Устройство для измерения скорости ультразвука Советский патент 1991 года по МПК G01H5/00 G01N29/00 

Изобретение относится к области неразрушающих испытаний и может быть использовано для ультразвукового контроля металлических конструктивных материалов, подвергающихся циклическому нагружению.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений за счет исключения ложных измерен.ж времени, распространения ультразвука при наличии структурных шумов и случайных помех в электроакустическом тракте.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для измерения скорости ультразвука; на фиг. 2 -- временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения скорости ультразвука содержит (фиг. 1) генератор 1 зондирующих импульсов, пьезопреобразова- тель 2, усилитель 3, компаратор 4 высокого

уровня, компаратор 5 низкого уровня, блоки 6 и 7 задержки, элемент 3 И 8, коммута- гор 9, счетчики 10 и 1I импульсов, формирователи 12 и 13 импульсов, источник 14 временных интервалов, / -триггер 15, интегратор 16, сумматор 17, фильтр 18, инвертор 19, регистрирующий блок 20, блок 21 индикации, например осциллограф Пьезо- преобразователь 2 соединен с первым выходом генератора I зондирующих импульсов и с входом усилителя 3, выход которого соединен с первым входом блока 21 индикации, с входами компараторов 4 и 5. Второй выход генератора 1 зондирующих импульсов подсоединен к установочным входам счетчиков 10 и 11 импульсов, к второму входу блока 21 индикации, к первому управляющему входу коммутатора 9 и к входу первого блока 6 задержки, выход которого соединен

О5 ОО СО ГС

СС

ьо

с первым входом элемента 3 И 8 и с входом второго блока 7 задержки Выход второго блока 7 задержки соединен с вторым управляющим входом коммутатора 9 и с вторым входом элемента 3 И 8, подключенного третьим входом к выходу компаратора 4 высокого уровня и выходом - к информационному входу коммутатора 9, первый и второй выходы которого соединены с счетными входами счетчиков 10 и 1 1 импульсов соответственно Первый формирователь 12 импульсов подсоединен первым входом к выходу счетчика 10 импульсов, вторым входом - к выходу компаратора 5 низкого уровня и к второму входу формирователя 13 импульсов и выходом - к входу запуска источника 14 временных интервалов Второй формирователь 13 импульсов подключен первым входом к выходу счетчика 11 импульсов и выходом к S-входу / 5-триггера 15, подсоединенного / -входом к выходу источника 14 временных интервалов и выходом - к входу интегратора 16, выход которого соединен с первым входом сумматора 17 и с входом фильтра 18 Выход фильтра 18 соединен с входом инвертора 19, выхоа которого подключен к второму входу сумматора 17, подсоединенного выходом к входу регистрирующего блока 20

Устройство для измерения скорости ультра звука работает следующим образом

С первого выхода генератора 1 импульсы поступают на пьезопреобразователь 2, изучающий в исследуемый материал 22 ультра звуковые импульсы Ультразвуковые эхо- сигналы, поступающие на пьезопреобразо- ватель 2, преобразуются в электрические и усиливаются усилителем 3, с выхода которою (фиг 2, а) поступают на входы компа ратора 4 и 5 высокого и низкого уровня Компаратор 4 высокою уровня срабатывает (фиг 2. о) при достижении входным сигна юм напряжения UOM., большего по величине, чем амплитуда случайных помех и структур ных акустических шумов Компаратор 5 низкого уровня срабатывает при прохождении входным сигналом нулевого потенциала Сигнал с выхода компаратора 4 высокого уровня через элемент ЗИ 8 поступает на информационный вход коммутатора 9 Запрет на прохождение импульсов с выхода компаратора 4 высокого у ровня на коммутатор 9 в момент прохождения зондирующего сигнала и в момент прохождения промежуточных эхо-импульсов между первым и -м отраженным сигналом осуществляется с помощью элемента ЗИ 8 и последовательно соединенных блоков 6 и 7 задержки (фиг. 2, в и г) Запуск блока 6 задержки осуществляется сигналом с второго выхода генератора зондирующих импульсов (фиг 2, е) Запуск блока 7 задержки осуществляется сигналом с выхода блока 6 задержки (фиг 2, г) Коммутатор 9 направляет импульсы, поступающие с выхода элемента ЗИ 8 (фиг. 2, д) при наличии сигнала на первом управляющем входе коммутатора 9, на счетный вход счетчика 10 импульсов, а при наличии сигнала на втором управляющем входе коммутатора 9 - на счетный вход счетчика 11 импульсов Счетчик 10 импульсов формирует на выходе сигнал (фиг 2, ж) в момент поступления сигнала, соответствующего п-му периоду в первом отраженном сигнале Счетчик 11 импульсов формирует

на выходе сигнал (фиг 2, з) в момент поступления сигнала, соответствующего п-му периоду в Л/-м отраженном сигнале Установка счетчиков 10 и 11 импульсов в начальное состояние осуществляется импульсом

с второго выхода генератора 1 зондирующих импульсов Сигналы с выходов счетчиков 10 и II поступают соответственно на первые входы формирователей 12 и 13, на вторые входы которых поступают сигналы с выхода компаратора 5 низкого уровня Формирова- тели 12 и 13 вырабатывают на выходе импульсы, передний фронт которых совпадает с моментом прохождения сигнала с выхода усилителя 3 нулевого потенциала Сигналы с выхода первого формирователя 12

5 (фиг 2, и) поступают на вход запуска источника 14 временных интервалов и запускают его передним фронтом С выхода источника 14 временных интервалов сигнал, задержанный на время Гдз (фиг 2, л), поступает на R вход / 5-триггера 15, на 5-вход

0 которого поступает сигнал с выхода второго формирователя 13 (фиг 2, к) В результате на выходе / 5-триггера 15 имеем сигнал длительностью т (фиг 2, м) Установка счетчиков 10 и 11 в начальное положение осуществляется импульсом с второго выхода

5 генератора 1 зондирующих импульсов С выхода / 5-триггера 15 сигнал длительностью т поступает на вход интегратора 16, который преобразует этот сигнал в напряжение UBH , пропорциональное т

0ив„ 1к,

где L/Bfi - напряжение на выходе интегратора 16,

k - коэффициент

Время распространения ультразвука в материале в этом случае равно

,

где/лз -время, формируемое источником

14 временных интервалов При циклическом одноосном нагружении величина т равна

50

(Ј, + 4-)а0со5(а)/-г-фХп + Лт.А ,

- коэффициент упругоакустической

связи;

- коэффициент Пуансона, - модуль Юнга, - амплитуда напряжения, МПа, - циклическая частота нагружения, - фаза, - текущее время,

/о - время распространения ультразвука при в начальный момент испытания, TO -время т при в начальный

момент испытания.

Ату- приращение времени распространения ультразвука в результате необратимых изменений в материале, подвергаемом циклическому нагружению

Величина Ат является медленно изменяющимся параметром по сравнению с переменной составляющей, возникающей из-за упругоакустического эффекта ч из-за изменения длины акустического пути

Сигнал с выхода интегратора 16, пропорциональный величине т, поступает на вход фильтра 18, пропускающего на выход переменную составляющую частотой ш Сигнал с выхода фильтра 18 подвернется фазовой инверсии в инверторе 19, с выхода которого сигнал поступает на второй вход сумматора 17, на первый вход которого сигнал поступает с выхода интегратора 16 В результате на выходе сумматора 17 реализуется следующая функция

T3 To-f-/Jalicos(co/+(f ) + /г ооС05(ои/ + (г-(-я)/( т,

где k ky+-Ј

Величина, пропорциональная тэф, в процессе нагружения фиксируется регистрирующим блоком 20, а блоком 21 индикации, в качестве которого используется осциллограф, контролируются эхо-сигналы, посту пающие с выхода усилителя 3

Изменение толщины материала вследствие необратимых процессов при циклическом нагружении в области многоцикловой усталости практически не происходит В этом случае при испытании на усталость большая часть долговечности материала определяется процессом накопления рассеянных микроповреждений Поэтому можно принять

УэФ/(,

V,,+AIV,

Л +Ат/у

где t ,

/о - длина акустического пути, Ууф - скорость распространения ультразвука в материале 22, подвергаемом циклическому нагружению, Ко - скорость ультразвука при ,

,

AV/v- изменение скорости ультразвука из-за необратимых изменений в материале

Выбрав в качестве базы при оценке времени распространения ультразвука в материале один из периодов первого отраженного сигнала, переходом к относительным измерениям исключаем погрешности, возникающие в электроакустическом тракте при измерениях, когда в качестве базового сиг

5

0

нала взят опорный импульс, возбуждающий генератор зондирующих импульсов

В известном устройстве измеренное время равно

Г /эл+/ксгМ,

где /эд - временные задержки в электрическом тракте,

/ к.с..- время задержки сигнала в пьезо- преобразователе при его возбуждении и в контактном слое между пьезопреобразователем и иссле дуемым материалом,

- время распространения первого отраженного ультразвуковою эхо- сиг нала

Для -ю отраженного сигнала имеем

/ /эл-Мке-г ,

Перрхояя к относительным измерениям Г -/

имеем

/ -

-I

5

0

5

0

5

0

В результате исключается влияние 1э.ц и /я.с, на результаты измерений При нагру жении материала в упругой области устройство выделяет сигнал на выходе интегра тора 16, величина которого пропорциональна действующим упругим напряжениям, что позволяет использовать его в качестве измерителя механических напряжений Использование изобретения позволяет повысить чувствительность и точность измерений ia счет исключения ложных измерений времени распространения ультразвука при наличии структурных шумов и случайных помех в электроакустическом тракте

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор зондирующих импульсов, пьезопреобразователь усилитель и компаратор низкого уровня последовательно соединенные источник временных интервалов, / 5-триггер, интегратор, сумматор и регистрирующий блок, блок индикации, инвертор и фильтр, подключенный входом к выходу интегратора, выходом - к входу инвертора, выход которого подсоеди нен к второму входу сумматора, а блок ин дикации подключен первым входом к выходу усилителя, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, оно снабжено двумя блоками задержки, элементом ЗИ, двумя счетчиками импульсов, коммутатором, двумя формирователями импульсов и компаратором высокою уровня, подключенным входом к выходу усилителя, выходом - к первому входу элемента ЗИ, второй выход генератора зонди рующих импульсов подсоединен к первому управляющему входу коммутатора, к второму входу блока индикации, к установочным входам обоих счетчиков импульсов и к входу

первого блока задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента ЗИ и с входом второго блока задержки, подсоединенного выходом к третьему входу элемента ЗИ и к второму управляющему входу коммутатора, подключенного информационным входом к выходу элемента ЗИ, первым и вторым выходами - к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов соответственно, выход первого счетчика импульсов соединен с первым входом первого формирователя импульсов, подключенного вторым выходом к выходу компаратора низкого уровня и к второму входу второго формирователя импульсов, выходом - к входу запуска источника временных интервалов, выход второго счетчика импульсов соединен с первым входом второго формирователя, подсоединенного выходом к S-входу триггера.

Изобретение относится к области неразрушающих испытаний и может быть ис- юльзовано для ультразвукового контроля металлических конструкционных материалов, подвергающихся циклическому жению. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений. За счет измерения времени распространения ультразвука относите..i чо первого отраженного эхо-сигнала оценивается скорость распространения ультразвука в контролируемом материале. Введение компаратора высокого ровня позволяет исключить ложные измерения времени распространения льтра- при наличии шумов и случайных помех в электроакустическом тракте, что повышает точность измерений. 2 ил. 5 (/)

Фи&1

Зонд, сиги1эхо-сигн. Еэхо-сигн.

а

/71

ft

Ушу tf-эхо-сигнал

Ь

to

Ъ.ъ

±л

J.