Устройство для определения плотности грунтов Советский патент 1992 года по МПК E02D1/02 

х|

4 Ю

ы

Использование- определение плотности грунтов Сущность устройство содержит излучатель 1 и приемник 2 упругих колебаний, усилители 3, 4, формирователи 5, б 9 тактовый генератор 10, делители 11 и 19 частоты дополнительные генераторы 18 и 21, сумматор 12, частотомер 13, триггеры 7, 1 б, ключи 8,17, счетчик 20, блок 15 сброса и индикатор 14 9 ил

Фие.1

Изобретение относится к технике неразрушающего контроля состояния грунтовых сооружений, в частности, для определения плотности грунтов.

Известно устройство для определения плотности грунтов, содержащее датчики начала и конца счёта, подключенные к усилителям-формирователям, триггер, выход которого подключен к первому входу ключа, генератор, подключенный к второму входу ключа, измеритель временных импульсов и узел сброса, подключенный к выходу первого усилителя.

Недостатком этого устройства является то, что цикл определения плотности грунтов состоит из трех операций: измерение времени распространения упругой волны в грунте между двумя датчиками-приемниками; вычисление скорости распространения упругой волны; определение плотности грунтов по корреляционной связи (графической или аналитической) скорость распространения - плотность грунта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения плотности грунтов, содержащее два датчика-приемника колебаний, два усилителя, два формирователя, узел блокировки, триггер, генератор импульсов, блок сброса, ключ, счетчик, элемент памяти и индикатор.

Недостаток известного устройства тот же, что и у аналога.

Целью изобретения является сокращение времени определения.

Устройство для определения плотности грунтов, содержащее излучатель упругих колебаний, подключенный через первый усилитель к первому входу первого формирователя, приемник упругих колебаний, подключенный через второй усилитель к входу второго формирователя, первый триггер, первый выход которого подключен к одному из входов первого ключа, выход которого подключен к первому входу счетчика, тактовый генератор, блок сброса и индикатор, снабжено двумя делителями частоты и дополнительными генераторами, сумматором, частотомером, вторыми ключом и триггером и третьим формирователем, причем выход тактового генератора подключен к входу первого делителя частоты, выходы которого подключены соответственно к другому входу первого ключа и к первым входам сумматора и частотомера, первый выход первого формирователя и выход второго формироэателя подключены к соответствующим входам первого триггера, второй выход которого через третий формирователь подключен к первому входу второго триггера, выход которого подключен к одному из входов второго ключа, к другому входу которого подключен выход первого дополнительного генератора, выходы узла сброса

подключены соответственно к вторым входам второго триггера, первого формирователя, второй выход которого подключен к второму входу счетчика, выход которого подключен к первому входу второго делителя частоты, к второму входу которого подключен выход второго ключа, выход второго делителя частоты подключен к второму входу сумматора, к третьему входу которого подключен выход второго дополнительного

генератора, выход сумматора подключен к второму входу частотомера, выход которого подключен к индикатору.

Цикл определения плотности грунтов состоит из трех операций: измеряется время распространения упругой волны в грунте; вычисляется скорость распространения; по корреляционной связи определяется плотность грунтов. Эта корреляционная связь имеет вид прямой с уравнением

p A V+B,(1)

где р- плотность грунта;

V - скорость упругой волны в грунте; А, В - коэффициенты, определяемые видом грунта.

Однако имеются свидетельства и о нелинейной зависимости между плотностью и скоростью упругих волн в грунте. В этом случае можно осуществить аппроксимацию кусочно-линейной функцией и для интересуемого интервала плотности определить коэффициенты А и В. Положительный эффект возникает за счет автоматического выполнения второй и третьей операций при определении плотности грунтов, Причем

определение плотности осуществляется по формуле(1), Информация, появляющаяся на индикаторе устройства, не требует дополнительной обработки. Таким образом, сокращается время на один цикл измерения.

В устройстве второй делитель частоты выполняет вычислительные функции. В формулу (1) подставляют значение скорости V

v.I.

(2)

50 где I - расстояние между излучателем и приемником;

t- время распространения упругой волны между излучателем и приемником. Получают

I

ЬЬр :А1+В.(3)

На фиг,1 показана блок-схема устройства для определения плотности грунтов; на фиг.2 - излучатель упругой волны механического типа; на фиг.З - схема первого формирователя; на фиг.4 - схема третьего формирователя; на фиг.5 - схема сумматора; на фиг.6 - эпюры напряжений в отдельных его точках; на фиг,7 - схема одного разряда частотомера; на фиг.8 - схема блока сброса; на фиг.9 - схема первого делителя частоты.

Устройство для определения плотности грунтов (фиг. 1) содержит излучатель 1 и приемник 2 упругих колебаний, подключенные на входы усилителей 3 и 4, выходы которых подключены к первому входу первого формирователя 5 и входу второго формирователя 6, триггер 7, первый выход которого соединен с одним из входов ключа 8, третий формирователь 9, тактовый генератор 10, выход которого через первый делитель 11 частоты соединен с другим входом ключа 8 и первыми входами сумматора 12 и частотомером 13, к выходу которого подключен индикатор 14, блок 15 сброса, второй триггер 16, выход которого соединен с одним из входов второго ключа 17, другой вход которого соединен с первым дополнительным генератором 18, второй делитель 19 частоты, счетчик 20 и второй дополнительный генератор 21.

Излучатель упругих колебаний механического типа (фиг.2) содержит основание 22 с направляющей 23 и контактным цилиндром 24, ударный элемент 25 связан с основанием посредством пружинного элемента 26. На ударном элементе имеется фигурный выступ 27, посредством которого ударный элемент фиксируется в верхнем положении защелкой 28, закрепленной на верхней крышке 29. Защелка имеет кнопку 30 Верхняя крышка и направляющая связаны пружинным элементом 31. На верхней крышке закреплена кнопка 32 сброса, На ударном элементе закреплена гибкая связь 33, имеющая выход на верхнюю крышку. Вся конструкция собрана в корпусе 34.

Первый формирователь 5 (фиг.З) содержит элемент 2И-НЕ 35, один вход которого соединен с одним выходом блока 15 сброса, а другой - с выходом элемента 21/1-НЕ 36, один вход которого соединяется с выходом первого усилителя 3, а другой - с выходом элемента 35. Выход элемента 36 соединен с тремя последовательно включенными инверторами 37 - 39. Выход инвертора 39 соединен с одним входом элемента 2И-НЕ 40, с другим входом соединен выход элемента 36. Выход элемента 40 является первым выходом формирователя 5 и подключается к первому входутриггера 7. Выходы элемента 2И41 подключаются к выходу инвертора 39 и выходу элемента 36. Выход элемента 41 является вторым выходом формирователя 5

и подключается к второму входу счетчика 20 Третий формирователь 9 (фиг.4) состоит из трех последовательно включенных инверторов 42 -44 и элемента 2И-НЕ45, один 5 вход которого подключен к выходу инвертора 44, а другой - к входу инвертора 42.

Сумматор (фиг.5) содержит триггеры 46 и 47, логический элемент 2ИЛИ-НЕ 48, инвертор 49. логический элемент 2ИЛИ-НЕ

10 50, логические элементы ЗИЛИ-НЕ 51 и 52, инвертор 53, логический элемент 2ИЛИ-54 и инвертор 55. Выход инвертора 49 является первым входом сумматора 12. К входу С триггера 47 подключается второй делитель

15 19 частоты. Выход элемента 54 является выходом сумматора.

Схема одного разряда частотомера 13 (фиг.7) содержит элемент 2ИЛИ-НЕ 56, один вход которого соединен с входами им0 верторов 57 и 58 и одним из выходов первого делителя 11 частоты, а выход - с входом С1 двоично-десятичного счетчика 59, выходы Q1, Q2. Q3 и Q4 которого соединены соответственно с входами D 1, D 2, D 3 и D

5 4 триггера защелки 60 Выходы Q1, Q2, Q3 и Q4 триггера-защелки 60 соединены с входами D1.D2, 03и04 дешифратора 61, выходы А, 3, С, D, E, F и G которого подключаются к индикатору 14. К другому входу

0 элемента 56 подключается выход сумматора 12 частот. Выход инвертора 57 подключен к входам & и RO установки в О двоично-десятичного счетчика 59. Выход инвертора 58 подключается к входу записи с триггера-за5 щелки 60. Входы &, R9 двоично-десятичного счетчика 59 подключены к общему проводу (нуль источника питания). Выход Q1 двоично-десятичного счетчика 59 подключен к входу С2. Вход R триггера-защелки 60 под0 ключен через резистор R2 к источнику питания.

Блок 15 сброса имеет ручное управление (фиг.8) и состоит из инверторов 62 и 63, входы которых соединены между собой и

5 подключены к общему проводу и нормально замкнутому выводу переключающей кнопки S, нормально разомкнутый вывод которой через резистор R3 подключается к источнику питания Выход инвертора 62 подключа0 ется к второму входу первого формирователя 5, а выход инвертора 63 - к второму входутриггера 16.

Делитель 11 частоты предназначен для формирования от одного тактового генера5 тора 10 трех различных частот, необходимых для работы таких узлов схемы, как счетчик 20, на который через ключ 3 поступают импульсы частотой fi (экспериментальным образом fi 100 кГц); сумматор 12

частот, на который поступает частота f2(B3KCпериментальном образце f2 1 МГц); частотомер 13, на который поступает частота fa (в экспериментальном образце fa 0,5 Гц). Блок 11 (фиг.8) состоит из двоично-десятичных счетчиков 64-70 и Т-триггера 71.

Устройство для определения плотности грунтов работает следующим образом.

В исходном состоянии излучатель 1 и приемник 2 (используется стандартный сей- смоприемник электродинамического типа) устанавливаются на грунт на фиксированном расстоянии I. Первый дополнительный генератор 18 вырабатывает частоту, значение которой равно А I, Второй генератор 21 вырабатывает частоту, значение которой равно числу В, Гибкой связью 33 ударный элемент 25 поднимается в верхнее положение, где фиксируется защелкой 28 посредством фигурного выступа 27, При этом замыкаются контактны кнопки 32 сброса, в результате чего блок 15 сброса переводит формирователь 5 и триггер 16 в исходное состояние. Кнопкой 30 защелка 28 размыкается и ударный элемент 25 под действием собственного веса и пружинного элемента 26 устремляется вниз по направляющей 23. В момент соприкосковения ударного элемента 25с контактным цилиндром 24 в грунте распространяется упругая волна и одновременно возникает электрический импульс, который через усилитель 3 поступает на формирователь 5.

В формирователе 5 вырабатывается короткий импульс, который устанавливает счетчик 20 в исходное состояние, и короткий импульс, который поступает на первый вход триггера 7. После этого формирователь 5 невосприимчив к изменению сигнала на входе до тех пор, пока блок 15 сброса неч переведет его в исходное состояние. Под действием короткого импульса на первом входе триггера 7 последний устанавливается в единичное состояние и открывает ключ 8. Через открытый ключ 8 счетные импульсы тактового генератора 10, поделенные на определенное, наперед заданное число делителем 11 частоты, подсчитываются счетчиком 20.

Выбор коэффициентов деления на каждом из трех выходов делителя 11 частоты осуществляется из следующих соображений. На счетчик 20 через ключ 8 поступают импульсы с частотой, определяемой емкостью счетчика и требованиями к точности измерения. На первый вход сумматора 12 частот поступают импульсы с частотой на порядок больше, чем на второй и третий входы. На частотомер 13 поступают импульсы, длительность которых равна единичному интервалу времени измерения частоты (1 с).

Упругая волна, распространяясь в грунте, достигает точки установки приемника 2.

В последнем возникает электрический импульс, который усиливается усилителем 4 и через формирователь 5 переводит триггер 7 в нулевое состояние. Ключ 8 закрывается и счетчик 20 прекращает счет. Таким образом,

0 в счетчике 20 фиксируется время t распространения упругой волны от излучателя 1 до приемника 2. Время t является коэффициентом деления делителя 19 частоты.

В момент перехода триггера 7 в нулевое

5 состояние.его второй выход (инверсный) устанавливается в единичное состояние. В результате изменения состояния на входе формирователя 9 с нулевого в единичное в нем вырабатывается короткий импульс, ко0 торый устанавливает триггер 16 в единичное состояние. После чего открывается ключ 17 и на управляемый делитель частоты поступает последовательность импульсов с частотой А- I, вырабатываемая первым

5 генератором 18, На выходе делителя 19 частоты имеют последовательность импульсов с частотой A- l/t, которая поступает на второй вход сумматора 12, на третий вход которого поступает последовательность им0 пульсов с частотой В, вырабатываемая вторым дополнительным генератором 21.

На выходе сумматора 12 имеется последовательность импульсов с частотой A-l/t + + В. Эта частота измеряется частотомером

5 13. Таким образом, на индикаторе 14 А I , о число --- + В, которое соответствует

плотности р данного грунта.

Формирователь 5 работает следующим

0 образом. В исходном состоянии на выходе элемента 36 логический О. В момент прихода импульса из усилителя 3 (в данном случае, это переход из состояния логической 1 в логический О) на выходе элемента 36

5 появляется логическая 1, которая сохраняется и после окончания входного импульса. Логическая 1 поступает на один вход элемента 40 непосредственно, а на второй - через три инвертора 37-39 с некоторой

0 задержкой. На выходе элемента 40 - импульс (логический О), деятельность которого равна сумме электрических задержек в трех инверторах 37 - 39. Следующие импульсы, поступающие из усилителя 3, не из5 меняют состояние выхода элемента 36.

На выходе элемента 36 появляется логический О (т.е. он переходит в исходное состояние) только при поступлении импульса (логический О) из блока 15 сброса на вход элемента 35. После этого формирователь 5 готов выработать короткий импульс при поступлении из усилителя 3 импульса любой длительности. Выходной импульс формирователя 5 является логическим О, так как именно этим уровнем управляется триггер 7. С выхода элемента 2 И 41 снимают импульс такой же длительности, но поло- жительной полярности для установки счетчика 20 в исходное состояние.

Третий формирователь 9 (фиг.4) вырабатывает короткий импульс (логический О), длительность которого равна длительности электрических задержек в инверторах 42 - 44, при смене состояния на входе инвертора 42 с логического О в,логическую 1.

Сумматор 12 (фиг.5) работает следующим образом.

В исходном состоянии триггеры 46 и 47 находятся в нулевом состоянии, т.е. на их нулевых выходах имеется логический О. При этом на выходах элементов 48 и 50 формируется логическая 1, благодаря чему тактовые импульсы из делителя 11 частоты, проходя через инвертор 49, не проходят на выходы элементов 51 и 52. Одновременная подача импульсов I и II (фиг.6) приводит к переключению триггеров 46 и 47 в единичное состояние. При этом на их Q-выходах формируются фронты импульсов 111 и IV. Тактовый импульс V, следующий первым после переключения триггеров, поступает на вход инвертора 49 и через него может пройти либо на выход элемента 51, либо на выход элемента 52.

Допустим, что импульс V проходит на выход элемента 52 (импульс VI). Этот импульс через инвертор 55 переключает триггер 47 в нулевое состояние. Триггер 47 по-прежнему находится в единичном состоянии. Поэтому следующий тактовый импульс VII коммутируется на выход элемента 51 (импульс VHI). Этот импульс через инвертор 53 переключает в исходное состояние триггер 46 и сумматор частот переходит в исходное состояние. Так как импульсы VI- VII разделены во времени, то на выходе элемента 54, выполняющего логическое суммирование им соответствуют два импульса XIX и XX. Изначально разделенные во времени импульсы IX и X преобразуются в импульсы XI и XII, длительность которых равна длительности тактового импульса, и проходят на выход элемента 54 (импульсы XXI и ХХН). Аналогично импульсы XIII - XV преобразуются в импульсы XVI, XII и XVIII с длительностью тактового и разделенные во времени, после чего проходят на выход элемента 54 (импульсы XXIII - XXV).

Таким образом, при поступлении трех импульсов из второго дополнительного генератора 21 и четырех импульсов из делителя 19 частоты, на выходе сумматора 12 имеется их сумма, т.е. семь импульсов. А так как процесс рассмотрен для единичного интервала времени, то происходит суммирование

импульсов в единицу времени, т.е. суммирование частот.

Частотомер 13 работает следующим образом (фиг.7).

Из делителя 11 частоты поступает по0 следовательность импульсов, длительность которых равна 1 с, таким образом, в течение 1 с через элемент 2И-НЕ 56 из сумматора 12 проходят импульсы на двоично-десятичный счетчик 59. По окончании секундного

5 импульса элемент 56 закрывается, а в счетчике подсчитано число импульсов за 1 с, т.е. частота в герцах, В тот момент, когда заканчивается секундный импульс, на выходе инвертора 58 имеется перепад напряжения из

0 логического О в логическую 1, под действием которого происходит запись частоты в триггер-защелку 6 . На выходе инвертора 57 по окончании секундного импульса появляется логическая 1, которая устанавливает

5 двоично-десятичный счетчик 59 в исходное состояние. Дешифратор 61 преобразует двоично-десятичный код, в котором записана частота, в код для управления семисег- ментным индикатором

0При нажатии кнопки S блока 15 сбро т

(фиг.8) на входах инверторов 62 и 63 появляется уровень логической 1, а на выход х - уровень логического О. В результате формирователь 5 и триггер 16 устанавливаются

5 в исходное состояние.

Делитель частоты работает (фиг.9) следующим образом.

На вход подается частота f тактового генератора 10 (в экспериментальном образ0 це f 10 Мгц). Двоично-десятичным счетчиком 64 частота делится на десять и с его выхода поступает на сумматор 12 частот и входдвоично-десятичного счетчика 65. Сего выхода снимается частота f/ЮО и поступает

5 через ключ 8 на счетчик 20 и вход двоично- десятичного счетчика 66. Так последовательно происходит деление частоты на десять в каждом двоично-десятичном счетчике 67 - 70. На выходе двоично-десятично0 го счетчика 70 имеется частота f/107 1 Гц. Эта частота делится на два Т-триггером 71, таким образом, на его выходе - частота 0,5 Гц.

Техническими преимуществами устрой5 ства являются уменьшение времени определения плотности грунтов и повышение надежности измерения. Последнее обстоятельство определяется тем, что формирователь 5 нечувствителен к дребезгу излучателя 1 , возникающему при отскоке ударного

элемента 25 от контактного цилиндра 24. Кроме того, при задании чисел А 1, В О на индикаторе 14 - число l/t, что соответствует скорости распространения упругой волны в грунте и имеет важное значение для случая, когда корреляционная связь (3) неизвестна, и используется для поиска недо- уплотненных зон в грунтовом сооружении

Таким образом, устройство позволяет сократить сроки и повысить качество возве- дения грунтовых сооружений.

Формула изобретения Устройство для определения плотности грунтов, содержащее излучатель упругих колебаний, подключенный через первый уси- литель к первому входу первого формирователя, приемник упругих колебаний,подключенный через второй усилитель к входу второго формирователя, первый триггер, первый выход которого подключен к одному из входов первого ключа, выход которого подключен к первому входу счетчика, тактовый генератор, блок сброса и индикатор, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени определения, оно снабжено двумя делителями частоты и дополнительными генераторами, сумматором, частотомером, вторыми ключом и триггером и третьим формирователем, причем выход тактового генератора подключен к входу первого делителя частоты, выходы которого подключены соответственно к другому входу первого ключа и к первым входам сумматора и частотомера, первый выход первого формирователя и выход второго формирователя подключены к соответствующим входам первого триггера, второй выход которого через третий формирователь подключен к первому входу второго триггера, выход которого подключен к одному из входов второго ключа, к другому входу которого подключен выход первого дополнительного генератора, выходы узла сброса подключены соответственно к вторым входам второго триггера и первого формирователя, второй выход которого подключен к второму входу счетчика, выход которого подключен к первому входу второго делителя частоты, к второму входу которого подключен выход второго ключа, выход второго делителя частоты подключен к второму входу сумматора, к третьему входу которого подключен выход второго дополнительного генератора, выход сумматора подключен к второму входу частотомера, выход которого подключен к индикатору.

Фиг. 2

Г

L

-J

9иг. 3

«1

к /б

Фиг Ч

JJ

из 21

из /9 из И

ТРйггер 46 Ц &ЫХОЭ

триггер 4

.л-%.

выход элемента 5i

ВыхоЗ элемента 5d

6ЫК0Э

элемента 54

г

Риг, 6

7Л

.7

9 иг. 8