, - плотность материала звукопровода 3; , - скорость распространения поперечных УЗ-колебаний в материале звукопровода 3.

Использование при измерениях продольных УЗ-колебаний, имеющих мень- пшй коэффициент поглощения относительно поперечных УЗ-колебаний, поз- воляет использовать звукопровод бо- льших размеров и такой формы с наружной стороны, чтобы бьта возможность охлаждать пьезопластины при измерении параметров веществ, нахо- дящихся в условиях высокой температуры. Поддерживая постоянной температуру звукопровода в зоне установки пьезопластин, обеспечивают постоянство угла падения на первую пьезо- пластину, в которой возбуждаются волны Лэмба. В участке звукопровода, находящемся в условиях постепенного повышения температуры, происходит изменение направления волнового пучка, однако после отражения на отражанщих поверхностях при возвращении его в обратном направлении это изменение направления распространения происходит таким образом, что к первой пьезопластине волновой пучок приходи под таким же углом сзб , при котором возбуждаются волны Лэмба. При этом происходит смещение пучка волн и поэтому в условиях больших темпер1атур- ных перепадов необходимо использовать пьезопластину больших размеров.

Формула изобретения

Ультразвуковое устройство для измерения физических параметров веществ, содержащее две пьезопластины, твердый звукопровод с двумя разновы-. ситными отражающими параллельными поверхностями, генератор импульсов, связанный с пьезопластинами, подключенные к первой .пьезопластине последовательно соединенные первые селектор импульсов, усилитель и измеритель отнощения напряжений, второй вход которого соединен с вторым выходом первого селектора импульсов, и последовательно соединенные вторые селек- тор импульсов, усилитель и измеритель отношения напряжений, второй вход которого соединен с вторым вы

о

5

,.

ходом второго селектора, первая пье- зопластина установлена на поверхности звукопровода параллельно его отражаю11;им поверхностям, соединяющая отражающие поверхности плоскость перпендикулярна им и проходит через акустическую ось первой пьезопластины, отличающееся, тем, что, с целью расширения области применения и повьшения чувствительности, вторая пьезопластина установлена на поверхности звукопровода пйд углом oi к отражающим поверхностям так, что ее акустическая ось направлена Б сторону первой пьезопластины и лежит в плоскости, соединяющей отражающие поверхности, плош,ади отражающих поверхностей равны, а материалы и геометрические размеры звукопровода и пьезопластин выбраны из условий

об arcsin(Cg/Co );

С 0

di d /cosoi;

X, ( S 8ine6 cosciiy/cios в6,

где С. - скорость распространения

продольных колебаний в материале звукопровода;

С фазовая скорость нулевой моды волн Лэмба в первой пьезопластине;

d, - размер первой пьезопластины в соединякяцей отража ощие поверхности плоскости;

d - размер второй пьезопластины в соединяющей отражающие поверхности плоскости;

X

- расстояние от вершины угла

d, для проекции центра первой пьезопластины на дальнюю отражающую поверхность; Х - расстояние от вершины угла oiдo проекции центра второй пьезопластины на дальнюю отражающую поверхность; S - расстояние от установочной плоскости первой пьезопластины до дальней отражающей поверхности.

Фи&.2