устройство для измерения скорости и поглощения ультразвука

Формула изобретения

Устройство для измерения скорости и коэффициента поглощения ультразвука, содержащее цилиндрическую измерительную камеру, установленные на внешних торцевых поверхностях камеры соосно с последней излучающий и приемный электроакустические преобразователи, последовательно соединенные генератор синусоидальных сигналов и частотомер, подключенные к выходу приемного электроакустического преобразователя последовательно соединенные усилитель и осциллограф, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно подключенными к выходу генератора синусоидальных сигналов аттенюатором, аналоговым ключом и схемой согласования, выход которой соединен с входом излучающего электроакустического преобразователя, подключенными к выходу аттенюатора последовательно соединенными аналоговым компаратором, блоком делителей частоты и триггером, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа, подключенными к выходу усилителя последовательно соединенными импульсным вольтметром, блоком регистров памяти и первым цифровым компаратором, вторым цифровым компаратором, четырьмя реверсивными счетчиками, мультиплексором, регистратором и задатчиком уровня сигнала, выход которого соединен с входом второго цифрового компаратора, второй и третий выходы блока регистров памяти соединены с вторыми входами соответственно первого и второго цифровых компараторов, прямой и инверсный выходы первого цифрового компаратора соединены соответственно с первыми и вторыми входами первого, второго и третьего реверсивных счетчиков, а выходы последних соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами мультиплексора, выход которого соединен с входом управления частотой генератора синусоидальных сигналов, выход третьего счетчика соединен входом регистратора, прямой и инверсный выходы второго цифрового компаратора соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого реверсивного счетчика, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора и с вторым входом регистратора, второй вход аналогового компаратора выполнен с нулевым потенциалом, второй выход блока делителей частоты соединен с вторым входом триггера и с входами запуска осциллографа и импульсного вольтметра, третий выход блока делителей частоты соединен с управляющими входами блока регистров памяти, первого цифрового компаратора и мультиплексора, а четвертый выход блока делителей частоты соединен с входом управления второго цифрового компаратора.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к неразрушающему контролю и может быть использовано при ультразвуковом контроле параметров жидкостей, твердых тел и сложных микронеоднородных материалов, например суспензий и эмульсий.

Известно устройство для измерения скорости и поглощения ультразвука, содержащее генератор синусоидальных сигналов, аналоговый ключ и последовательно соединенные электроакустический преобразователь, усилитель и осциллограф (см. Авторское свидетельство СССР №1317287, кл. G 01 Н 5/00, G 01 N 29/02, 1986).

Недостатками известного устройства являются малая точность измерения в слабопоглощающих ультразвук материалах и большое время единичного измерения из-за необходимости выполнения нескольких промежуточных операций отсчета значений непосредственно измеряемых величин, что затрудняет измерения, например быстро изменяющихся акустических параметров.

Наиболее близко по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению другое известное устройство для измерения скорости и поглощения ультразвука, содержащее цилиндрическую измерительную камеру, установленные на внешних торцевых поверхностях камеры соосно с последней излучающий и приемный электроакустические преобразователи, генератор синусоидальных сигналов, соединенный с выходом последнего частотомер и подключенные к выходу приемного электроакустического преобразователя последовательно соединенные усилитель и осциллограф (см. Максимочкин Г.И. Акустические параметры и нелинейные свойства жидких сред с дисперсной газовой фазой // Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. Москва 25-29 августа, 2003 г., Том.1 Физическая акустика. С.69-72).

В известном устройстве скорость ультразвука определяют по частотам резонансных состояний, реализующихся при прохождении длинных (с длительностью в 30...50 раз превышающей время однократного прохождения ультразвука по длине измерительной камеры) когерентных импульсов. Коэффициент поглощения ультразвука определяют по форме огибающей резонансного сигнала.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерений малых изменений акустических параметров, связанная с изменениями амплитуды акустического сигнала при изменениях внешних условий - температуры, давления, напряженности магнитного поля и т.п.

Целью изобретения является повышение точности измерения малых изменений скорости и поглощения ультразвука.

Цель достигается тем, что устройство, содержащее цилиндрическую измерительную камеру, установленные на внешних торцевых поверхностях камеры соосно с последней излучающий и приемный электроакустические преобразователи, последовательно соединенные генератор синусоидальных сигналов и частотомер, подключенные к выходу приемного электроакустического преобразователя последовательно соединенные усилитель и осциллограф, снабжено последовательно подключенными к выходу генератора синусоидальных сигналов аттенюатором, аналоговым ключом и схемой согласования, выход которой соединен с входом приемного электроакустического преобразователя, подключенными к выходу аттенюатора последовательно соединенными аналоговым компаратором, блоком делителей частоты и триггером, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа, подключенными к выходу усилителя последовательно соединенными импульсным вольтметром, блоком регистров памяти и первым цифровым компаратором, вторым цифровым компаратором, четырьмя реверсивными счетчиками, мультиплексором, регистратором и задатчиком уровня сигнала, выход которого соединен с входом второго цифрового компаратора, второй и третий выходы блока регистров памяти соединены с вторыми входами соответственно первого и второго цифровых компараторов, прямой и инверсный выходы первого цифрового компаратора соединены соответственно с первыми и вторыми входами первого, второго и третьего реверсивных счетчиков, а выходы последних соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами мультиплексора, выход которого соединен с входом управления частотой генератора синусоидальных сигналов, выход третьего счетчика соединен входом регистратора, прямой и инверсный выходы второго цифрового компаратора соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого реверсивного счетчика, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора и с вторым входом регистратора, второй вход аналогового компаратора выполнен с нулевым потенциалом, второй выход блока делителей частоты соединен с вторым входом триггера и с входами запуска осциллографа и импульсного вольтметра, третий выход блока делителей частоты соединен с управляющими входами блока регистров памяти, первого цифрового компаратора и мультиплексора, а четвертый выход блока делителей частоты соединен с входом управления второго цифрового компаратора.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения скорости и поглощения ультразвука.

Устройство содержит цилиндрическую измерительную камеру 1, установленные соосно с последней на ее внешних торцевых поверхностях излучающий и приемный электроакустические преобразователи 2 и 3, генератор 4 синусоидальных сигналов, соединенный с выходом последнего частотомер 5 и подключенные к выходу приемного электроакустического преобразователя 3 последовательно соединенные усилитель 6 и осциллограф 7, подключенные к выходу генератора 4 синусоидальных сигналов последовательно соединенные аттенюатор 8, аналоговый ключ 9 и схему 10 согласования, выход которой соединен с входом приемного электроакустического преобразователя 2, подключенные к выходу аттенюатора 8 последовательно соединенные аналоговый компаратор 11, блок 12 делителей частоты и триггер 13, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа 9, подключенные к выходу усилителя 6 последовательно соединенные импульсный вольтметр 14, блок 15 регистров памяти и цифровой компаратор 16, второй цифровой компаратор 17, четыре реверсивных счетчика 18-21, мультиплексор 22, регистратор 23 и задатчик 24 уровня сигнала, выход которого соединен с входом второго цифрового компаратора 17, второй и третий выходы блока 15 регистров памяти соединены с вторыми входами соответственно первого и второго цифровых компараторов 16 и 17, прямой и инверсный выходы первого цифрового компаратора 16 соединены соответственно с первыми и с вторыми входами первого, второго и третьего счетчиков 18-20, а выходы последних соединены соответственно с первым, вторым и третьим входами мультиплексора 22, выход которого соединен с входом управления частотой генератора 4 синусоидальных сигналов, выход третьего счетчика 20 соединен входом регистратора 23, прямой и инверсный выходы второго цифрового компаратора 17 соединены соответственно с первым и вторым входами четвертого реверсивного счетчика 21, выход которого соединен с управляющим входом аттенюатора 8 и с вторым входом регистратора 23, второй вход аналогового компаратора 11 выполнен с нулевым потенциалом, второй выход блока 12 делителей частоты соединен с вторым входом триггера 13 и с входами запуска осциллографа 7 и импульсного вольтметра 14, третий выход блока 12 делителей частоты соединен с управляющими входами блока 15 регистров памяти, цифрового компаратора 16 и мультиплексора 22, а четвертый выход блока 12 делителей частоты соединен с входом управления второго цифрового компаратора 17. Третий и четвертый выходы блока 12 делителей частоты выполнены в виде адресной шины. Триггер 13 может быть выполнен на базе RS-триггера. Блок 12 делителей частоты может быть выполнен в виде ряда последовательно соединенных счетчиков.

Устройство работает следующим образом.

В измерительную камеру 1 помещают образец контролируемого материала - жидкости, раствора, эмульсии, суспензии и т.п.

С выхода генератора 4 электрический сигнал синусоидальной формы поступает на вход аттенюатора 8 для ослабления и на вход частотомера 5 для измерения начальной частоты (Fo). Из ослабленного синусоидального сигнала, снимаемого с выхода аттенюатора 8 с помощью аналогового ключа 9, аналогового компаратора 11, блока 12 делителей частоты и RS-триггера 13, формируется последовательность когерентных импульсов с постоянной начальной фазой. Частота следования и длительность указанных импульсов задается коэффициентами пересчета соответственно на втором и первом выходах блока 12 делителей частоты. Последовательность когерентных импульсов с выхода аналогового ключа 9 подается через схему 10 согласования импедансов на вход излучающего электроакустического преобразователя 2 для преобразования в последовательность ультразвуковых когерентных импульсов. Длительность последних устанавливается, многократно (в 30...50 раз) превышающей время однократного прохождения ультразвука в измерительной камере для получения серии частично перекрывающихся эхо-сигналов на выходе приемного электроакустического преобразователя 3. Подстройкой частоты генератора 4 добиваются того, чтобы все принятые эхо-сигналы оказались в одинаковой фазе, что приводит к резонансному усилению принятого сигнала. Этот сигнал после усиления усилителем 6 регистрируется осциллографом 7, запускаемого синхроимпульсом с второго выхода блока 12 делителей частоты. Начальное значение коэффициента поглощения ультразвука ( о) находят из анализа огибающей спада резонансного сигнала, описывающегося экспонентой:

где As и An - соответственно амплитуда резонансного сигнала и ордината огибающей спада резонансного сигнала для значения абсциссы, равной 2Ln; L - длина измерительной камеры, n - номер отсчета, k - собственные потери камеры, определяемые градуировкой. Начальное значение скорости ультразвука вычисляют по формуле

где Fo и Fk - соответственно частота исходного резонансного состояния и частота k-го резонансного состояния, получаемого перестройкой частоты генератора 4.

Дальнейшая работа устройства сводится к автоматическому измерению изменений скорости ультразвука и коэффициента поглощения ультразвука в контролируемом материале в различных условиях эксплуатации, например при изменении температуры, давления, напряженности магнитного поля и т.п. Изменение свойств контролируемого материала при постоянной частоте акустического сигнала приводит к изменению длины волны ультразвука, фазовых соотношений в эхо-сигналах и к нарушению условий резонансного усиления сигнала в измерительной камере. Подстройкой частоты сигнала указанное резонансное состояние может быть удержано. В предлагаемом устройстве реализуется автоматическая подстройка частоты F генератора 4 для удержания начального резонансного состояния и автоматическая подстройка ослабления сигнала аттенюатором 8 для удержания неизменной амплитуды As резонансного сигнала на выходе усилителя 6.

В исходном состоянии датчиком 24 на первом входе второго цифрового компаратора 17 выставляют сигнал сравнения, равный исходной амплитуде Aso резонансного сигнала. В реверсивные счетчики 18-20 заносят значения, соответствующие частотам Fo+dF, Fo-dF и Fo соответственно, в счетчик 21 заносят значение, соответствующее начальному значению ослабления аттенюатора 8. Здесь dF - вариация частоты, задаваемая в пределах порядка 0,1 от полуширины амплитудно-частотной характеристики предлагаемого устройства.

По сигналам с второго выхода блока 12 делителей частоты запускается импульсный вольтметр 14, на выходе которого формируется сигнал, соответствующий величине амплитуды As резонансного сигнала, который поступает на вход блока 15 регистров памяти. По сигналам с третьего выхода блока 12 делителей частоты мультиплексор 22 поочередно подключает выходы счетчиков 18-20 к входу управления частотой генератора 4 для установки частот соответственно Fo+dF, Fo-dF и Fo и осуществляется запись соответствующих значений амплитуды As в регистры блока 15 памяти. Первое и второе значения As, соответствующие частотам Fo+dF и Fo-dF, поступают на входы первого цифрового компаратора 16, третье значение As, соответствующее частоте Fo, поступает на второй вход второго цифрового компаратора 17. По окончании этого цикла запускается первый цифровой компаратор 16, выдающий импульсный результат сравнения на свой прямой или инверсный выход для корректировки заданных значений частот в счетчиках 18-20 соответственно в сторону увеличения или уменьшения. Среднее значение частоты (Fo и последующие скорректированные значения F) поступает с выхода третьего счетчика на первый вход регистратора 23. Изменение скорости ультразвука в процессе контроля вычисляют по формуле

Значение As, соответствующее среднему значению частоты, поступает на второй вход второго цифрового компаратора, который запускается управляющими сигналами с четвертого выхода блока 12 делителей частоты. Импульсный сигнал сравнения текущего значения амплитуды As с значением, задаваемым задатчиком 24, формируется на прямом либо инверсном выходе второго цифрового компаратора 17 и подается на соответствующий вход четвертого счетчика 21 для корректировки величины ослабления сигнала с выхода генератора 4. Величина ослабления сигнала, задаваемая счетчиком 21 (начальное значение dBo и последующие скорректированные значения dB), поступает на второй вход регистратора 23. Об изменении коэффициента поглощения ультразвука судят по формуле:

Использование изобретения обеспечивает преимущества, заключающиеся в повышении точности измерений малых изменений скорости и поглощения ультразвука при реализации ультразвукового контроля качества материалов.