Устройство для обнаружения трещин в материале

 

Изобретение относится к средствам контроля сплошности породного массива и блоков непосредственно на месте их добычи путем ультразвуковой дефектоскопии. Цель изобретения - повышение достоверности за счет независимости показаний от качества акустического контакта преобразователей с исследуемой средой. Поочередно излучают пачки импульсов излучающими ультразвуковыми преобразователями. Два приемных ультразвуковых преобразователя принимают сигнал. Если между ними имеется трещина, то амплитуды сигналов на них будут различными, если же нет, то сигналы одинаковы. Отношения амплитуд подают на регистратор.3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РесПуБлик I (l9) (I I) (sa)s G 01 N 29/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОPСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

\ (21) 4789941/28 (22) 07.02,90 (46) 29.02.92. Бюл. М 8 (71) Институт геотехнической механики.АН

УССР (72) Б.M.Óñà÷åíêî. В.Н.Сергиенко, С.И;Скрипочка, В;А,Глухих, В,Т,Митьковский и В.А.Губерт (53) 620.179.16 (088.8). (56) Ультразвуковой прибор СБ2М. llpoспект международной выставки "Маркшейдерские приборы и оборудование"; Л;:

В нешторгиздат, 1988. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ

ТРЕЩИН В МАТЕРИАЛЕ

Изобретение относится к горному делу и предназначено для обнаружения трещин в породном массиве.

Известно устройство для определения трещиноватости горных пород, содержащее корпус, выполненный в виде полой трубы с дном, на конце которой жестко закреплены одни концы герметизаторов, подводящие; шланги, телескопическую перфорированную обойму и фиксатор, ограничивающий величину раздвижки обоймы, а другие концы герметизаторов установлены,на корпусе с возможностью продольного перемещения, причем фиксатор и обойма размещены на корпусе и оперты на герметизаторы, при этом в средней части корпуса выполнейы отверстия.

Недостатками известного устройства являются низкая производительность, вы-. званная необходимостью фиксировать из(57) Изобретение .относится к средствам контроля сплошности породного массива и блоков непосредственно на месте их добы5 чи путем ультразвуковой дефектоскопии.

Цель изобретения — повышение достоверности за счет независимости показаний от качества акустического контакта преобразователей с исследуемой средой. Поочередно излучают пачки импульсов излучающими ультразвуковыми преобразователями. Два приемных ультразвуковых преобразователя принимают ситнал; Если между ними имеется трещина, то амплитуды сигналов на них будут различными, если же нет, то сигналы одинаковы. Отношения амплитуд подают на регистратор, 3 ил. менения давления в шпуре в течение некоторого интервала времени значительно большего, чем сам процесс измерений, а также ограниченная область применения, предполагающая наличие в массиве шпуров определенного диаметра.

Известен ультразвуковой прибор, содержащий генератор электрических импульсов, соединенный с ним излучающий ультразвуковой преобразователь, приемный ультразвуковой преобразователь, конструктивно соединенный с излучающим звукопоглощающим элементом, а электрически — c входом блока определения уровня сигнала, выход которого соединен с регистратором, а также досылочные штанги, манометр, ручной насос, воздухопроводный шланг и соединительный кабель.

Недостатком прототипа является низкая достоверность при контроле плотно со1716431

30

50 мкнутых трещин, вызванная тем, что изменение амплитуды сигнала при переходе через такую трещину того же порядка, что и разброс показаний вследствие нестабильности акустического контакта преобразователей . с массивом. Вследствие шероховатости поверхности массива даже стабилизация усилия прижима преобразователей не позволяет получить постоянства их акустического контакта с исследуемой средой, Цель изобретения — повышение достоверности контроля путем устранения зависимости показаний от качества акустического контакта преобразователей с материалом.

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее генератор импуль,сов, первый излучающий ультразвуковой преобразователь, последовательно соеди. ненные первый приемный ультразвуковой преобразователь и блок определения уровня сигнала и регистратор,.снабжено последовательно соединенными тактовым генератором, первым триггером, вторым триггером, первой схемой совпадения, первым ключом, первым интегратором и пер-. вым блоком измерения отношения напряжений, выход которого связан с регистратаром, последовательно соединенными второй схемой совпадения, первый вход которой связан с инверсным выходом второ а триггера, вторым ключом и вторым интегратором, выход которого подключен к второму входу первого блока измерения отношения напряжений, третьим ключом, подключенным информационным входом к генератору импульсов и выходом — к излучающему ультразвуковому преобразователю, последовательно соединенными четвертым ключом, информационный вход которого связан с выходом генератора импульсов и вторым излучающим ультразвуковым преобразователем, последовательно соединенными вторыми приемным ультразвуковым преобразователем, блоком определения уровня сигнала и блоком измерения отношения напряжений, второй вход которого подключен к выходу первого блока определения уровня сигнала, а выход- к информационным входам первого и второго ключей, и соединяющим приемные ультразвуковые преобразователи звукоизоляционным элементом. Инверсный выход второго триггера соединен с управляющим входом четвертоro ключа, Прямой выход второго триггера подключен к управляющему входу третьего ключа, а инверсный выход первоготриггера связан с вторыми входами схем совпадения.

На фиг.1 представлено конструктивное выполнение устройства в варианте для контралл поверхности блоков и обнажений массива горных пород; на фиг.2- электрическая блок-схема устройства; на фиг.3 — временные диаграммы работы устройства.

Приемные ультразвуковые преобразователи 1 и 2 конструктивно соединены звукоизолирующим элементом 3 и снабжены выступающими концами для обеспечения акустического контакта с породным массивом. Для удобства при профилировании звукоиэолирующий элемент 3 соединен с рукояткой 4. Излучающие ультразвуковые преобразователи 5 и 6 закрепляют на противоположных концах профиля к поверхности массива, например, с помощью быстротвердеющих растворов. Все преобразователи при помощи кабелей 7 соединены с измерительной частью устройства, находящейся в корпусе 8.

Тактовый генератор 9 соединен своим выходом с тактовым входом триггера 10. E ro прямой выход соединен с тактовым входом триггера 11. Входы схемы 12 совпадений соединены с инверсным выходом триггера

10 и прямым выходом триггера 11, а входы схемы 13 совпадения — с инверсными выхо-. дами триггеров 10 и 11.

Генератор 14 электрических импульсов выполнен, например, в виде генератора меандра с частотой, равной рабочей частоте ультразвуковых преобразователей, В ыход генератора 14 через ключи 15 и 16 соединен с излучающими ультразвуковыми преобразователями 5 и 6 соответственно. Управляющие входы ключей 15 и 16 соединены с прямым и инверсным выходами триггера 11 соответственно. Выходы приемных ультразвуковых преобразователей 1 и 2 соединены с входами блоков 17 и 18 определения уровня сигнала соответственно.

Входы блока 19 измерения отношения напряжений соединены с выходами блоков

17 и 18, а выход через ключи 20 и 21 — с интеграторами 22 и 23 соответственно. Управляющие входы ключей 20 и 21 соединены с выходами схем 12 и 13 совпадения соответственно. Блок 24 измерения отношения напряжений соединен своими входами с выходами интеграторов 22 и 23, а выходом — с регистратором 25, выполненным, например, в виде линейки светодиодов.

Работа устройства происходит следующим образом, Тактовый генератор 9 генерирует импульсы большой скважности (фиг.3а), На прямом и инверсном выходах триггера 10 получают меандр с частотой в два раза меньше (фиг.3б и Зв соответственно); Триг1716431

50

5 гер 11 понижает частоту меандра еще в два раза (фиг.Зг и Зд показывают диаграммы . напряжений на его прямом и инверсном выходах соответственно; на фиг.3е преДставлена диаграмма напряжений на выходе схемы 12 совпадений, а на фиг.Зж — на вйходе схемы 13 совпадений. С выхода генератора 14 электрических импульсов колебания в виде меандра (фиг.Зэ) поочередно через ключи 15 и 16 поступают на 10 излучающие ультразвуковые преобразователи 5 и 6.

Условимся началом цикла, продолжительностью Т, считать передний фронт им-. пульса на прямом входе триггера 11; В 15 первой половине цикла длительностью Т/2 открыт ключ 15 и соответственно излучается пакет колебаний преобразователем 5, котФрый принимается приемными ультразвуковыми преобразователями 1 и 2. Каждый 20 волновой пакет состоит из нескольких сотен колебаний. Период колебаний соизмерим с временем распространения упругих волн по профилю, поэтому временем запаздывания прихода пакета колебаний к приемным яре- 25 обраэователям по отношению к началу цикла можно пренебречь. Резонансные свойства преобразователей приводят к-тому, что форма колебаний на выходе приемных преобразователей близка:к гармонической. Наличие резонансных свойств у преобразователей приводит к возникновению переходных процессов в начале формирования пакета импульсов и после его окончания, длительность которых уже 35 необходимо учитывать.

Если между приемными ультразвуковыми преобразователями расположена трещина, как показано на фиг.1, то амплитуда колебаний на.выходе одного преобразователя будет существенно больше, чем на выходе другого. Вид сигналов на выходе преобразователей 1 и 2 представлен диаграммами напряжений в интервале 0-Т/2 на фиг.Зи и Зк соответственно. В блоках 17 и

18 определения уровня сигнала происходит усиление и детектирование сигналов. В блоке 19 в каждый момент времени.определяется отношение уровня сигнала, полученного на выходе блока 17 к уровню сигнала на выходе блока 18. В интервале времени О-Т/4 вследствие переходных процессов отношение сигналов нестабильно и в интервале Т/4-Т/2 его можно считать постоянным. Поэтому импульсы на выходе.55 ключа 20, отпираемого в интервале Т/4-Т/2, имеют форму, представленную на фиг.Зл. Уровень постоянного напряжения на выходе интегратора 22 пропорционален амплитуде сигналов и, следовательно, отно1 шению установившихся уровней сигналов на выходах приемных ультразвуковых преобразователей, В момент времени Т/2 произойдет переключение излучающих преобразователей, Работающим станет преобразователь

6. Отношение уровней сигналов на выходах приемных. преобразователей 1 и 2 изменится на обратное; Импульсный сигнал, полученный в интервале времени 3T/4-Т на выходе ключа 21, будет иметь вид, представленный на фиг.Зм. Очевидно, что средний уровень сигнала на выходе интегратора 23 будет значительно ниже уровня на выходе интегратора 22. Поэтому регистратор; соединенный с вйходом блока 24, измеряющего отношение уровйей напряжений на выходах интеграторов 22 и 23, зафиксирует значение значительно больше единицы.

В случае отсутствия трещины отношения уровней напряжения на выходах приемных ультразвуковых преобразователей будут близкими к единице при любом из работающих излучающих преобразователей, так как затуханием ультразвука на базе между приемными преобразователями можно пренебречь. Результат на выходе блока 24, фиксируемый регистратором 25. также будет близким к единице.

Стабильность акустического контакта с массивом для всех четырех преобразователей должна выдерживаться лишь в течение интервала времени, равном продолжительности измерений на одном шаге профиля, т,е. в течение нескольких секунд.

Предположим, что в какой-либо точке профиля регистратор зафиксировал определенную величину отношения напряжений на выходах интеграторов 22 и 23. Если произвести повторный замер в этой же точке, . то очевидно, что акустический контакт каждого иэ приемных преобразователей будет другим, чем в предыдущем случае. Уровень сигнала и их отношение при одном из работающих излучающих преобразователей также будут другими. Но поскольку при приходе сигнала от другого излучающего преобразователя коэффициент передачи каждого приемного преобразователя изменится во столько же раэ по отношению предыдущему измерению, то отношение отношений уровней сигналов на.выходах приемных преобразователей.при перемене излучающих преобразователей останется величиной неизменной и зависящей только от состояния массива на базе между приемными и реобразователями.

Положительный эффект. изобретения по сравнению с прототипом заключается в обеспечении независимости показаний устс

А

1716431 ройства от качества акустического контакта преобразователей с массивом.

Формула изобретения

Устройство для обнаружения трещин в материале, содержащее генератор импульсов, первый излучающий ультразвуковой преобразователь, последовательно соединенные первые приемный ультразвуковой преобразователь и блок определения уровня сигнала и регистратор, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения достоверности, оно снабжено последовательно соединенными тактовым генератором, первым триггером, вторым триггером, первой схемой совпадения, первым ключом, первым интегратором и первым блоком измерения отношения напряжений, выход которого связан с регистратором, последовательно соединенными второй схемой совпадения, с первый вход которой связан с инверсным . выходом второго триггера. вторым ключом и вторым интегратором; выход которого подключен к второму входу первого блока измерения отношения напряжений, третьим ключом, подключенным информациоь ным входом к генератору импульсов и выхе дом — к излучающему ультразвуковое, преобразователю, последовательно соедин.

5 ненными четвертым ключом, информациоу ;. ный вход которого связан с выходо генератора импульсов, и вторым излучаць ;. щим ультразвуковым преобразователем; последовательно соединенными вторымц

10 приемным ультразвуковым. преобразователем, блоком определения уровня сигнала и блоком измерения отношения напряжений. второй вход которого подключен к выходу первого блока определения уровня сигнала, t5 а выход- к информационным входам первого и второго ключей, и соединяющим приемные ультразвуковые преобразователи звукоизоляционным элементом, инверсный выход второго триггера соединен с управля20 ющим входом четвертого ключа, прямой выход второго триггера подключен к управляющему входу третьего ключа, а инверсный выход первого триггера связан с вторыми входами схем совпадения.

171643,1

Фа 8,2

Составитель С. Скипочка

Техред М.Моргентал Корректор О. Кравцова

Редактор С,Лисина

Заказ 609 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101