Устройство для измерения скорости ультразвука

 

Изобретение относится к области неразрушающих испытаний и может быть исюльзовано для ультразвукового контроля металлических конструкционных материалов , подвергающихся циклическому жению. Цель изобретения - повышение чувствительности и точности измерений. За счет измерения времени распространения ультразвука относите..i чо первого отраженного эхо-сигнала оценивается скорость распространения ультразвука в контролируемом материале. Введение компаратора высокого ровня позволяет исключить ложные измерения времени распространения льтрапри наличии шумов и случайных помех в электроакустическом тракте, что повышает точность измерений. 2 ил. 5 (/)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2!) 4671340/28 (22) 0;3.04.89 (46) 07.03.9!. Вюл. ¹ 9 (71) Горьковский филиал Всесоюзного научно-исследовательского института по нормализации в машиностроении (72) В. В. Мишакин (53) 620.179(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1226066, кл, Зз 01 Н 5/00, 1986.

Авторское свидетельство СССР № !516794, кл. хз О! Н 5/ОО, !988.

Изобретение относится к области неразрушающих испытаний и может быть использовано для ультразвукового контроля металлических конструктивных материалов, подвергающихся циклическому нагружению.

Цель изобретения — повышение чувствительности и точности измерений за счет исключения ложных измерений времени, распространения ультразвука при наличии структурных шумов и случайных помех н электроакустическом тракте.

На фиг. представлена функциональная схема устройства для измерения скорости ультразвука; на фиг. 2 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения скорости ультразвука содержит (фиг. 1) генератор зондирующих импульсов, пьезопреобразонатель 2, усилитель 3, компаратор 4 высокого

„„90„,„1633292 А 4 (5l)5 (з 01 Н 5/00, (з О! 29/00 (54) УСТРОЙС Г!3О Д. 1Я ИЗМЕ! ЕНИЯ

СКОРОСТИ У, Ih ГРА;3ВУКА (57) Изобретени 06ласти неразр II!iBIolliHx ис;Зытаний и может быть исчользонано для ультразвукового контроля металлических конструкционных материалов, подв IIIdlolIIHx(.ÿ циклическому на(ружению. Цель изобретения — повышение чунстнительности и точности измерений.

:3;l счет измерения времени распространения ультр .3знука относи... I го первого ограж II(3 о г о э х о - с и г и I3 i I а о ц е 3 3 и l 3 i I I (. и (K o I3 o c T b р а (. ИР(3стl!i! II(. HHH УльтРазн(ьil 33 I(oIITPo. IH)3x(. мом материале. Введе(:Ilå компаратора высокого Зроння позволяет исключить ложные измерен((я времени распространения ультра.3вхк(3 II!)H наличии шумов и случайных помех н зла кTðîакус1ическоM тракте, что ионышает точность измерений. 2 ил. уровня кол(паратор 5 низкого уровня, блоки 6 и 7 задержки, элемент . 3 И 8, коммутаloII 9, счетчики 10 и 11 импульсов, формирователи !2 и 13 импульсов, источник !4 временных интервалов, R. 3-триггер 15, интегратор !6, сумматор 17, фильтр 18, инвертор 9, регистри рующий блок 20, блок .2 индикации, например осциллограф. Г!ьез(3преобразователь 2 соединен с первь(м выходом генератора I зондирующих импульсов и с входом усилителя 3, выход которого соединен с первым входом блока 21 индикации, с входами компараторов 4 и 5. Второй выход генератора 1 зондирующих импульсов подсоединен к установочным входам счетчиков 10 и ll импульсов, к второму входу блока 21 индикации, к первому управляющему входу коммутатора 9 и к входу первого блока 6 задержки, выход которого соединен

1633292 где lг„

oti

/ с первым входом элемента 3 И 8 и с входом второго блока 7 задержки. Выход второго блока 7 задержки соединен с вторым управляющим входом коммутатора 9 и с вторым входом элемента 3 И 8, подключенного третьим входом к выходу компаратора 4 высокого уровня и выходом — к информационному входу коммутатора 9, первый и второй выходы которого соединены с счетными входами счетчиков 10 и 11 импульсов соответственно. Первый формирователь 12 импульсов подсоединен первым входом к выходу счетчика 10 импульсов, вторым входом к Bblxo!ló компаратора 5 низкого уровня и к второму входу формирователя 13 импульсов и выходом -- к входу запуска источника 14 временных интервалов. Второй форм и ровател ь 13 импульсов подключен первым входом к выходу счетчика 11 импульсов и выходом к S-входу RS-триггера 15, подсоединенного R-входом к выходу источника 14 временных интервалов и выходом— к входу интегратора 16, выход которого соединен с первым входом сумматора 17 и с входом фильтра 18 Выход фильтра 18 соединен с входом иннертора 19, выход которого подключен к второму входу сумматора 17, подсоединенного выходом к входу регистрирующего блока 20.

Устройство для измерения скорости ультразвука работает следующим образом.

С первого выхода генератора 1 импульсы поступают на пьезопреобразователь 2, излучающий н исследуемый материал 22 ультразвуковые импульсы. Ультразвуковые эхосигналы, поступающие на иьезоиреобразователь 2, преобразуются в электрические и усиливаются усилителем 3, с выхода которого (фиг. 2, а) поступают на входы комиаратора 4 и 5 высокого и низкого уровня.

Комиарагор 4 высокого уровня срабатывает (фиг. 2. ()) ири достижении входным сигналом наири кения Uo, большего ио величине, чем амилиTóäа случайных помех H структурных акустических шумов. Комиаратор 5 низкого уровня срабатынает при прохождении входным сигналом нулевого потенциала.

Сигнал с выхода компаратора 4 высокого уровня через элемент ЗИ 8 поступает на информационный вход коммутатора 9. Запрет на прохождение импульсов с выхода комиаратора 4 высокого уровня на коммутатор 9 н момент прохождения зондирующего сигнала и в момент прохождения промежуточных эхо-импульсов между первым и А-м отраженным сигналом осуществляется с помощью элемента ЗИ 8 и последовательно соединенных блоков 6 и 7 задержки (фиг. 2, в и г). Запуск блока 6 задержки осуществляегся сигналом с второго выхода генерагора зондирующих импульсов (фиг. 2, е).

Запуск блока 7 задержки осуществляется сигналом с выхода блока 6 задержки (фиг. 2, ). Коммутатор 9 направляет импульсы, поступающие с выхода элемен5

55 та ЗИ 8 (фиг. 2, д) при наличии сигнала на первом управляющем входе коммутатора 9, на счетный вход счетчика IO импульсов, а при наличии сигнала на втором управляющем входе коммутатора 9 — на счетный вход счетчика 11 импульсов. Счетчик 10 импульсов формирует на выходе сигнал (фиг. 2, ж) в момент поступления сигнала, соответствующего п-му периоду в первом отраженном сигнале. Счетчик 11 импульсов формирует на выходе сигнал (фиг. 2, з) в момент поступления сигнала, соответствующего и-му периоду в N-м отраженном сигнале. Установка счетчиков 10 и 11 импульсов в начальное состояние осуществляется импульсом с второго выхода генератора зондирующих импульсов. Сигналы с выходов счетчиков IO и 11 поступают соответственно на первые входы формирователей 12 и 13, на вторые входы которых поступают сигналы с выхода компаратора 5 низкого уровня. Формирователи 12 и 13 вырабатывают на выходе импульсы, передний фронт которых совпадает с моментом прохождения сигнала с выхода усилителя 3 нулевого потенциала. Сигналы с выхода перного формирователя 12 (фиг. 2, и) поступают на вход запуска источника 14 временных интервалов и запускают его передним фронтом. С выхода источника 14 временных интервалов сигнал, задержанный на время tw,g (фиг. 2, л), поступает на R-вход RS-триггера 15, íà S-вход которого поступает сигнал с выхода второго формирователя 13 (фиг. 2, к). В результате на выходе RS-триггера 15 имеем сигнал длительностью т (фиг. 2, м). Установка счетчиков 10 и 11 в начальное положение осуществляется импульсом с второго выхода генератора 1 зондирующих импульсов. С выхода RS-триггера 5 сигнал длительностью т поступает на вход интегратора 16, который преобразует этот сигнал в напряжение Ut)tt, пропорциональное т

Use = т, где Utty — напряжение на выходе интегратора 16;

Й вЂ” коэффициент.

Время распространения ультразвука в материале в этом случае ранно =4.3+т, где tn,а — время, формируемое источником

l4 временных интервалов.

При циклическом одноосном нагружении величина т равна т=тО+(у+ )стОсоз(< +<ф) О+ т Г, Д вЂ” коэффициент упругоакустической связи; — коэффициент Пуансона; — модуль Юнга; амплитуда напряжения, МПа; — циклическая частота нагружения; — фаза; — текущее время;

1633292

1o — время распространения ультразвука при ((o=0 в начальный момент испытания; то — время т при ((О=О в начальный момент испытания;

Лт(— приращение времени распространения ультразвука в результате необратимых изменений в материале, подвергаемом циклическому на гружен и ю.

Величина Лтр является медленно изменяющимся параметром по сравнению с переменной составляющей, возникающей из-за упругоакустического эффекта ч из-за изменения длины акустического пути.

Сигнал с выхода интегратора 16, пропорциональный величине т. поступает на вход фильтра 18, пропускающего на выход переменную составляющую частотой ((. Сигнал с выхода фильтра 18 подвергается фазовой инверсии в инверторе 19, с выхода которого сигнал поступает на второй вход сумматора 17, на первый вход которого сигнал поступает с выхода интегратора !6. В результате на выходе сумматора 17 реализуется следующая функция тэф=т()+М, соЫ(о1+(((11()+М +

+ lг" ((()сов(ь(1+ (г + л)1()= т((+ Лт(, где lг = Й, + —.

Величина, пропорциональная тэф, в процессе нагружения фиксируется регистрирующим блоком 20, а блоком 21 индикации, в качестве которого используется осциллограф, контролируются эхо-сигналы, поступающие с выхода усилителя 3.

Изменение толщины материала вследствие необратимых процессов ири циклическом нагружении в области многоцикловой усталости практически не происходит. В этом случае ири испытании на усталость большая часть долговечности материала определяется процессом накопления рассеянных микроповреждений. Поэтому можно принять

Vðô = = ()+ Л Vie, t,)+Лт( где 1„= 1л.э+т(, to — длина акустического пути;

Гяф — скорость распространения ультразвука в материале 22, подвергаемом циклическому нагружению;

Vo — скорость ультразвука ири no=0, t 0;

Л !,((— изменение скорости ультразвука из-за необратимых изменений в материале.

Выбрав в качестве базы ири оценке времени распространения ультразвука в материале один из периодов первого отраженного сигнала, переходом к относительным измерениям исключаем погрешности, возникающие в электроакустическом тракте при измерениях, когда в качестве базового сигнала взят опорный импульс, возбуждающий генератор зондирующих импульсов.

В известном устройстве измеренное время равно

1 =1Э)(+1((.с+1, где(эх — временные задержки в электрическом тракте;

t ((.c.— время задержки сигнала в пьезопреобразователе при его возбуждении и в контактном слое между пьезопреобразователем и исследуемым материалом; — время распространения первого отраженного ультразвукового эхо— сигнала.

Для Л -го отраженного сигнала имеем

15

1"==1э((+1 к.с+. .

11ереходя к относительным изме рениям. имеем (/

Л вЂ” 1

В результате исключается влияние и 1((с на результаты измерений. При нагружении материала в упругой области устройство выделяет сигнал на выходе интегратора 16, величина которого пропорциональна действующим упругим напря кениям, что позволяет использовать его в качестве измерителя механических напряжений. Использование изобретения позволяет повысить чувствительность и точность измерений за счет исключения ложных измерений времени распространения ультразвука при наличии структуpHb(x и(ул(ов и случайных помех в электроакустическом тракте.

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее последовательно электроакустически соединенные генератор зондирующих импульсов, пьезопреобразователь усилитель и компаратор низкого уровня, последовательно соединенные источник временных интервалов, RS-триггер, интегратор, сумматор и регистрирующий блок, блок индикации, инвертор и фильтр, подключенный входом к выходу интегратора, выходом

45 к входу инвертора, выход которого подсоединен к второму входу сумматора, а блок индикации подключен первым входом к выходу усилителя, ог(нчающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности измерений, оно снабжено двуми блоками

5р задержки, элементом ЗИ, двумя счетчиками импульсов, коммутатором, двумя формирователями импульсов и компаратором высокого уровня, подключенным входом к выходу усилителя, выходом к первому входу элемента ЗИ, второй выход генератора зонди55 руюших импу ьсов иодсоеди ен к первому управляющему входу коммутатора, к второму входу блока индикации, к установочным входам обоих счетчиков импульсов и к входу

1633292 первого блока задержки, выход которого соединен с вторым входом элемента ЗИ и с входом второго блока задержки, подсоединенного выходом к третьему входу элемента ЗИ и к второму управляющему входу коммутатора, подключенного информационным входом к выходу элемента ЗИ, первым и вторым выходами — к счетным входам первого и второго счетчиков импульсов соответственно, выход первого счетчика импульсов соединен с первым входом первого формирователя импульсов, подключенного вторым выходом к выходу компаратора низкого уровня и к второму входу второго формиро5 вателя импульсов, выходом — к входу запуска источника временных интервалов, выход второго счетчика импульсов соединен с первым входом второго формирователя, подсоединенного выходом к S-входу триггера.

1633292 нап

Составите(>ь f3 Еостк>кии

Редактор (:, Патрушева Техред Л h рванул Корректор (. 111> ику н

Заказ 612 Тира>ж 311> 11однис иое

ВНИИПИ Государственного ко»>итета ио изобретениям и»тлр»>таим при ГКНТ (.("ГР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушскан наб, д. 4 5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г. Ужгород, x.> Г;» арина, I» I