Устройство для измерения скорости ультразвука Советский патент 1980 года по МПК G01N29/00 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ УЛЬТРАЗВУКА Изобретение относится к области ультразвуковой техники и может быть применено для изучения физико-химических свойств различных материалов находящихся в твердом или жидком состоянии, а именно для определения концентрации химических компонентов плотности, удельного веса, вязкости текучести исследуемых веществ, в ка честве анализатора температурных характеристик и датчика параметров при различных технологических проце сах, для измерения геометрических размеров, упругих констант твердых тел. Наиболее эффективное применение изобретение найдет при измерении остаточных напряжений в металлах и металлических конструкциях без разрушения последних, например после сварки в тех случаях, когда поле остаточных напряжений имеет двух осный характер. Известен прибор для измерения скорости ультразвука в твердых телах, основанный на частотно-импульсном методе определения времени распространения ультразвуковой волны. В тёком приборе использован при цип автоциркуляции,, заключающийся в том, что генератор ультразвуковых импульсов перезапускается импульсом, прошедшим через измеряемую среду 1. Однако при установившейся частоте автоциркуляции и при ее достаточной стабильности данным прибором определяется только относительное изменение скорости прохождения ультразвука в момент измерения при воздействии на исследуемый объект внешних возмущений. Известен также прибор для измерения скорости ультразвука в морской воде, построенный на принципе принудительной импульсной частотнофазовый синхронизации, использующей явление тождественности скорости ультразвука, времени, необходимому для того, чтобы импульс ультразвука и его отражение прошли по строго установленной длине пути 2. Такой прибор пригоден для измерения скорости ультразвука в твердых телах, так как измерительное устройство может быть заполнено только жидкостью. Настройка же оптимального режима синхронизации ведется по зриг

тельному индикатору, что приводит к большой погрешности измерения.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее генератор, соединенный с ультразвуковым преобразователем, мехамй 1ёски связанным с контролируемой средой и через электронный ключ с усилителем, блок . автозапуска, связывающий reHejpatop с усилителем, выход которого нагружен на детектор, соединенный с пересчетны блоком 3. . ; . .

Недостатком этого устройства является наличие постоянной погрешности определении скорости прохождения ультразвука, связанной с неопределенWcTcTbio амплитуды дётектиру емых в него импульсов пересчёта .

Цйль изобретения - повышение точности измерений.

Цель достигается тем, что устройство снабжено дополнительным усилителем,, блоками независимой сёЛекции, автоматической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска и постоянного видеоконтроля, причем первый вход усйЛителя связан с й ходом электронного ключа, второй его вход связан с выходом блока автоматической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска, а выход этого усилителя нагружен на первый вход блока независимой селекции, второй вход которого связан с первым выходом пересчетнрго блока, первый выход блока независимой селекции нагружен параллельно на входи генератора и блока автоматической стабилизации амплитугя полуволны пе резапуска, а второй его выход связан с первым входом блока постоянного видеоконтроля, второй вХод которого со 5динё.нС втЬрв1М| выходом пересчетного блока, имеющим одновременную обратную связь через линию задержки со Своим же входом.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы электрических процессов.

Устройство содержит генератор 1, ультразвуковой преобразователь 2 механически связанный с контр олйруемой средой 3, электронный ключ 4, усилитель 5, детектор 6, перес етный блок 7, имеющий обратную связь через линию эаде1$жки 8 со своим же ;входом, и блок автозапуска 9, связывгиощий усилитель 5 с генератором 1 Устройство содержит также дополнительный усилитель 10, блок независимой селекции 11, блок 12 Автоматической стабилиз ацйй айплйтуааТПблуволны перезапуска иблок 13 постоянного видеоконтроля.

Устройство снабжено цифрЬшлм частотомером, включаемым в любую точку 1 замкнутого контура а втоцйркуляцйй,

746279

предпочтительно к генератору Д, либо к Перес-четному блоку 7 (на схеме не показан).

Работу устройства поясняют диаграммы электрических процессов (фиг. За исходное состояние взят момент, когда импульсы ультразвуковых колебаний не проходят через контролируемую среду. .

1 Не получая сигнала АРУ от блока 5 - первого усилителя радиоимпульсов, блок автозапуска 9 выдает импульсй с собственным периодом повторения Тс (фиг. 2, а) на второй вход генератора 1, производя его запуск (фиг. 2, в).

С выхода ключа 4 на вход усилителей 5 и 10 синхронно поступает ряд малых пО величине и убывающих по .амплитуде радиоимпульсов с частотой заполнения, равной сЬ15Гственной частоте ультЩзвукового преобразователя 2 (фиг. 2, с). По диаграмме с необходимо сделать условное допущение, состоящее в еледукицем. При определенном номере отражения т , например четвертом, ультразвукового сигНаЛа Прибор перейдет в режим автоциркуляции, и дальнейший характер приведённой диаграммы нарушится. Одriajico для наглядности объяснения временных интервалов диаграмму с фиг.2 оставляют без изменения, предположив при этом, что после п -го номера она с ановится подобной с, отражающей действительную картину установившегося реяосма автоциркуляции.

Непрерывный ряд усиленных радиоимпульсов с первого выхода усилителя 5 с поступает на вход детектора б, на выходе которого преобразуется в . непрерывнЕЛй ряд видеоимпульсов. Независимо от того, в каком состоянии счета находится блок пересчета 7/ в Момент прихода на его первый вход ч -го видеоимпульса с амплитудо переднего фронта выше порога запуска, на его выходе возникает выбррс напряжения (фиг. 2, ), часть которого с его же второго выхода через линию задержки 8 возвращаете на собственный второй вход Сброс, переводя блок 7 в йачальное состояние счета до. прихода следующего М.-го видеоимпульса в повторяющемся ряде отражений (фиг. 2, d ). Таким образом, пер1аоначальный выброс напряжения на выходе блока 7 преобразуетс В отчетливый прямоугольньй видеоимпульсу длительность которого равна времени задержки лййии задержки 8, а длительности его фронта и спада, зависящие;только от частных свойств блока 7, могут быть доведены до значний на порядок и более ниже длителькости четверть волны ультразвуковых колеб аний.,

Из сопоста вления диаграмм cud на фиг;. 2 видно, что всякий счетный

импульс (фиг. 2 t/ ) /7 -го номера располагается напротив (совпадает во времени) той волны в радиоимпульсе

W -го номера (фиг. 2, с), которая, пройдя амплитудный детектор, вызывает запуск блока 7. . 5

В предлагаемом приборе это явление примене.но для использования прямоугольного видеоимпульса счета

(фиг. 2, о/ ) в качестве ворот независимой селекции той волны ра- IQ диоимпульса, которая его соответственно вызывает (фиг. 2, с), С этой. целью длительность времени задержки линии 8 устанавливается равной периоду Ту ультразвуковых колебаний . . преобразователя 2,

Поскольку систему АРУ усилителя 5, устанавливающую оптимальные условия режима автоциркуляции, изменять нельзя, в предлагаемый прибор вводится второй усилитель 10, предназначен-20 ный только для независимой селекции,

С выхода усилителя 10 усиленный ряд радиоимпульсов, абсолютно идентичный ряду радиоимпульсов на выходе усилителя 5, (фиг. 2, с) поступает 25 на первый вход блока независимой селекции 11, на второй вход которого с выхода блока- пересчета 7 приходит прямоугольный видеоимпульс Л -го номера счета , установленного пере- 30 ключателем nj. в результате реализации логической комбинации И входной ряд радиоимпульсов в промежуточной точке блока 11 в полном временном соответствии потеряет од- 35 нополярные полупериоды за исключением того полупериода, который, заполняя радиоимпульс п -го «омера, попадает в ворота селекции (фиг. 2, е ). После отсечки полупериодов противополож- . нрй полярности (фиг. 2, е они показаны как отрицательные) на выход блока 11 пройдет только селектируемая полуволна 1 -го отражения, имеющая сначала амплитуду (фиг. 2, е)/ . равную амплитуде UQ в ряде радиоимпульсой, приходящих на первый вход блока 11( фиг. 2, с) от усилителя 10. Выделенная полуволна с первого выхода блока 11 в качестве импульса перезапуска подается на первый вход 0 генератора 1, производя его повторный запуск, т. е. работа прибора переходит в режим автоциркуляции.

Генератор 1, как всякое элек- тронное устройство, имеет собственный порог запуска ( см. диаграмму/ фиг. 2,1Л7) На этой же диаграмме отображающей более шире временной процесс на выходе блока 11 (фиг. 2 е) ,60 видно, как в зависимости от амплитуды отселектированной полуволны, сколь,зит время начала перезапуска {по.грешность .4 / ) по порогу запуска блока 1.65

J

Для исключения погрешностиЛf в

предлагаемое устройство введен .бло 12 автоматической стабилизации амплтуды полуволны перезапуска до какоголибо постоянного значения, например ст (диаграмма / на фиг. 2). В результате стабилизации амплитуды в общее время Т., задержки импульса, проходящего по всему кольцу автоЦиркуляции, вне зависимости отвида измерений будет вноситься постоянная добавка гст (фиг. 2, /), не влияющая на величину соотношений измеряемых частот автоциркуляции .п .

Блок стабилизации амплитуды 12 работает следующим образом. Если амплитуда отселектированной полуволны равна (фиг. 2 f), блок 12, проанализировав ее значение, вырабатывает сигнал, поступающий на отдельный вход усилителя 10 и изменяющий его коэффициент усиления та.к, чтобы амплтуда выделенной для перезапуска полуволны стала равной ст (фиг. 2, / ) . Таким образом, введение блоков 10, 18 и 12 устраняет постоянную погрешность при измерениях .

Для устранения дискретной неопределенности в численном значении измеряемой частоты F , связанной с неопределенностью номера полуволны радиоимпульса, попадающей в видеоимпульс селекции, в предлагаемое устройство введен блок 13 - блок непрерывного видеоконтроля. Как только блок пересчета выдает передний фронт видеоимпульса -го номера (фиг. 2,с/ часть этого импульса запускает развертку X осциллографа (блок 12) (фиг. 2,rf ), а на вертикальный усилител У подается электрический сигнал реализации логического процесса совпадения радиоимпульса номера с видеоимпульсом -го номера в промежуточной точке блока 11 (фиг. 2, е ). На экране осциллографа через время задержки з.о возникает графическое изображение картины селекции, по которой можно уверенно определить, какая по счету полуволна -ого радиоимпульса произвела перезапуск генератора 1. На диаграмме фиг. 2 экрана осциллографа видно, что номер полуволны перезапуска равен единице.

Если же огибающая первой селектированной полуволны отражения в амплитудном детекторе б окгикется ниже порога запуска пересчетного блока 7, то момент возникновения, видеоимпульса селекции сдвинется во времени на период ультразвуковых колебаний Т , при этом графическое изображение картины селекции на экране осциллографа блока 13 изменится таким образом, что будет нетрудно увидеть что номер выделенной для перезапус17ка полуволны стал равным двум и т.д. Если же в силу внешних обстоятельств требуется произвести пере.расчет измеренной частоты Т с по Луволны на полуволну (например, для сохранения соотношений измеренных частот на лабораторном образце и объекте, когда экран осцил лографа блока 13 фиксирует смещение номера селектируемой полуволны), такой перерасчет производится по фо муле Г - (ГЩ, Fn,, ytr,F« « где О7 - частота автоциркуляции на 1 -ом номере отражени и Л -ом номере выделенно полуволны, ГЦ ; Ту - период собственных ультр звуковых колебаний приме няемого преобразователя, сек. В случае прекращения режима авто циркуляции, на блок автозапуска 9 не поступает сигнал АРУ от усилител 5. Блок 9 выдает импульс на второй вход генератора 1, и процесс автоциркуляции восстанавливается автоматически. В общем виде скорость ультразвука, проходящего через измеряемую среду, определяется по формуле /- -ft , (2) - J S.Tg /м/сен/ ) : ., ,где ff - частота автоциркуляции измеренная на гг -ом номере отражения, 1 сек; - толщина исследуемого вб- ..,.,, щества, м; , . - номер пересчета (отражеX/.: . (О - суммарное время задержки электрического импуль са, проходящего через все функциональные блоки кроме исследуемого вещес ва (сек); /7 - общее время прохождения Электрического импульса по замкнутому кольцу авт циркуляции (Т;7 51 ) , -|±1 Обычно 7;,и формуле (2) приобретает окончательной вид (н/сек) . (3) в тех случаях, когда отношением -«- пренебречь нельзя, скорость пр flч хождения ультразвука через исследуемую среду определяют по формуле (м/се), (4) п vj-f где J частота автоциркуляции, измеренная соответственнои п +1-ОМ номере отражения (устанавливается, переключателем) . Формула изобретения Устройство для измерения CKOfioc- ти ультразвука, содержащее генератор, соединенный с ультразвуковым преобразователем, механически связанным с контролируемой средой и через электронный ключ с усилителем, блок автозапуска, связывающий генератор с усилителем, выход которого погружен на детектор, соединенный с пересчетным блоком, о т л и ч ающ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, устройство снабжено дополнительным усилителем, блоками независимой селекции, автоматической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска и постоянного видеоконтроля, причем первый вход усилителя связан с выходом электронного ключа, второй его (Вход связан с выходом блока автоматической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска, а выход этого усилителя нагружен на первый вход блока независимой селекции, второй вход которого связан с первым выходом пересчетного блока, первый выход блока независимой селекции нагружен параллельно на входы генератора и блока автоматической стабилизации амплитуды полуволны перезапуска, а второй его выход связан с первым входом постоянного видеоконтроля, второй вход которого связан с вторым выхода)м пересчетного блока, имеющим одновременную обратную связь через линию задержки со своим же входом. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.R. Z. Forgacs, Improvement in the sing-around Technique, the Journal of the AlaesticalSociety of America, 32, ; 12, 1960, p. 39. 2.N. D. Wilson, D. D. Taylor, Sound velocity measurement in liquids, Electronics, 1960, v. 33, 37, p.69. 3.Авторское свидетельство 423377, кл. G 01 Н 5/00, 1974 (прототип) .

//А/Х

в

п

Фа1.1

i

Тав

С- iOtt,

TFT

Ти-84,

HMf

П

Л/

jiA

,с-

. . 1 «

I «

J

Hf