Устройство для измерения скорости ультразвука

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при неразрушающих испытаниях для ультразвукового контроля металлических конструкций. Цель: повышение точности измерений за счет исключения дополнительных измерений времени распространения. Изделие зондируется радиоимпульсами и устройством производится анализ приемных эхо-сигналов также в виде радиоимпульсов. Управляемый элемент задержки зондирующего сигнала изменяет свой номинал в зависимости от совпадения его с величиной времени распространения ультразвука каждого полупериода сигнала. Счетчики подсчитывают временные интервалы, а регистр показывает порядок полуволны. По расчетной формуле определяют скорость ультразвука. 2 ил.

Изобретение относится к неразрушающим испытаниям и может быть использовано для ультразвукового контроля металлических конструкций, подвергающихся механическому нагружению.

Известно устройство для определения скорости ультразвука, содержащее последовательно соединенные пьезопреобразователь, генератор зондирующих сигналов, усилитель, измеритель временных интервалов [1] Однако известное устройство имеет ряд недостатков. Его нельзя использовать при прецизионных измерениях скорости ультразвука за счет неточного измерения времени распространения упругих волн.

Наиболее близким техническим решением является устройство для определения скорости ультразвука в подвергающихся циклическому нагружению конструкционных материалах и содержащее последовательно соединенные преобразователь, генератор зондирующих сигналов, усилитель, компаратор высокого уровня, компаратор низкого уровня, блоки задержки, элемент 3И, коммутатор, счетчики импульсов, формирователь импульсов, источник временных интервалов R-S триггер, интегратор, сумматор, фильтр, инвертор, регистрирующий блок, блок индикации [2] Недостатком данного устройства является то, что для измерения скорости ультразвука вначале измеряется постоянная составляющая времени распространения ультразвука, которая затем складывается с измеренной переменной составляющей ранее образующейся при циклическом деформировании материала. Поэтапное измерение времени распространения ультразвука дополнительно приводит к погрешностям в измерении скорости ультразвука.

Целью изобретения является повышение точности измерения скорости ультразвука.

Цель достигается за счет исключения дополнительных измерений времени распространения, уменьшающих точность оценки скорости распространения ультразвуковых волн. Для этого предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, пьезопреобразователь, усилитель и компаратор низкого уровня, компаратор высокого уровня, вход которого подключен к выходу усилителя, первый элемент задержки, вход которого связан со вторым выходом генератора зондирующих импульсов, второй элемент задержки, первый элемент 2И, первый и второй счетчики, первый и второй формирователи прямоугольных импульсов, последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и ключ, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, последовательно соединенные третий формирователь прямоугольных импульсов, вход которого подключен к выходу первого элемента задержки, и второй элемент 2И, второй вход которого связан с выходом второго формирователя прямоугольных импульсов, а выход с первым управляющим входом ключа и с входом второго элемента задержки, третий элемент 2И, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому выходу первого и выходу третьего формирователей прямоугольных импульсов, а выход к счетному входу второго счетчика, регистр, первый вход которого связан с выходом второго счетчика, третий элемент задержки, выход которого подключен к второму управляющему входу ключа, и таймер, выход которого связан с входами сброса счетчиков, регистр и ключа, выход второго элемента задержки подключен к входу третьего элемента задержки и второму входу регистра, выход первого счетчика соединен с управляющими входами первого элемента задержки и информационными входами регистра, выход компаратора нижнего уровня подключен к первому входу первого элемента 2И, связанного выходом с входом второго формирователя прямоугольных импульсов, а выход компаратора высокого уровня соединен с входом первого формирователя прямоугольных импульсов, подключенного вторым выходом к второму входу первого элемента 2И.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых блоков: вторым и третьим элементами 2И, третьим формирователем прямоугольных импульсов, генератором тактовых импульсов, ключом, регистром и таймером.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства для измерения скорости ультразвука; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие его работу.

Устройство для измерения скорости ультразвука содержит (фиг.1) генератор 1 зондирующих сигналов, пьезопреобразователь 2, излучающий ультразвуковые волны в исследуемый материал 3, усилитель 4, компаратор 5 высокого уровня, компаратор 6 низкого уровня, первый формирователь 7 прямоугольных импульсов, первый элемент 8, второй формирователь 9 прямоугольных импульсов, первый элемент 10 задержки, второй элемент 11 2И, ключ 12, генератор 13 тактовых импульсов, второй элемент 14 задержки, третий элемент 15 задержки, первый счетчик 16, второй счетчик 17, регистр 18, третий элемент 19 2И, таймер 20, третий формирователь 21 прямоугольных импульсов.

Сигнал с первого выхода генератора 1 зондирующих сигналов поступает на пьезопреобразователь 2 и на вход усилителя 4, выход которого соединен со входами компараторов 5 и 6. Со второго выхода генератора 1 зондирующих сигналов импульсы идут на вход внешнего запуска первого элемента 10 задержки. Вход первого формирователя 7 прямоугольных импульсов подключен к выходу компаратора 5 высокого уровня, а первый выход к второму входу первого элемента 8 2И, и второй выход к первому входу третьего элемента 19 2И. Выход компаратора 6 низкого уровня подключен к первому входу первого элемента 8 2И. Выход элемента 8 2И соединен с входом формирователя 9 прямоугольных импульсов, выход которого подключен к второму входу второго элемента 11 2И. Вход третьего формирователя 21 прямоугольных импульсов подсоединен к выходу задержанного сигнала элемента 10 задержки, а выход с первым входом элемента 11 и с вторым входом третьего элемента 19 2И. Выход второго элемента 11 2И соединен с первым управляющим входом ключа 12 и с входом второго элемента 14 задержки. Выход 14 элемента задержки подключен к входу элемента 15 задержки и к второму входу регистра 18, а выход элемента 15 задержки к второму управляющему входу ключа 12. Третьим входом ключ 12 соединен с выходом генератора 13 тактовых импульсов, а выходом с счетным входом счетчика 16. С выхода счетчика 16 сигналы поступают на информационные входы регистра 18 и на управляющие входы элемента 10 задержки. Первый вход регистра 18 подключен к выходу второго счетчика 17. Сигналы с таймера 20 идут на установочные входы регистра 18, первого и второго счетчиков 16, 17 и ключа 12. Выход третьего логического элемента 19 2И соединен с счетным входом счетчика 17.

Устройство для измерения скорости ультразвука работает следующим образом.

С первого выхода генератора 1 зондирующих сигналов импульсы поступают на пьезоэлектрических преобразователь 2, излучающий в исследуемый материал 3 ультразвуковые импульсы. Ультразвуковые эхо-сигналы, поступающие на пьезопреобразователь 2, преобразуются в электрические сигналы и, пройдя усилитель 4 (фиг. 2а), поступают на входы компараторов 5 и 6 высокого и низкого уровня. Компаратор 5 высокого уровня срабатывает (фиг.2б) при достижении входным сигналом напряжения U_см, большего по величине, чем амплитуда случайных помех и структурных акустических шумов. Компаратор 6 срабатывает при прохождении входным сигналом нулевого потенциала. Сигнал с выхода компаратора высокого уровня 5 поступает на вход первого формирователя 7 прямоугольных импульсов, формирующего на первом выходе сигналы длительностью τ₁,, равной длительности отраженных импульсов (фиг.2в), а на втором выходе короткие импульсы по переднему фронту сигналов с его первого выхода (фиг.2г). С первого выхода формирователя 7 сигналы поступают на второй вход первого элемента 8 2И, на первый вход которого идут сигналы с выхода компаратора 6 низкого уровня. С выхода первого элемента 8 2И сигналы поступают на вход второго формирователя 9 прямоугольных импульсов, формирующего на выходе короткие импульсы в момент прохождения заднего фронта (фиг. 2д), которые идут на второй вход второго элемента 11. Опорные импульсы со второго выхода генератора 1 зондирующих сигналов поступают на вход внешнего запуска элемента 10 задержки. С выхода первого элемента 10 задержки задержанные на время τʹ импульсы (фиг.2е) приходят на вход формирователя 21 прямоугольных импульсов, формирующего на выходе короткие импульсы по переднему фронту (фиг.2ж), которые поступают на первый вход элемента 11 2И и на второй вход элемента 19 2И.

Изменение состояния счетчика 16 осуществляется сигналами с генератора 13 тактовых импульсов, поступающих через ключ 13 на счетный вход счетчика 16.

При увеличении числа, зафиксированного счетчиком 16, увеличивается время задержанного сигнала τʹ (фиг.2е). При совпадении сигналов со второго выхода первого формирователя 7 прямоугольных импульсов с задержанным сигналом с выхода третьего формирователя 21 прямоугольных импульсов на выходе третьего элемента 19 2И появляется импульс, поступающий на счетный вход второго счетчика 17. В момент совпадения сигнала с выхода второго формирователя 9 прямоугольных импульсов и сигнала с выхода формирователя 21 прямоугольных импульсов на выходе элемента 11 2И появляется сигнал, проходящий на первый управляющий вод ключа 12 и на вход элемента 14 задержки. Ключ 12 прекращает подачу импульсов с генератора 13 тактовых импульсов на счетчик 16. Элемент 14 задержки по импульсу с второго элемента 11 2И формирует импульс, поступающий на второй вход регистра 18 и на вход элемента 15 задержки. При поступлении этого сигнала на регистр 18 происходит запись информации с выхода первого счетчика 16, состояние которого определяет время первого периода в первом отраженном сигнале, и со счетчика 17, состояние которого определяет номер отраженного сигнала. С выхода элемента 15 задержки сигнал поступает на второй управляющий вход ключа 12, который открывается для прохождения через него сигналов с выхода генератора 13 тактовых импульсов на счетный вход счетчика 16. Заполнение счетчика 16 продолжается до следующего совпадения сигналов на входах второго элемента 11 2И с последующей записью состояния счетчиков 16, 17 в регистр 18. Сброс счетчиков 16, 17, ключа 12 и регистра 18 осуществляется по сигналу с выхода таймера 20. Таким образом, в регистре 18 фиксируются значения времени каждого периода τ_m в каждом К-м отраженном сигнале.

Время распространения ультразвуковых импульсов τ определяется из полученных данных через уравнение где N максимальный номер отраженного эхо-сигнала; m_к количество синфазных точек в первом и К-м отраженных эхо-сигналах; τ_ki измеренные значения в К-м эхо-сигнале.

Скорость распространения ультразвуковых волн определяется через измеренное время τ по формуле где l длина акустического пути.

Таким образом, в предложенном устройстве за счет исключения дополнительных ошибок в измерении времени распространения ультразвука уменьшается погрешность оценки скорости ультразвука. Кроме того, за счет большего статистического объема, зафиксированного в регистре данных, о времени распространения всей совокупности отраженных ультразвуковых сигналов, существенно увеличивается точность измерения параметра.

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости ультразвука, содержащее последовательно соединенные генератор зондирующих импульсов, пьезопреобразователь, усилитель и компаратор низкого уровня, компаратор высокого уровня, вход которого подключен к выходу усилителя, первый элемент задержки, вход которого связан с выходом генератора зондирующих импульсов, второй элемент задержки, первый элемент 2И, первый и второй счетчики и первый и второй формирователи прямоугольных импульсов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено последовательно соединенными генератором тактовых импульсов и ключом, выход которого подключен к счетному входу первого счетчика, последовательно соединенными третьим формирователем прямоугольных импульсов, вход которого подключен к выходу первого элемента задержки и вторым элементом 2И, второй вход которого связан с выходом второго формирователя прямоугольных импульсов, а выход с первым управляющим входом ключа и с входом второго элемента задержки, третьим элементом 2И, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу третьего и первому выходу первого формирователей прямоугольных импульсов, а выход к счетному входу второго счетчика, регистром, первый вход которого связан с выходом второго счетчика, третьим элементом задержки, выход которого подключен к второму управляемому входу ключа, и таймером, выход которого связан с входами сброса счетчиков, регистра и ключа, выход второго элемента задержки подключен к входу третьего элемента задержки и второму входу регистра, выход первого счетчика соединен с управляющим входом первого элемента задержки и с информационным входом регистра, выход компаратора низкого уровня подключен к первому входу первого элемента 2И, связанного выходом с входом второго формирователя прямоугольных импульсов, а выход компаратора высокого уровня соединен с входом первого формирователя прямоугольных импульсов, подключенного вторым выходом к второму входу первого элемента 2И.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2