Устройство для ультразвуковогоКОНТРОля ВыСОКОТЕМпЕРАТуРНыХ СРЕд Советский патент 1981 года по МПК G01N29/00 

1

Изобретение относится к ультразвуковой контрольно-измерительной технике и может быть использовано, например, при контроле параметров высокотемпературных газовых потоков.

Известен измеритель скорости ультразвука в потоках высокотемпературных газов, который содержит блок управления системы ввода ультразвуковых преобразователей в исследуемую среду, блок магнитной синхронизации, генератор электрических импульсов и блок измерения 1.

Однако он сложен и в силу этого ненадежен.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство, содержащее два ультразвуковых пьезопреобразователя, подключенных к блоку измерения, и систему ввода пьезопреобразователей в исследуемую среду 2.

Существенным недостатком этого устройства является низкая надежность контроля, вызванная тем, что. отсутствует техническая возможность контроля степени нагрева активного пьезоэлемента ультразвукового преобразователя.

Цель изобретения - повыщение надежности контроля - достигается тем, что устройство снабжено амплитудным селектором и схемой сравнения, причем оба пьезопреобразователя через амплитудный селектор и схему сравнения подключены ко входу системы ввода пьезопреобразователей в исследуемую среду и второму входу

блока измерения.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - временные осциллограммы, поясняющие работу устройства; на фиг. 3 - примерная принципиальная схема амплитудного селектора. Устройство содержит ультразвуковые излучатель 1 и приемник 2, связанные с системой ввода ультразвуковых преобразователей 3, которые подключены к блоку измерения 4. Входы амплитудного селектора 5 подсоединены к ультразвуковым преобразователям 1 и 2, а выход через схему сравнения 6 - к входу системы ввода 3 и входу «Сброс блока измерения 4.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент времени i (см.

фиг. 2) после включения питания устройства на схему сравнения 6 поступают два

эталонных напряжения UQ и t/i, причем . Ко входам амплитудного селектора 5 от преобразователей 1 и 2 поступают напряжения, равные нулю, поэтому на выходе амплитудного селектора 5 напряжение отсутствует. Это соответствует положительному потенциалу на выходе схемы сравнения 6 (см. фиг. 2,а). Передний фронт импульса сбрасывает показания цифрового табло и блока измерения 4 и запускает его. Этот импульс также включает систему ввода 3 в режим ввода, после чего преобразователи 1 и 2 вводятся в исследуемую высокотемпературную среду. Вместе с тем, температура преобразователей повышается, статический потенциал на обкладках пьезоэлементов 1 и 2 за счет пироэлектрического эффекта возрастает. При этом температура нагрева в определенный момент времени может быть различной для одного и второго пьезоэлементов. В этом случае статические потенциалы на пьезоэлементах тоже станут различными. Эти потенциалы подаются на входы амплитудного селектора 5.

Необходимо отметить, что температура нагрева пьезопреобразователей 1 и 2 не должна превышать температуры Кюри (Тк) применяемого пьезоэлектрического материала, поскольку выше температуры 7к они теряют свои пьезосвойства. Для керамических пьезоэлектриков ЦТС-19 Гк 290°С, кварцевых 7к 573°С, ниобата лития (LiNbOs) Гк 1210°С. Из-за относительного линейного увеличения размеров пьезоэлектрического преобразователя на его электродах возникает разность потенциалов U-Q/C, где Q - величина заряда, освобожденного при расширении (деформации) пьезопреобразователя, С - емкость пьезопреобразователя. Видно, что температура нагрева пьезоэлемента через коэффициент линейного расширения применяемого пьезоэлектрика прямо пропорциональна величине электрического напряжения на электродах пьезопластинки.

На выходе амплитудного селектора 5 образуется напряжение (см. фиг. 2,6), пропорциональное температуре нагрева того пьезоэлемента, который больше нагрет. Следует отметить, что блок измерения 4 к ультразвуковым преобразователям 1 и 2 подключается через разделительные конденсаторы с целью устранения возможной утечки потенциала заряда пьезоэлементов.

Блок измерения 4 вырабатывает возбуждаюшие сигналы (см. фиг. 2, в), которые преобразователем 1 преобразуются в акустические, проходят исследуемую среду, в которой задерживаются на некоторое время. Принятый ультразвуковой сигнал преобразователем 2 .превращается в электрический, поступает далее на блок измерения 4, в котором по времени прохождения вычисляется необходимый параметр исследуемой среды, например температура высокотемпературного газового потока.

В некоторый момент времени ti напряжение на входе схемы сравнения 6 станет равным опорному напряжению f/i. В этом случае на выходе схемы сравнения 6 образуется нулевой потенциал и работа блойа измерения 4 прекращается, а иа cncTeiay ввода 3 подается команда вывода. При этом преобразователи 1 и 2 выводятся из агрессивной среды, остывают, напряжение на выходе амплитудного селектора падает до уровня, равного t/o (фиг. 2, б). В этсш случае на выходе схемы сравнения 6 о1бразуется высокий потенциал, и процесс измерения повторяется описанным выше образом.

Амплитудный селектор может быть выполнен по схеме, представленной на фиг. 3. Он представляет собой две идентичные цепочки из последовательно соединенных диода 7 и резистора 8, которые подключены к общему конденсатору 9, с обкладок которого снимается выходное напряжение. При повышении температуры нагрева

ультразвуковых преобразователей на их электродах возрастают потенциалы напряжения, которые через диоды 7 и резисторы 8 поступают на выход амплитудного селектора 5. Если потенциалы напряжения не

равны между собой, например, , где Фп и ф1 - потенциалы на входах II и I блока 5 соответственно, то верхний по схеме диод закрыт ввиду того, что разность потенциалов Аф фп-ф1 приложена в обратном направлении. Поэтому потенциал со входа И через диод н нижний по схеме резистор передается на выход блока 5. Если , на выход блока 5 передается аналогичным образом потенциал со входа I.

Следует также отметить, что импульсы возбуждения ультразвуковых преобразователей, поступающие из блока измерения 4, также поступают на входы I или П блока

5, однако при помощи интегрирующей цепочки RC интегрируются и на выход блока 5 не проходят. Постоянная времени интегрирования выбрана из условия , где TI - длительность импульсов зонднрования, а Т2 - время разогрева преобразователей. Поскольку С«Ст2, то конденсатор 9 на амлитуду потенциалов ф: или фц не влияет. Поскольку в описанном устройстве обеспечена работа пьезоэлектрических преобразователей при нормальных температурных условиях, надежность контроля высокотемпературных сред повышается.

Формула изобретения

Устройство для ультразвукового контроля высокотемпературных сред, содержащее два ультразвуковых пьезопреобразователя,

подключенных к блоку измерения, исистему ввода пьезопреобразователей в исследуемую среду, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности контроля, оно снабжено амплитудным селектором и

схемой сравнения, причем оба пьезопреобразователя через амплитудный селектор и схему сравнения подключены ко входу системы ввода пьезопреобразователей в исследуемую среду и второму входу блока измерения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Вопросы современной ультразвуковой спектроскопии. Материалы 3-ей Всесоюзной конференции но вопросам ультразвуковой спектроскопии. - Каунас, изд-во КПИ, 1976, с. 31-34.

2. Установка для измерения скорости и коэффициента поглощения акустических волн в плазме индукционного разряда в Аг. Научные труды Всесоюзного машиностроительного института. Т. 47, № 28, 1975, с. 3-6 (прототип).

г пьезоэлеменлам7К ВЫ(оЗ

t

Фиг. 2

Т I.

8 иг.З