Устройство для контроля механических напряжений в твердых средах Советский патент 1992 года по МПК G01N29/18 

Изобретение относится к средствам ие- разрушающего контроля механических напряжений и деформаций в твердых телах, и может найти применение в тех отраслях народного хозяйства, где необходимо проведение контроля и измерения остаточных или действующих напряжений без разрушения контролируемых обьектов полностью или в месте контроля, например, в сварных металлических конструкциях и их элементах, применяемых в машиностроении, строительстве и других отраслях.

Известны устройства, реализующие способ контроля размеров механических напряжений в твердых средах, основанный на том, что скорость распространения ультразвуковых (УЗ) колебаний зависит от размера напряжений в контролируемых точках материала. На практике измеряется величина, определяемая скоростью распространения УЗ колебаний, - временной интервал от возбуждения УЗ колебаний до приема отраженного сигнала (ОС) УЗ колебаний, отразившихся от противоположной поверхности контролируемого материала или обратная ему величина - частота ОС. Временной интервал прохождения УЗ колебаний (именуемый в дальнейшем изложении период ОС) измеряется для двух типов колебаний - продольной и сдвиговой волн, причем последние измеряются в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно действующих напряжений. По измеренным размерам периодов ОС продольных и сдвиговых волн

УЗ колебаний вычисляются размеры двухосных механических напряжений в твердых средах. Поскольку на скорость распространения УЗ колебаний(частоты ОС) влияют еще многие факторы, в частности колебания химсостава различного рода механические деформации, последствия термообработки и прочие, то на практике используется контроль относительного изменения напряжений, при котором начальные их значения трактуются как ложные и определяются для ненагруженных конструкций или материалов.

Известно устройство для контроля механических напряжений, которое с целью обеспечения автоматического контроля также и напряжений снабжено последовательно соединенными преобразователем аналог - код, первый вход которого подключен к выходу измерите- ля периода следования импульсов, олект- ронно-вычислительным блоком, блоком управления, первый вход которого соединен с первым входом электронно-вычислительного блока и блоком ввода постоянных коэффициентов, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управления и вторым входом преобразователя аналог- код, а выход - с вторым входом олектронно- вычислительного блока и цифровым индика- тором, первый вход которого соединен с вторым выходом преобразователя аналог - код, второй вход - с выходом электронно- вычислительного блока, а третий вход - с третьим выходом блока управления,

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является прибор для измерения механических напряжений в твердых средах, содержащий последовательно соединен- ные ультразвуковой преобразователь и усилитель и блок вычислений.

Принцип действия прибора основан на измерении частоты рециркуляции сигналов УЗ колебаний, отраженных от противопо- ложной поверхности контролируемого материала - ОС продольных и сдвиговых волн, возбуждаемых и принимаемых поочередно соответствующими УЗ (акустическими) преобразователями. Измеренные частоты лвля- ются исходными данными для расчета действующих напряжений. При этом учитываются также начальные ложный напряжения в материале до его технологической обработки в тех же контрольных точках.

При расчете напряжений по частотам ОС учитываются также упругие свойства, контролируемого материала и другие его физико-химические характеристики, определяющие прочность и упругость материала. Эти характеристики учитываются путем введения в расчетные формулы напряжений постоянных коэффициентов, характеризующих данный материал. Эти коэффициенты, в свою очередь4определяются путем ультрй- звуковых обмеров образцов соответствующих материалов в нагруженном и свободном состояниях.

Недостатком данного прибора является недостаточная достоверность контроля. В части измерения частот ОС существенное влияние на достоверность результатов мме- ют три фактора. Первый фактор - измерение частоты ОС методом рециркуляции требует формирования сигналов возбуждения УЗ колебаний после одного -трех ОС, в результате ОС от прошлых возбуждений не успевают затухать, и создается высокий уровень помех, сравнимый с амплитудой второго - третьего ОС. Хаотичность и суперпозиция помех, сложение их с принимаемым ОС вызывает нестабильность и скачки измерения частот. Второй фактор - зависимость временного положения начала УЗ колебаний от длительности и формы сигнала возбуждения УЗ колебаний для разных типов материалов и вида колебаний (продольных и сдвиговых). Третий фактор - зависимость временного положения ОС от их амплитуды при большом динамическом диапазоне их размеров.

Целью изобретения является повыше- ние достоверности контроля за счет исключения зависимости временного положения начала УЗ колебаний от длительности и формы сигналов возбуждения.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для контроля механических напряжений в твердых средах, содержащее последовательно соединенные преобразователь, усилитель и блок вычислений, снабжено подключенными к усилителю последовательно соединенными аттенюатором, блоком преобразования сигнала, измерителем временных интервалов, ин- терфейсой и блоком автоматической регулировки усиления, подключенным своим выходом к вторым входам аттенюатора и блока преобразования сигнала, второй выход которого соединен с вторым входом блока автоматической регулировки усиления, формирователем сигналов возбуждения, вход которого соединен с вторым выходом интерфейса, а выход-с ультразвуковым преобразователем и усилителем, блоком диалогового ввода-вывода и оперативным запоминающим блоком, выходы которого предназначены для подключения внешних потребителей инфорр ацми, входы - выходы интерфейса, блока диалогового

ввода-вывода, блока вычислений и оперативного запоминающего блока соединен между собой шинами управления, данных и адреса, второй вход формирователя сигналов возбуждения соединен с шиной данных, третий выход интерфейса соединен с вторым входом измерителя временных интервалов, второй выход которого и второй вход интерфейса соединены шинной связью.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - 10 - составные части устройства с помощью серийно выпускаемых промышленностью электрорадиоэлементов.

Устройство (фиг.1) содержит ультразвуковой преобразователь 1, формирователь 2 сигналов возбуждения, усилитель 3, аттенюатор 4, блок 5 преобразования сигнала, блок 6 автоматической регулировки усиления (БАРУ), интерфейс 7, блок 8 диалогового ввода-вывода, измеритель 9 коротких временных интервалов, блок 10 вычислений и оперативный запоминающий блок 11, а также шины управления (ШУ), данных (ШД) и адреса (ША).

Входы формирователя 2 соединены с ШД и первым выходом интерфейса 7, а выход - с входом-выходом преобразователя 1 и входом усилителя 3, выход которого соединен с первым входом аттенюатора 4, выход которого соединен с первым входом блока 5, второй вход которого соединен с вторым входом аттенюатора и выходом блока б, первый вход которого соединен с вторым выходом интерфейса 7, а второй - с первым выходом блока 5, второй выход которого соединен с первым входом измерителя 9, второй выход которого, в свою очередь, соединен с третьим выходом интерфейса, а выходы - с соответствующими входами интерфейса. Интерфейс 7, блоки 8,10 и 11 объединены между собой ШД. ША и ШУ.

11 имеет выходы для подключения внешних потребителей или источников информации.

Устройство работает следующим образом.

Формирователь 2 формирует сигналы возбуждения УЗ колебаний преобразователя 1, параметры которых (длительность и форма), например, определяются кодом, поступающим по ШД(фиг. 1).

Преобразователь 1 преобразует электрические сигналы п, механические колебания УЗ частоты, и наоборот. ОС механических колебаний, преобразованные в электрические, оступают на вход усилителя 3. Вход усилителя защищен от воздействия мощных сигналов возбуждения УЗ колебаний, но

пропускают слабые ОС. С выхода усилителя через аттенюатор 4 ОС поступает в блок 5. снабженный БАРУ 6. Блок 6 по заданной программе с помощью аттенюатора 4 обеспечивает усиление ОС без искажения их формы до заданной амплитуды во всем диапазоне амплитуд ОС на входе приемника. Измеритель 9 временных интервалов измеряет период ОС - временной интервал,

начало которого - момент формирования сигнала возбуждения УЗ колебаний, а конец - приход ОС. Блок 10 производит вычисление напряжений по заданному алгоритму, включающему данные измеренных временных интервалов. Блок 8 обеспечивает ввод- вывод команд и другой информации, ео визуализацию и работу в диалоговом режиме. Интерфейс С обеспечивает дешифровку и выдачу составным частям устройства управляющих команд и кодированных конструкций.

Блок 11 хранит константы и данные измерений и расчетов.

Для контроля механических напряжений преобразователь 1 устанавливается на контролируемый материал, затем на блоке 8 набирается код выбранного режима работы, адрес контролируемой точки, обозначающий массив блока 11, в котором хранятся

константы данные измерений и расчетов по этой точке. После набора и ввода выбранного режима на дисплее блока 8 инициируются символы операций, которые должен выполнять оператор для реализации заданного режима. Выполнение операции запускается, например, нажатием клавиши Пуск. После выполнения операции ее символ гаснет и оператор может запускать выполнение следующей операции. При

измерении периодов ОС после установки соответствующего датчика, набора соответствующего режима и нажатии клавиши Пуск формирователь 2 по коду, определяющему форму и длительность 3И, и команде запуска,

поступающим из интерфейса 7, формирователь ЗИ, поступающий на преобразователь 1

и усилитель 3, на входе которого имеется запорный узел, не пропускающий мощный сигнал на вход усилителя, защищая его от

перегрузки.

Преобразователь 1 преобразует электрический сигнал в механические колебания и возбуждает их в контролируемом материале. Эти колебания УЗ частоты распрострэмяются в контролируемом материале и, отразившись от его противоположной по- оерхноспг, возвращаются на преобразователь 1, который преобразует эти ОС ультразвуковой частоты с электрические

сигналы, поступающие на усилитель 3. Усиленный сигнал с его выходи пост/пает на вход аттенюатора 4, управляемого по ослаблению сигналов блоком б, программа которого обеспечивает в системе усилитель - аттенюатор - бпок преобразования сигнала, неискаженное усиление сигналов до заданного стандартного уровня во всем динамическом диапазоне амплитуд ОС. Такая система практически исключает случайную ошибку измерения временного интервала Тх, связанную с ее зависимостью от длительности фронта сигнала, фиксирующего конец интервала Тх. Блок б управляется по цепи обратной связи с соответствующего выхода блока 5 и кодом программы, запускаемой интерфейром 7. Выход блока 5 соединен с входом измерителя 9. Сигнал начала намерения периода Тх поступает но интерфейса 7, а выходной сигнал блока 5 означает окончание измерения Тх. С выхода измерителя в интерфейс поступает сигнал об окончании измерения Тх, и код Тх или его обратной величины (X). Все необходимые периоды или частоты ОС - в зависимости от необходимости (в каждом конкретном случае) измеряются идентично - нажатием, например, клавиши Пуск после окончания предыдущей операции, После окончания измерений также нажатием клавиши Пуск оператор запускает программу вычисления напряжений. После выполнения всех операций оператор может вывести на экран дисплея все результаты измерений и расчетов и, убедившись в их правильности, ввести в блок 11. При переходе к новой контрольной точке операции набора ее адреса, измерения и расчетов повторяются.

Блок 11 имеет выходы для подключения к универсальной ЭВМ для вывода или ввода информации. Вводиться могут константы контролируемых материалов, а также коэффициенты для расчета напряжений. Высо- дятся данные измерений и расчетов для их систематизации и анализа.

Вся необходимая информация: константы материалов, коэффициенты и прочие могут вводиться в блок 11 и вручную с блока 8.

Все составные части устройства, пред- ставленноУо на фиг.1, реализуются с помощью серийно выпускаемых микросхем и других электрорадиоэлементов. На фиг.2- 10 представлены функциональные и структурные схемы реализации этих составных частей с указанием используемых электрорадиоэлементов.

Блок 1 - ультразвуковой преобразователь реализован на кварцевых пластинах, пластине Х-среза, возбуждающей продольные механические колебания, и пластине

Y-среза, возбуждающей сдвиговые колебания, Пластины вырезаются из кристаллов натурального или синтетического оптического кварца.

Блок 2 (фиг.2) реализован на дешифраторе серии 533 (533 ИД7), на выходы которого поступает трехразрядный код размера сигнала возбуждения, а выходы соединены с цепями формирования сигналов заданной

0 длительности, состоящими из схемы совпадения 533ЛИ1 и микросхем 533ИД7 с время- задэющей RC-цепью. Сформированные по сигналу Ту импульсы поступают на схему ИЛИ (533ЛА2) и через усилитель мощности

5 на транзисторе 2Т368А поступают на вход блока 1.

Блок 3 (фиг.З) осуществляет предварительное усиление ОС. На его входе - запорный узел, реализованный на резисторах,

0 диодах КД5225 и конденсаторах, защищаю; щи и усилитель 122УН1Д от мощных зондирующих импульсов блока 2 и пропускающий на вход усилителя слабые сигналы блока 1. Через эмиттерный повторитель на трэнзи5 crope 2T368A выходной сигнал усилителя поступает на вход блока 4.

В блоке 4 (фиг.4) (электронном аттенюаторе) сигнал, поступающий из блока б, является напряжением отрицательной обратной

0 связи, обеспечивающее заданное ослабление ОС, поступающих с блока 3. Ослабленный сигнал через эмиттерный повторитель па транзисторе 2Т368А с выхода блока 4 поступает на вход блока 5.

5 Блок 5 (фиг. 5) (блок преобразования сигналов) состоит из трех функциональных частей. Усилитель с БАРУ реализован па микросхеме 526ПС1 и транзисторах 2Т368А и 2П108М. Амплитудный детектор реализо0 ван на микросхеме 544УД2 А и транзисторах 2Т368А и 2ПЗОЗТ, Формирователь прямоугольных импульсов реализован на микросхемах 521 САЗ и 533АГЗ. Выходы блока 5 соединены с входами блоков б и 9, а входы

5 - с выходом блоков 4 и б.

Блок б (фиг.6) реализован на микросхемах 533ИЕ15, 572ПА1А и 544УКД4. Схема работает следующим образом. По входу начальной установки SR (фиг, 6) сигнал блока

0 7 производит начальную установку микросхемы 533ИЕ1Б. В нашем случае это код минимального напряжения, отрицательной обратной связи (ООС). Этот код преобразу- ется преобразователем код - аналог ;

5 572ПА1А о напряжение ООС, которое после усиления на 544ДД4 поступает на блоки 4 н 5. От блока 5 на вход СТ2 (фиг.6) поступают выходные сигналы, превышающие заданный пороговый уровень, определяющий пе- искаженный прием ОС, Эти сигналы

изменяют код на выходе СТ2 до тех пор, пока не получен неискаженный ОС, что фиксируется пороговым амплитудным детектором. После достижения неискаженного приема ОС осуществляется измерение временного интервала блоком 9.

Блок 7 (фиг.7) - программируемый интерфейс реализован на микросхемах серии 580: 580ИК55 - программируемом интерфейсе периферийных устройств, 580ИК53 - программируемый таймер.

Блок 8 (фиг. 8) - блок диалогового ввода-вывода - реализован на микросхеме 580ВВ-79 - программируемом контроллере клавиатуры и индикации, дисплее типа Электроника МС6105 и клавишной матрице.

Блок 9 - измеритель временных интервалов - реализован на микросхемах серии 533 и 580.

Блок 10 (фиг. 9) - вычислитель - реализован на БИС серии 580 ИК80А - центральном процессоре, ГФ24 - генератор тактовых сигналов и ВТ57 - программируемом контроллере прямого доступа к памяти. Для ОЗУ использованы микросхемы 565РУ5, а для ПЗУ - микросхемы 573РФ2.

В блоке 11 (фиг. 10)-оперативно запоминающем блоке энергонезависимого ОЗУ - в качестве элементов памяти применены микросхемы 537РУ1С, а управление осуществлено на БИС580, использована ИК55 - программируемый интерфейс периферийных устройств и ИК51 - программируемый интерфейс связи.. Энергонезависимость обеспечивается батареей на +3,0 В, достаточных для сохранения записанной информации. Схема батарей производится после истечения у них срока службы.

Формула изобретения Устройство для контроля механических

напряжений в твердых средах, содержащее последовательно соединенные ультразвуковой преобразователь и усилитель и блок вычислений, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности контроля, оно снабжено подключенными к усилителю последовательно соединенными аттенюатором, блоком преобразования сигнала, измерителем временных интервалов, интерфейсом и блоком автоматической регулировки усиления, выходом подключенным к вторым входам аттенюатора и блока преобразования сигнала, второй выход которого соединен с вторым входом блока автоматической регулировки усиления,

формирователем сигналов возбуждения, входом соединенным с вторым выходом ин терфейсз, выходом - с ультразвуковым преобразователем и усилителем, блоком диалогрвбго ввода-вывода и оперативным

запоминающим блоком, выходы которого предназначены для подключения внешних потребителей информации, входы-ёыходы интерфейса, блока диалогового ввода-вывода, блока вычислений и оперативного запоминающего блока соединены между собой шинами управления, данных и адреса, второй вход формирователя сигналов возбуждения соединен с шиной данных, третий выход интерфейса соединен с вторым входом измерителя временных интервалов, второй выход которого и второй вход интерфейса соединены шинной связью.

I

|J: Г

ТУ Управляющий

сигнал QTI олоко

Г

Ј

Ј

553/М4

Изобретение может быть использовано при проведении контроля действующих или остаточных напряжений без разрушения контролируемых объектов полностью или в месте контроля, например, в сварных металлических конструкциях и их элементах. Целью изобретения является повышение достоверности контроля замечет исключения зависимости временного положения начала ультразвуковых колебаний от длительности и формы сигнала возбуждения. В устройство введены аттенюатор, блок преобразования сигнала, измеритель временных интервалов, интерфейс, формирователь сигналов возбуждения, блок автоматической регулировки усиления, блок диалогового ввода-вывода и оперативный запоминающий блок. 10 ил.

Фиг. 2

Ri

ультра звукового $2 /у;есн5/ ззо- ботелр

Фс/г. 3

/вгунм

От

усилигел Ч (блок 3)

КП101Ь

От пару (блокб)

фс/г

оттени. о тор г

3T3ff8A

flpUQMHUKV

ffaQKS)

in со

tQ ID I1

«О

o$J. монп/тг У

I

(V)

0

д- системным cutsHO/ устройства

«с

-4 О1 ОТ

со

СЛ

: -Л

ч с

4 i П

z I

У Ч л

S 5 ч tla

li

3

ii

$.V

И

la

0«o

- ,л. . /О

537Py 0

Кь-.

+ 5fi

+ /.4-Я

i Дим

ГЛОЛР - |A/r«4M