Устройство для обнаружения трещин в материале Советский патент 1992 года по МПК G01N29/20 

со

С

Изобретение относится к средствам контроля сплошности породного массива и блоков непосредственно на месте их добычи путем ультразвуковой дефектоскопии. Цель изобретения - повышение достоверности за счет независимости показаний от качества акустического контакта преобразователей с исследуемой средой. Поочередно излучают пачки импульсов излучающими ультразвуковыми преобразователями. Два приемных ультразвуковых преобразователя принимают сигнал. Если между ними имеется трещина, то амплитуды сигналов на них будут различными, если же нет, то сигналы одинаковы. Отношения амплитуд подают на регистратор.3 ил.

Изобретение относится к горному делу и предназначено для обнаружения трещин в породном массиве.

Известно устройство для определения трещиноватости горных пород, содержащее корпус/выполненный в виде полой трубы с дном, на конце которой жестко закреплены одни концы герметизаторов, подводящие шланги, телескопическую перфорированную обойму и фиксатор, ограничивающий величину раздвижки обоймы, а другие концы герметизаторов установлены.на корпусе с возможностью продольного перемещения, причем фиксатор и обойма размещены на корпусе и оперты на герметизаторы, при этом в средней части корпуса выполнены отверстия.

Недостатками известного устройства являются низкая производительность, вызванная необходимостью фиксировать изменения давления в шпуре в течение некоторого интервала времени значительно большего, чем сам процесс измерений, а также ограниченная область применения, предполагающая наличие в массиве шпуров определенного диаметра.

Известен ультразвуковой прибор, содержащий генератор электрических импульсов, соединенный с ним излучающий ультразвуковой преобразователь, приемный ультразвуковой преобразователь, конструктивно соединенный с излучающим звукопоглощающим элементом, а электрически - с входом блока определения уровня : сигнала, выход которого соединен с регистратором, а также досылочные штанги, манометр, ручной наеос, воздухопроводный шланг и соединительный кабель,

Недостатком прототипа является низкая достоверность при контроле плотно соOv

Јь СО

мкнутых трещин, вызванная тем, что изменение амплитуды сигнала при переходе через такую трещину того же порядка, что и разброс показаний вследствие нестабильности акустического контакта преобразова- 5 телей с массивом. Вследствие шероховатости поверхности массива даже стабилизация усилия прижима преобразователей не позволяет получить постоянства их акустического контакта с исследуемой 10 средой.

Цель изобретения - повышение достоверности контроля путем устранения заёи- симости показаний от качества акустического контакта преобразователей с 15 материалом.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее генератор импуль- сов, первый излучающий ультразвуковой преобразователь, последовательно соеди- 20 ненные первый приемный ультразвуковой преобразователь и блок определения уровня сигнала и регистратор, снабжено последовательно соединенными тактовым генератором, первым триггером, вторым 25 риггером, первой схемой совпадения, первым ключом, первым интегратором и первым блоком измерения отношения напряжений, выход которого связан с регистратором, последовательно соединенны- 30 ми второй схемой, совпадения, первый вход которой связан с инверсным выходом второго триггера, вторым ключом и вторым интегратором, выход которого подключен к второму входу первого блока измерения от- 35 ношения напряжений, третьим ключом, подключенным информационным входом к генератору импульсов и выходом - к излучающему ультразвуковому преобразователю, последовательно соединенными четвертым 40 ключом, информационный вход которого связан с выходом генератора импульсов и вторым излучающим ультразвуковым преобразователем, последовательно соединенными вторыми приемным ультразвуковым 45 преобразователем, блоком определения уровня сигнала и блоком измерения отношения напряжений, второй вход которого подключен к выходу первого блока определения уровня сигнала, а выход- к информа- 50 ционным входам первого и второго ключей, и соединяющим приемные ультразвуковые преобразователи звукоизоляционным элементом. Инверсный выход второго триггера соединен с управляющим входом четверто- 55 го ключа. Прямой выход второго триггера подключен к управляющему входу третьего ключа, а инверсный выход первого триггера связан с вторыми входами схем совпадения.

На фиг.1 представлено конструктивное выполнение устройства в варианте для контроля поверхности блоков и обнажений массива горных пород; на фиг.2 - электрическая блок-схема устройства; на фиг.З - временные диаграммы работы устройства.

Приемные ультразвуковые преобразователи 1 и 2 конструктивно соединены звукоизолирующим элементом 3 и снабжены выступающими концами для обеспечения акустического контакта с породным массивом. Для удобства при профилировании звукоизолирующий элемент 3 соединен с рукояткой 4. Излучающие ультразвуковые преобразователи 5 и 6 закрепляют на противоположных концах профиля к поверхности массива, например, с помощью быстротвердеющих растворов. Все преобразователи при помощи кабелей 7 соединены с измерительной частью устройства, находящейся в корпусе 8.

Тактовый генератор 9 соединен своим выходом с тактовым входом триггера 10. Его прямой выход соединен с тактовым входом триггера 11. Входы схемы 12 совпадений соединены с инверсным выходом триггера 10 и прямым выходом триггера 11, а входы схемы 13 совпадения - с инверсными дами триггеров 10 и 11.

Генератор 14 электрических импульсов выполнен, например, в виде генератора меандра с частотой, равной рабочей частоте ультразвуковых преобразователей. Выход генератора 14 через ключи 15 и 16 соединен с излучающими ультразвуковыми преобразователями 5 и 6 соответственно. Управляющие входы ключей 15 и 16 соединены с прямым и инверсным выходами триггера 11 соответственно. Выходы приемных ультразвуковых преобразователей 1 и 2 соединены с входами блоков 17 и 18 определения уровня сигнала соответственно.

Входы блока 19 измерения отношения напряжений соединены с выходами блоков 17 и 18, а выход через ключи 20 и 21 - с интеграторами 22 и 23 соответственно. Управляющие входы ключей 20 и 21 соединены с выходами схем 12 и 13 совпадения соответственно. Блок 24 измерения отношения напряжений соединен своими входами с выходами интеграторов 22 и 23, а выходом - с регистратором 25, выполненным, например, в виде линейки светодиодов.

Работа устройства происходит следующим образом.

Тактовый генератор 9 генерирует импульсы большой скважности (фиг.За). На прямом и инверсном выходах триггера 10 получают меандр с частотой в два раза меньше (фиг.Зб и Зв соответственно); Тригrep 11 понижает частоту меандра еще в два раза (фиг.Зг и Зд показывают диаграммы напряжений на его прямом и инверсном выходах соответственно; на фиг.Зе представлена диаграмма напряжений на выходе схемы 12 совпадений, а на фиг.Зж - на выходе схемы 13 совпадений. С выхода генератора 14 электрических импульсов колебания в виде меандра (фиг.Зз) поочередно через ключи 15 и 16 поступают на излучающие ультразвуковые преобразователи 5 и 6.

Условимся началом цикла, продолжительностью Т, считать передний фронт импульса на прямом входе триггера 11. В первой половине цикла длительностью Т/2 открыт ключ 15 и соответственно излучается пакет колебаний преобразователем 5, который принимается приемными ультразвуковыми преобразователями 1 и 2. Каждый волновой пакет состоит из нескольких сотен колебаний. Период колебаний соизмерим с временем распространения упругих волн по профилю, поэтому временем запаздывания прихода пакета колебаний к приемным преобразователям по отношению к началу цикла можно пренебречь. Резонансные свойства преобразователей приводят к тому, что форма колебаний на выходе прием- ных преобразователей близка к гармонической. Наличие резонансных свойству преобразователей приводит к возникновению переходных процессов в начале формирования пакета импульсов и после его окончания, длительность которых уже необходимо учитывать.

Если между приемными ультразвуковыми преобразователями расположена трещина, как показано на фиг. 1, то амплитуда колебаний на выходе одного преобразователя будет существен но больше, чем на выходе другого. Вид сигналов на выходе преобразователей 1 и 2 представлен диаграммами напряжений в интервале (НГ/2 на фиг.Зи и Зк соответственно. В блоках 17 и 18 определения уровня сигнала происходит усиление и детектирование сигналов. В блоке 19 в каждый момент времени определяется отношение уровня сигнала, полученного на выходе блока 17 к уровню сигнала на выходе блока 18. В интервале времени О-Т/4 вследствие переходных процессов отношение сигналов нестабильно и в интервале Т/4-Т/2 его можно считать постоянным. Поэтому импульсы на выходе ключа 20, отпираемого в интервале Т/4- Т/2, имеют форму, представленную на фиг.Зл. Уровень постоянного напряжения на выходе интегратора 22 пропорционален амплитуде Сигналов и, следовательно, отношению установившихся уровней сигналов на выходах приемных ультразвуковых преобразователей.

В момент времени Т/2 произойдет переключение излучающих преобразователей, Работающим станет преобразователь 6. Отношение уровней сигналов на выходах приемных преобразователей 1 и 2 изменится на обратное. Импульсный сигнал, пол0 ученный в интервале времени ЗТ/4-Т на выходе ключа 21, будет иметь вид, представленный на фиг.Зм. Очевидно, что средний уровень сигнала на выходе интегратора 23 будет значительно ниже уровня на выходе

5 интегратора 22. Поэтому регистратор, соединенный с выходом блока 24, измеряющего отношение уровней напряжений на выходах интеграторов 22 и 23, зафиксирует значение значительно больше единицы,

0 В случае отсутствия трещины отношения уровней напряжения на выходах прием- t ных ультразвуковых преобразователей будут близкими к единице при любом из работающих излучающих преобразовате5 лей, так как затуханием ультразвука на базе между приемными преобразователями , можно пренебречь. Результат на выходе блока 24, фиксируемый регистратором 25. также будет близким к единице.

0 Стабильность акустического контакта с массивом для всех четырех преобразователей должна выдерживаться лишь в течение интервала времени, равном продолжительности измерений на одном шаге профиля,

5 т.е. в течение нескольких секунд.

Предположим, что в какой-либо точке профиля регистратор зафиксировал определенную величину отношения напряжений на выходах интеграторов 22 и 23. Если про0 извести повторный замер в этой же точке,. то очевидно, что акустический контакт каждого из приемных преобразователей будет другим, чем в предыдущем случае. Уровень сигнала и их отношение при одном из рабо5 тающих излучающих преобразователей также будут другими. Но поскольку при приходе сигнала от другого излучающего преобразователя коэффициент передачи каждого приемного преобразователя изме0 нится во столько же раз по отношению предыдущему измерению, то отношение отношений уровней сигналов на выходах приемных преобразователей при перемене излучающих преобразователей останется

5 величиной неизменной и зависящей только от состояния массива на базе между приемными преобразователями.

Положительный эффект изобретения по сравнению с прототипом заключается в обеспечении независимости показаний устройства от качества акустического контакта преобразователей с массивом.

Формул а и зоб ре тения Устройство для обнаружения трещин в материале, содержащее генератор импульсов, первый излучающий ультразвуковой преобразователь, последовательно соединенные первые приемный ультразвуковой преобразователь и блок определения уровня сигнала и регистратор, о тли ч а ю ще е- с я тем, что, с целью повышения достоверности, оно снабжено последовательно соединенными тактовым генератором, первым триггером, вторым триггером, первой схемой совпадения, первым ключом, первым интегратором и первым блоком измерения отношения напряжений, выход которого связан с регистратором, последовательно соединенными второй схемой совпадения, первый вход которой связан с инверсным выходом второго триггера, вторым ключом и вторым интегратором, выход которого подключен к второму входу первого блока измерения отношения напряжений, третьим ключом, подключенным информацией ным входом к генератору импульсов и выщ

дом - к излучающему ультразвуково преобразователю, последовательно соедцненными четвертым ключом, информацио |- ный вход которого связан с выходо$| генератора импульсов, и вторым излучаюя щим ультразвуковым преобразователем, последовательно соединенными вторымц

приемным ультразвуковым преобразователем, блоком определения уровня сигнала и блоком измерения отношения напряжений, второй вход которого подключен к выходу первого блока определения уровня сигнала,

а выход- к информационным входам первого и второго ключей, и соединяющим приемные ультразвуковые преобразователи звукоизоляционным элементом, инверсный выход второго триггера соединен с управляющим входом четвертого ключа, прямой выход второго триггера подключен к управляющему входу третьего ключа, а инверсный выход первого триггера связан с вторыми входами схем совпадения.

Г 131

ТВ

ш

s

Т

Ж

18

2J 23

Фиг. 2