Устройство для контроля механических напряжений в твердых средах

 

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.

(„Я2„„1756815 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я) s G 01 N 29/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

СПИСАНИЕ ИЗСБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Изобретение относится к средствам не- мера напряжений в контролируемых точках разрушающего контроля механических па.- материала, На практике измеряется величипряжений и деформаций в твердых телах, и на; определяемая скоростью распространеможет найти применение в тех отраслях на- ния УЗ колебаний, — временной интервал от родного хозяйства, где необходимо прове- возбуждения УЗ колебаний до приема отрадение контроля и измерения остаточных женного сигнала (OC) УЗ колебаний, отраили действующих напряжений без разруше- ..зившихся от противоположной поверхности ния контролируемых объектов полностью . контролируемого материала или обратная или в месте контроля, например, в сварных ei»y величина — часто а ОС. Временной инметаллических конструкциях и их злемен- тервал прохождения УЗ колебаний(именуетах, применяемых в машиностроении, стро- . мый в дальнейшем изложении. период ОС) ительстве и других отраслях; измеряется для двух типов колебаний — проИзвестны устройства, реализующие . дальной и сдвиговой волн, причем последние способ контроля размеров механических измеряются в двух взаимно перпендикулярнапряжений в твердых средах, основанный . ных направлениях относительно действуюна том, что скорость распространения ульт- щих напряжений. По измеренным размерам развуковых (УЗ) колебаний зависит от раз- . периодов ОС продольных и сдвиговых волн у (Л

l l

СО (,Л

1 2 (21)4815557/28 . (57) Изобретение можетбытьиспользовано (22) 17,04.90 при проведении контроля действующих или (46) 23.08.92. Бюл. М 31 . остаточных напряжений без: разрушения (71) Научно-исследовательский институт контролируемых обьектов полностью или в

"Квант" и Завод измерительной аппаратуры месте контроля, например, в сварных метал"Буревестник" лических конструкциях и их элементах. (72) l3.И.Майко,. В.М.Чесовник, В,Ф.Беля.", . Целью изобретения является повышение вин. В.Н.Смиленко, В.Ф.Золотов и В.ВЛу- достоверностиконтролязасчетисключения зовский зависимости временного положения начала (56) Авторское свидетельство СССР ультразвуковых колебаний от длительности

Ъ 493728, кл. G 01 N 29/00. 1968. и формы сигнала возбуждения. В устройстАвторское свидетельство СССР . во введены аттенюатор, блок преобразоваN. 726980, кл. G 01 N 29/00, 1972. ния сигнала, измеритель временных

Авторское свидетельство СССР .. интервалов, интерфейс, формирователь сигМ915566; кл.601 Н29/00, 1980, налов возбуждения, блок автоматической (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ МЕХА- регулировки усиления, блок диалогового

НИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТВЕРДЫХ ввода-вывода и оперативный запоминаюСРЕДАХ . щий блок. 10 ил. (Я

С:.

УЗ колебаний вычисляются размеры двух- ла. Эти характеристики учитываются путем осных механических напряжений в твердых введения в расчетные формулы напряжений средах. оскольку на . П „к на скорость распростра- постоянных коэффициентов, характеризуюнения УЗ колебаний" (частоты GC) влияют щих данный материал, Эти коэффициенты, еще многие факторы, в частности колебания 5 в свою очередь, определяются путем ультрахимсостава различного р и ного рода к еханические звуковых обмеров образцов соответствуюдеформации; последствия термообработки щих материалов в нагруженном и, . и прочие, то на практике используется кон- свободном состояниях. ельного изменения напряже- Недостатком данного прибора является нт .В ний; при котором начальные их значения 10 недостаточная достоверность контроля. а локныеиопределяютсядля части измерения частот 0С существенное ненагруженных конструкций или материа- влияние на достоверность результатов име1от три фактора. Первый фактор — измерение .

Известно устройство для контроля частоты ОС методом рециркуляции требует механических напряжений, которое с 15 формирования сигналов возбуждения УЗ целью обеспечения автоматического колебаний после одного-трех ОС, в резульконтроля также н напря е н напряжений снабжено татс ОС от прошлых возбуждений не успепоследовательно соединенными преоб- вают затухать, и создается высокий уровень разователем аналог — код, первый вход помех, сравнимыи с амплитудой второго— которого подключен к выходу измерите- 20 третьего OC. Хаотичность и суперпозиция ля периода следования импульсов, элект- помех, сложение их с принимаемым QC выронно-вычислительным блоком; блоком зывает нестабильность и скачки измерения управления, первый, первый вход которого соеди- частот. Второй фактор — зависимость вренен с первым входом ходом электронно-вычисли- менного положения начала УЗ колебаний от: . тельного блока и блоком ввода постоянных 25 длительности и формы сигнала возбуждекоэффициентов, второй вход которого сое- ния УЗ колебаний для разных типов материдинен с вторым выходом блока управления алов и вида колебаний (продольных и и вторым входом преобразователя аналог- . сдвиговых). Третий фактор — зависимость.: код, а выход — с вторым входом электронно- временного положения ОС ат их амплитуды вычислительного блока и цифровым индика- 30 при большом динамическом диапазоне их . тором, первый вход которого соединен с размеров. вторым выходом преобразователя аналог- Целью изобретения является повыше-, код, второи вход— ход — c выходом электронно- ние достоверности контроля за счет йсклювычислительного блока, а тр тий вход — с чения зависимости временного положения: третьим выходом блока управления. 35 начала УЗ колебаний от длительности и форНаиболее близким по технической мы сигналов возбуждения. сущности к предлагаемому устройству яв- Поставленная цель достигается тем, что ляется прибор для измерения механиче- устройстводля койтроля механическихнаских напряжений в твердых средах, пряжений в твердых средах, содержащее содержащий последовательно соединен- 40 последовательно соединенные преобра- . ные ультразвуковой преобразователь и зователь, усилитель и блок вычислений, . усилитель и блок вычислений, снабжено подкл1оченныМи v,усилителю поПринцип действия прибора основан на следовательно соединенными аттенюатоизмерении частоты рециркуляции сигналов ром, блоком преобразования сигнала, УЗ колебаний, отраженных от противопо- 45 измерителем временных интервалов, инложной поверхности контролируемого ма- терфейсой и блоком автоматической регулитериала- OC продольных и сдвиговых волн, ровки ус11ления, подключенным своим возбуждаемых и принимаемых поочередно выходом к вторым входам аттенюатора и соответствующими УЗ (акустическими) пре- блока преобразования сигнала, второй вы.. образователями.Измеренныечастотыявля- 50 ход которого соединен с вторым входом ются исходными данными для расчета блока автоматической регулировки усиледействующих напряжений. При этом учйты- ния, формирователем сигналов возбуждеваются такм<е начальные лажный. напряже- ния, вход которого соединен с вторым ния в материале до его технологической аыходоминтерфейса,а выход-сультраэвуобработкй в тех же контрольных точках. 55 ковым преобразователем и усилителем;

flpvi расчете напряжений по частотам блоком диалогового ввода-вывода и операQC учитываются также упругие свойства, тивным запоминающим блоком, выходы коконтролируемого материала и другие его торого предназначены для подклачейия физико-химические характеристики, апре- внешних потребителей информации, входы деляющие прочность и упругость материа- — выходы интерфейса, блока диалогового

1756815 ввода-вывода, блока вычислений и опера- пропускают слабые ОС. С выхода усилителя тивного запоминающего блока соединен через аттенюато 4 GC б междусобойшинамиуправления,даннйхи снабженный БАРУ 6. Блок 6 по заданной адреса, второй вход формирователя сигна- программе с помощью аттенюатора 4 oGecлов возбуждения соединен с шиной даннь!х, 5 печивает усиление 0С без и к . р д нтерфеиса соединен с вто- формы до заданной амплитуды во всем

ы нте и . - - ды во всем ди1туд на входе приемника, р м входом измерителя временных интер- апаэоне амплиту ОС н валов, второй выход которого и второй вход Измеритель 9 временных интервалов

На иг.1п иве н интерфейса соединены шинной связью. измеряет период ОС вЂ” време а фиг. 1 приведена структурная схема 10 начало которого — момейт формирования предлагаемого устройства; на фиг. 2 —. 10 — сигнала возбуждения УЗ колебаний,а конец составные части устройства с помощью се- — приход ОС. Блок 10 п ои в лок производит вычислед нному алгоритму, рийно выпускаемых промышленностью ние напряжений по заданном а включающему данные измеренных временУстройство (фиг.1) содержит ультразву- 15 ных интервалов. Блок 8 оаеспечивает вводковой преобразователь 1, формирователь 2 вывод команд и др " ф д и другои информации, ее сигналов возбуждения, усилитель 3, аттеню-.. визуализацию и р б

"a оту в диалоговом режиатор4, блок 5 преобразования сигнала, блок ме. Интерфейс 6 обеспечивает дешиф авк и регулировки усиления и выдачу составным частям устройства и(БАРУ) йнте (), рфейс 7, блок 8 диалогового 20 равпяющих команд и кодированных констввода-вывода, измеритель 9 коротких вре- . рукций. . менных интервалов, блок 10 вычислений и . Блок 11 хранит константы и данные из оперативный запоминающий блок 11, а так- мерений и расчетов. же шины управления (WY), данных (ШД) и Дпя контроля механических напряже). 25 ний преобразователь 1 устанавливается на

Входы формирователя 2- соединены с. контролируемый материал; затем на блоке

ы ранного режима рабоШД и первым выходом интерфейса 7;.а вы- 8 набирается кад выбра н ., б— ход — с входом-выходам преобразователя 1 ты, адрес контролируемой точки, обознача, в катарам хранятся и входом усилителя 3, выход которого сое- ющий массив блока 11 в динен с первым входом аттенюатара 4, вы- 30 константы и данные изме ений и блока р динен с первым входам по этой точке. После набора и ввода выбрао а 5, второй вход которого соединен с ного режима на дисплее блока 8 инициирувы ранвторым входом аттен оатора и выходом бло- " ются cHMLoëû опера ий кото ы р д которого соединен с вто- вь.полнять оператор для реализации заданпе вым рым выходом интерфейса 7, а второй — с 35 ного режима. Выполнение опера р выходом блока 5, второй выход ко-. скается, например, нажатием клавиши торого соединен с первым входом измери- ."Пуск", После вы о тепя, второй выход KOToporo, в свою вал гаснет и оператор может запускать выду ащеи операции. При очередь, соединен с третьим выходом ин- палнение следу ащей . П терфейса, а выходы — с соответствую цими 40 измерении периодов ОС и

И т рфеиса. нтерфейг. 7, блоки соответствующего датчйка набора сооТ е— объединены между собой ШД. LUA ствующего режиМа и нажатии клавиши "Пуск" формирователь 2 по коду, определяющему

Блок 11 имеет выхо ы ля и д д подключения форм„н длительность ЗИ; и команде запуска, внешних потребителей или источников ин- 45 паступа ащим из интерфейса 7, формирователь ЗИ, поступающий на преобразователь 1

Устройство работает следу ащим абра- - и усилитсль 3, на входе каторсго имеется зазом. парный узел, не пропускающий мощный сигФормирователь 2 фа.ми

Ф и ф р рует сигналы нал на вход усилителя, .защищая ега от возбуждения УЗ колебаний преобраэавате- 50 перегрузки. пя 1, параметры которых длительность и Преобразователь 1 преобразует электр р, р д ю ся кодом, по- рический сигнал в механические колебания ступающим по ШД (vr.1). г и воэауждает их ь- контролируемом материПреобраэопатепь1 преабразуетэлектри-: апе. Эти колебания УЗ частоты распрастраческиесигнапы ".,механические калебанияУЗ 55 няются и контролируемом материале,, частоты, и наоборот. ОС механич" .ских коле- . отразившись ат ега противоположной побаний, преобразованные в ii; р, электричские, верхности, ьаэврацаются на йреабразова.паступжат на входусипителя3. Вхадусили- . тель 1, который преобразует эти ОС теля защищен от во действия мощных сиг- ультразвуковой частоты в электрические лебяжий, Но сигналы, псступающие на усилитель 3. Уси1756815 ленный сигнал с его выхода поступает на вход аттенюатора 4, управляемого па ослаблению сигналов блоком 6, программа которого обеспечивает в "системе усилитель— аттенюатор- блок преобразования сигнала, неискаженное усиление сигналов до заданного стандартного уровня во всем динамическом диапазоне амплитуд ОС. Такая система практически искл очает случайную ошибку измерения временного интервала

Тх, связанную с ее зависимостью от длительности фронта сигнала, фиксирующего конец интервала Тх. Блок 6 управляется по цепи обратной связи. с соответству ащега выхода блока 5 и кадом программы, запускаемой интерфейрам 7. Выход блока 5 соединен с входом измерителя 9. Сигнал начала измерения периода Тх поступает из интерфейса 7, а выходной сигнал блока 5 означает окончание измерения Тх. С выхода измерителя в интерфейс 7 поступает сигнал об окончании измерения Тх, и код Тх или его обратной величины (Х). Все необходимые периоды или частоты 0C — в зависимости от необходимости (в каждом конкретном случае) измеряются идентично — нажатием, например, клавишл "Пуск" па:ле окончания предыдущей операции, После ока чания 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 3НМ для вывода или ввода информации. Вводиться могут константы контролируемых материалов, а также коэффициенты для расчета напряжений. Высодятся данные измерении 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, представленного на фиг.1, реализуются с помощыа серийно выпускаемых микросхем и других электрарадиоэлементов: На фиг.210 представлены функциональные и структурные схемы реализации этих составных частей с указанием используемых электрорадиоэлементав.

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

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

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

10 длительности, состоящими из схемы совпадения 533ЛИ1 и микросхем 533ИД7 с времязадающей РС-цепыд. Сформированные по сигналу Ту импульсы поступают на схему

ИЛИ (533ЛА2) и через усилитель мощности

15 на транзисторе 2Т368А поступают на вход блока 1.

Блок 3 (фиг.3) осуществляет предварительное усиление ОС. На его входе — запорный узел, реализованный на резисторах, 20 диодах КД5225 и конденсаторах, защищаю-, щий усилитель 122УН1Д от мощных зондирующих импульсов блока 2 и пропускающий на вход усилителя слабые сигналы блока 1.

Через эмиттерный повторитель на транзи25 старо 2Т368А выходной сигнал усилителя поступает на вход блока 4, В блоке 4 (фиг,4) (электронном аттенюаторе) сигнал, поступающий из блока 6, является напряжением отрицательной обратной .

30 связи, обеспечивающее заданное ослабление 0С, поступающих с блока 3. Ослаблен- .

llbtA cunlGR через эмиттерный повторитель на транзисторе 2Т368А с выхода блока 4 поступает на вход блока 5.

35 Блок 5 (фиг. 5) (блок преобразования сигналов) состоит из трех функциональных частей, Усилитель с БАРУ реализован на микросхеме 526П С1 и транзисторах 2Т368А и 2П108М. Амплитудный детектор реализо40 ван на микросхеме 544УД2А и транзисторах

2Т368А и 2ПЗОЗТ, Формирователь прямоугольных импульсов реализован на микросхемах 521СА3 и 533ЛГЗ. Выходы блока 5 соединены с входами блоков G.è 9, а входы

45 — с выходом блоков 4 и 6.

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

50 7 производит начальную установку микросхемы 533ИЕ15, В нашем случае это код: мйнимальнога напряжения, отрицательной аб атнай связи (ООС), Этот код преобразуется преобразователем код — аналог, 55 572ПА1А в напряжение 00С. которое после: усиления на 544ДД4 поступает на блоки 4 и

5, От блока 5 на вход СТ2 (фиг.6) поступают выходные сигналы, превышающие заданный пороговый уровень, определяющий tie искаженный прием GC. Эти сигналы

1756815

10 изменяют код на выходе C72 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

580В В-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 BT57-- программируемом контроллере прямого доступа к памяти,.

Для ОЗУ использованы микросхемы

565РУ5, а для ПЗУ вЂ” микросхемы 573РФ2.

В блоке 11 (фиг. 10) — оперативно запоминающем блоке энергонезависимого 03У вЂ” в качестве элементов памяти применены микросхемы 537РУ10, а управление осуществлено на БИС580, использована ИК55программируемый 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

5 напряжений в твердых средах,.содержащее последовательно соединенные ультразвуковой преобразователь и усилитель и блок вычислений, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности контро10 ля, оно снабжено подключенными к усилителю последовательно соединенными аттенюатором, блоком преобразования сигнала, измерителем временных интервалов, интерфейсом и блоком автоматической ре-.

15 гулировки усиления, выходом подключенным к вторым входам аттенюатора и блока преобразования сигнала, второй выход которого соединен с вторым входом блока автоматической регулировки усиления, 20 формирователем сигналов возбуждения, входом соединенным с вторым выходом интерфейса, выходом — с ультразвуковым преобразователем и усилителем, блоком диалогцвбго ввода-вывода и оперативным

25 запоминающим блоком, выходы которого предназначены для подключения внешних потребителей информации, входы-выходы . интерфейса, блока диалогового ввода-вывода, блока вычислений и оперативного запо30 минающего блока соединены между собой шинами управления, данных и адреса, вто- рой вход формирователя сигналов возбуждения соединен с шиной данных, третий выход интерфейса соединен с вторым âõî35 дом измерителя временных интервалов, второй выход которого и второй вход интерфейса соединены шинной связью.

Or мьюо а8юоооа лреобрм ббгделя

0m

ЧСили тея я (для 3) Om лор (длокб) 1756815

Т388А »

or тепн оторг

К

РФН ЦУГУ ок 5) 1756815

ow

If У от опЕкюатсрО

07 DPOPHace0

ОТ

nI OZP рУе

oerep uce

h CrPw ep

Cppewdmrroty сгм лердело

1756815 1756815

+58

Составитель Й. Чесовник

Техред М.Моргентал Корректор; Т, Вашкович

Редактор Н. Рогулич

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

Заказ 3085 Тираж: : .: .::.: Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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