Устройство для измерения времени распространения ультразвука в материале

 

Изобретение относится к неразрушающему испытанию ультразвуковым методом материалов и может быть использовано для контроля физико-механических характеристик. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет компенсации искажений формы сигнала в целом, не только по крутизне фронта. Прошедший материал сигнал искажается за счет потери высокочастотной составляющей. Часть приемного сигнала проходит через делитель напряжения и поступает на первый вход сумматора, на второй вход которого поступает продифференцированный приемный сигнал. На выходе блока коррекции получается сигнал, близкий по форме к излученному сигналу. Этот сигнал далее обрабатывается в пороговом блоке и формируется измеряемый временной интервал. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

СВ1 nt>

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕО 1УБЛИН

А1 (51}5 С 01 N 29/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

IlPH ГКНТ СССР (21} 4451390/25-28 (22) 28.06.88 (46) 23.04,90. Бюл, № 15 (71) Научно-исследовательский институт строительных конструкций Гос. строя СССР (72) П.С,Витюк и О.А,Стоянцева (53) 620.179.16(088.8} (56) Авторское свидетельство СССР №- 1233041, кл. G 01 N 29/04, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКА В МАТЕРИАЛЕ (57) Изобретение относится к неразрушающему испытанию ультразвуковым методом материалов и может быть использовано для контроля физико-механичесИзобретение относится к области неразрушающих испытаний ультразвуковым методом и может быть использовано для контроля физико-механических характеристик строительных материалов, Цель изобретения - повышение точности измерения эа счет компенсации искажений формы сигнала в целом.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг.2— схема блока коррекции; на фиг.3— принципиальная схема блока коррекции; на фиг.4 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для измерения времени распространения ультразвука содержит синхронизатор 1, выход которого .соединен с генератором 2 зондирующих импульсов. Выход генератора 2 соеди2 ких характеристик. Цель изобретения— повышение точности измерения за счет компенсации искажений формы сигнала в в целом, не только по крутизне фронта, Прошедший материал сигнал искажается за счет потери высокочастотной составляющей. Часть приемного сигнала проходит через делитель напряжения и поступает на первый вход сумматора, на второй вход которого поступает продифференцированный приемный сигнал. На выходе блока коррекции получается сигнал, близкий по форме к излученному сигналу. Этот сигнал далее обрабатывается в пороговом блоке, и формируется измеряемый временной интервал. 1 з.п. ф-лы, 4 ил, нен с излучателем 3 ультразвуковых колебаний, акустически связанным через контролируемый материал 4 с приемником 5 ультразвуковых колебаний. Выход приемника 5 соединен с входом блока 6 коррекции искажений сигнала, выход которого соединен с входом усилителя 7, Выход усилителя 7 соединен с входом порогового блока 8, выход которого подключен к входу формирователя 9 временных интервалов, второй вход которого подключен к выходу синхронизатора 1, Выход формирователя 9 временных интервалов соединен с входом преобразователя 10 временных интервалов в цифровои код, выход которого подключен к индикатору 11.

Блок 6 коррекции (фиг.2} содержит делитель 12 напряжения и дифферен1559282 цирующий блок 13, входы которых соединены с выходом приемника 5, Выход делителя 12 подключен к первому входу сумматора 14, выход дифференцирую" щего блока 13 — к второму входу сумматора 14, а выход сумматора 14 соединен с входом усилителя 7 °

В блоке 6 коррекции в качестве делителя напряжения использованы после- 10 довательно соединенные конденсаторы

С и. С, выход делителя 12 напряжения (точки 1, 2) одновременно являет» ся первым входом сумматора 14, В качестве дифференцирующего блока 13 ис- 15 пользованы последовательно соединенные конденсаторы С, С и резистор R,. с переменным сопротивлением, выход дифференцирующего устройства 13 (точки 2, 3) одновременно является вторым входом сумматора 14. В качестве сумматора 14 использованы последовательно соединенные конденсатор С„ и резистор К», выходное напряжение сумматора 14 (между точками 1-3) являет- 25 ся суммой выходных напряжений делителя 12 и дифференцирующего блока 13.

Устройство работает следующим образом.

Синхронизатор 1 вырабатывает пери- 0 одически следующие импульсы для запуска генератора 2 импульсов, а также импульсы, определяющие момент излучения импульсов в контролируемый материал 4. Электрические импульсы с выхода генератора 2 преобразуются излу- . чателем 3 в импульсы ультразвука (УЗК), излучаемые в контролируемый материал 4. Прошедшие через материал

4 импульсы УЗК преобразуются приеини- 40 ком 5 в электрические и через блок 6 коррекции поступают на усилитель 7, обеспечивающий приведение амплитуды первого полупериода принятых импульсов

УЗК к нормированному уровню П1, на 45 входе порогового блока 8, Пороговый блок. 8 срабатывает на пороговом уровВе U первого полупериода принятых импульсов УЗК и формирует импульс ко- торый своим передним фронтом опреде- 50 ляет момент приема импульсов УЗК. Этот импульс и импульс с выхода синхронизатора 1, определяющий момент излучения импульсов УЗК, поступают на формирователь 9 временных интервалов, который формирует импульс, длитель55 ность которого равна временному интервалу между моментами излучения и приема импульсов УЗК. Длительность импульса с выхода формирователя пре-. образуется. в цифровой код преобразователем 10 и отсчитывается индикатором 11.

Коррекция результатов измерения производится следующим образом. Устанавливают,исходное значение переменного сопротивления R< равное нулю.

Затем величину R постепенно увеличиf вают, при этом результат (измеренное время распространения), наблюдаемый на индикаторе 11, уменьшается и при значении К =R достигает минималь- .

1 1О ного значения, которое остается неизменным при увеличении R (до значения к1 - 2R 10)

При дальнейшем увеличении R pe4 зультат начинает увеличиваться и в пределе при К1- ooñòàíîâèòñÿ равным исходному значению Т (при R 0). Установление на устройстве индикации минимального результата является признаком того, что в результате коррекции осуществлена полная компенсация погрешности, обусловленная затуханием

B.контролируемом материале.

Общий принцип коррекции, осуществляемый в предлагаемом устройстве, объясняется следующим образом. Из-эа частотной зависимости затухания в контролируемом материале 4 (возрастание затухания с частотой) материал воздействует на форму ультразвукового сигнала, как низкочастотный (НЧ) фильтр. Поэтому при отсутствии коррекции в спектре принятого импульса s (фиг.4) уменьшается доля высокочастотных (ВЧ) составляющих по сравнению с со спектром принятого импульса s(t) при отсутствии затухания, В реэуль" тате фронт импульса .",(t) затягивается по сравнению с фронтом импульса

s (t) (фиг,4), и момент пересечения фйксированного относительного порогового уровня П, определяющий результат измерения времени распространения, смещается на величину дй, которая определяет погрешность измерения времени распространения, обусловленную наличием затухания в материале.

При наличии блока коррекции спектр и, следовательно, форма сигнала на выходе делителя 12 напряжения совпадают со спектром и формой сигнала

s(t) при отсутствии коррекции, т,е. в нем подавлены ВЧ составляющие. В спектре сигнала на выходе дифференцирующего блока 13, который осуществля5, 155928 ет.ВЧ фильтрацию, увеличивается доля

ВЧ составляющих, но при этом подавляются НЧ составляющие. При сумми-! ровании сигналов с выхода делителя 12 и дифференцирующего устройства 13 эти

5 два эффекта взаимно компенсируются; подавление ВЧ составляющих за счет затухания в сигнале на выходе делителя 12 компенсируется повьппеиием уровня ВЧ составляющих в спектре продифференцированного сигнала, а снижение доли НЧ составляющих в спектре продифференцированного сигнала компенсируется преобладанием этих частот в спектре сигнала на выходе делителя

12 ° При соответствующем выборе коэффициента передачи делителя 12 и постоянной времени дифференцирующего блока 13 можно осуществить при суммировании полную взаимную компенсацию, при этом частотная характеристика системы материал 4 — блок 6 коррекции становится равномерной (частотно-независимой), а спектр -и, следователь- 25 но, форма сигнала s(t) на выходе сумматора 14 (на входе усилителя) точно повторяют спектр и форму принятого импульса s (t) при отсутствии затухания, в результате чего погрешность измерения gt становится равной нулю.

В.»С с

1+С,/С

8(а) =,(CO) К(а) „

К(а =К,(Са}-К,(са)= +)Л К»С» (4) (5).

3Q что соответствует коррекции, при этом спектр принятого импульса определяется выражением (1), а погрешность

11 t и, следовательно, измеренное время распространения имеют максимальное значение.

При увеличении К верхняя граница частотной характеристики описываемой (5), повышается, фронт принятого импульса укорачивается» при этом умень 1 шаются погрешность Ьс и измеренное время распространения. При достижении л равенства R „= К,, = п/С частотная характеристика принимает вид

Для объяснения возможности конкретной реализации общего принципа коррекции проанализируем работу блока коррекции б.

При отсутствии коррекции спектр

S(Q) принятого импульса з(Й) на выходе усилителя 7 определяется выражением

45 к(щ = >

1+С „/С или при С»я С К(Я) ъ 1.

Таким образом, при установлении

50 значения R, R » частотная характерис" тика системы материал - блок коррекции становится равномерной (частотНо Håçàâèñèìîé). При этом в соответствии с (4)

S(ra) - S,(u), 1

К (у) . э

1+) Я»д и следовательно, S(t) - Б (а) S () Sä,(4 Ко(n) э (1) где S д(Я) — спектр принятого импульса з (С) нри отсутствии затухания;

Q — круговая частота;

K (И} - частотная характеристио ка материала, которая аналогична частотной характеристике низкочастотного RC-фильтра и, следовательно, описывается выражением где Йо - постоянная времемени материала, определяемая коэффициентом частотной зависимос-

2 6 ти затухания и базой измерения, Частотная характеристика блока 6 коррекции с помощью известных законов. электротехники описывается выражением

Спектр принятого импульса на выходе блока коррекции определяется выра.жением

7. л ° R»C» (1+je;) (1+je )

О . К<С1

С является частотной характеристикой., системы материал 4 — блок 6 коррекции, При значении переменного сопротивления в блоке .коррекции К»=О из (4) и (5) следует

К(М = К (СЭ о 1 +) i .7

1559282 т.е. осуществляется полная коррекция (ййО).

При дальнейшем увеличении значения сопротивления Rr верхняя граница частотной характеристики К(Я), определяемой выражением (5), начинает уменьшаться, при этом происходит подавление ВЧ составляющих принятого импульса, что приводит к затягиванию фронта и, следовательно, к увеличению измеренного времени распространения (к увеличению Д ). В пределе при R, na

К(а) = I5

1.

3 ® å

7 что следует из выражения (5), при этом коррекция отсутствует и, следовательно, измеренное время распространения опять принимает начальное значение (такое же, как при R., 0). .Расчет частотной характеристики

K(Q) системы материал 4 — блок б коррекции, а также проведенные экспери- 25 ментальные исследования показали, что частотная характеристика К(сд) остаетсж равномерной в широком диапазоне частот при зйачениях К *"(0,7-2)R,z.

Изложенное является обоснованием воэможности при работе предлагаемого устройства использбвать в качестве признака коррекции установление на индикаторе (при увеличении R ) минимального значения времени распространения, которое остается неизменным

35 для достаточно широкого диапазона вна чения R, Формула изобретения

1. Устройство для измерения времени распространения ультразвука в материале, содержащее последовательно электроакустически соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, излучатель и приемник, последовательно соединенные усилитель, пороговый блок, формирователь временных интервалов, второй вход которого подключен к выходу синхронизатора, преобразователь временных интервалов в цифровой код и индикатор, .блок коррекции искажений приемного сигнала, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, .с целью повьппения точности, блок коррекции искажений приемного сигнала выполнен в виде сумматора, выход которого подключен к входу усилителя, и подключенных к em входам делителя напряжения и дифференцирующего блока, входы которых подключены к выходу приемника.

2. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок коррекции искажений приемного сигнала выполнен в виде последовательно соединенных первого конденсатора, второго конденсатора и резистора с переменным сопротивлением, второй вывод которого подключен к нулевой шине, а вход и .выход первого конденсатора являются соответственно входом и выходом блока коррекции искажений приемного сигнала.!

559282

1559282

4(6 s(a

Составитель Л,Конлрыкинская

Редактор В.Данко Техред-А.Кравчук. Корректор Т.Палий

Заказ 835 Тйраж 502 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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