Раздельно-совмещенный преобразователь для определения физико-механических свойств

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения физико-механических свойств изделий с помощью ультразвука. Цель изобретения - повышение точности при определении физико-механических свойств металлов. Это достигается тем, что в раздельно-совмещенном преобразователе для определения физико-механических свойств, содержащем корпус с размещенными в нем соединенными между собой призмами, имеющими грани, параллельные продольной оси преобразователя, пьезоэлементы, установленные на последних, и демпферы; грань каждой из призм, параллельная оси преобразования, и грань, соединяющая установочную грань и точку ввода колебаний, выполнены в виде равнобедренных треугольников, ориентированных таким образом, что высота первой палаллельна оси преобразователя, а основание второй служит ребром установочной площадки. На гранях, параллельных оси преобразователя, установлены прокладки из гигроскопического материала, а угол между акустической осью преобразователя и расстояние от точки ввода ультразвуковых колебаний до пьезоэлемента вдоль акустической оси определяются из установленного соотношения. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для определения физико-механических свойств изделий с помощью ультразвука, и может быть использовано для контроля их качества: обнаружения дефектов труб, железнодорожных рельсов, котлов ТЭЦ и ГРЭС, подвергающихся в процессе эксплуатации или при изготовлении изменению физико-механических свойств и структуры.

Известен преобразователь, состоящий из призмы и наклонно расположенной пьезопластины в форме диска [1] Известен раздельно-совмещенный преобразователь, являющийся прототипом изобретения, содержащий корпус с размещенными в нем призмами, имеющими грани, параллельные продольной оси преобразователя, пьезоэлементы, установленные на последних, демпферы и звуковод опорного сигнала, расположенный параллельно рабочей поверхности призмы [2] Недостатком указанного устройства является низкая достоверность контроля: отсутствие локальности мест ввода и приема ультразвуковых колебаний на поверхности изделий приводит к погрешности измерений более 0,1% ультразвуковой пучок от пьезопластины является расходящимся и неоднородным по сечению, так как расстояние до точки ввода превышает ближнюю зону дифракции Френеля, что снижает достоверность измерений; из-за вытекания контактной жидкости из-под преобразователя происходит проникновение в нее ультразвуковых волн, что вызывает мешающие отражения, т. е. появляется дополнительная погрешность измерения.

Цель изобретения повышение точности при определении физико-механических свойств металлов.

Это достигается тем, что в раздельно-совмещенном преобразователе для определения физико-механических свойств, содержащем корпус с размещенными в нем соединенными между собой призмами, имеющими грани, параллельные продольной оси преобразователя, пьезоэлементы, установленные на последних, и демпферы; грань каждой из призм, параллельная ось преобразования, и грань, соединяющая установочную грань и точку ввода колебаний, выполнены в виде равнобедренных треугольников, ориентированных таким образом, что высота первой параллельна оси преобразователя, а основание второй служит ребром установочной площади, на гранях, параллельных оси преобразователя, установлены прокладки из гигроскопического материала, а угол β между акустической осью преобразователя и расстояние L от точки ввода ультразвуковых колебаний до пьезоэлемента вдоль акустической оси определяются из соотношения: 0 < β < π/2-α_кр; L α_кр второй критический угол для границы раздела призма-изделие; λ длина волны ультразвуковых колебаний, излучаемых пьезоэлементом;
S площадь пьезоэлемента.

Кроме того, в качестве гигроскопического материала прокладки использован фетр.

На фиг. 1 представлен раздельно-совмещенный преобразователь, общий вид; на фиг. 2 изометрия части призмы; на фиг. 3 блок-схема для реализации работы.

Раздельно-совмещенный преобразователь содержит корпус с размещенными в нем призмами из оргстекла, состоящими из двух частей 1, установленные на призмах пьезоэлементы ввода 2 и приема 7, выполненные из пьезокерамики ЦТС 19, демпферы 3, гигроскопические прокладки 4 из фетра (для ограничения растекания контактной жидкости (масла) между призмами), установленные на гранях призмы, параллельных оси преобразователя.

Грань каждой призмы, параллельная оси преобразователя, и грань, соединяющая установочную грань и точку ввода колебаний, выполнены в виде равнобедренных треугольников, ориентированных таким образом, что высота первой параллельна оси преобразователя, а основание второй служит ребром установочной площадки.

Для реализации работы устройства имеются (фиг. 3) блок 8 запуска, связанный с генератором 9, блок 10 задержки (усилитель), схема совпадения 11, усилитель 12 зондирующих импульсов.

Для контроля изделий из стали 45 призма преобразователя имеет угол между осью преобразования и гранью параллельной оси преобразования α_кр= 65^о. Из условия 0 < β < 0 < β < α_кр угол β равен 15^о. Расстояние до точки ввода ультразвуковых колебаний вдоль акустической оси пьезоэлемента в со- ответствии с формулой L равно L 12 мм. Расстояние между точками ввода и приема колебаний (заданная база изделия) равно 40 мм. Пьезоэлемент 2 и 7 имеют собственную частоту 2,5 мГц и емкость 1000 пф.

Раздельно-совмещенный преобразователь устанавливают на контролируемое изделие 6. Перед началом контроля в месте контакта на изделие наносят слой контактной жидкости 5. Гигроскопические прокладки из фетра 4, установленные на гранях призмы, параллельных оси преобразователя, ограничивают растекание жидкости между призмами, что исключает возникновение мешающих отражений и локализует место ввода за счет уменьшения площади акустического контакта. На пьезоэлемент ввода 2 подается короткий запускающий импульс при помощи блока 8 запуска, генератором 9 возбуждаются ультразвуковые колебания и через призму попадают на изделие. Выполнение установочной грани призмы и граней, параллельных оси преобразования, в виде равнобедренных треугольников, наличие воздушной прослойки между установочной гранью призмы и поверхностью изделия, а также оптимальное расстояние от пьезоэлемента до точки ввода ультразвуковых колебаний обеспечивает локальность ввода, так как уменьшается площадь акустического контакта, что повышает точность контроля.

Сигнал проходит по заданной базе изделия и с преобразователя приема через усилитель 12 поступает на схему 11 совпадения, а на другой ее вход подается стробирующий импульс из блока 10 задержки. Из схемы 11 совпадения сигнал поступает к выходу генератора 9 и на измеритель 13 частоты.

В устройстве возникает режим автоциркуляции, частота автоциркуляции составляет 40 кГц, время прохождения импульса 25 мкс.

Сначала регистрируют время прохождения сигнала и частоту автоциркуляции, при этом пользуются предварительно построенной зависимостью частота автоциркуляции от прочностных свойств металла, например твердости, затем по тарировочной зависимости определяют механические свойства материала, например твердость. В предлагаемом устройстве дрейф амплитуды сигнала за счет временной нестабильности и ошибки воспроизводимости не превышает 3 нс. При этом погрешность измерений сократилась до 0,01% за счет уменьшения площади акустического контакта.

Формула изобретения

1. РАЗДЕЛЬНО-СОВМЕЩЕННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, содержащий корпус с размещенными в нем соединенными между собой призмами, имеющими грани, параллельные продольной оси преобразователя, и установочные грани, пьезоэлементы, установленные на последних, и демпферы, отличающийся тем, что грань каждой из призм, параллельная оси преобразователя, и грань, соединяющая установочную грань и точку ввода колебаний, выполнены в виде равнобедренных треугольников, ориентированных так, что высота первой параллельна оси преобразователя, а основание второй служит ребром установочной площадки, на грани, параллельной оси преобразователя, установлена прокладка из гигроскопического материала, а угол β между акустической осью преобразователя и расстояние L от точки ввода ультразвуковых колебаний до пьезоэлемента вдоль акустической оси определяются из соотношений


где α_кр - второй критический угол для границы раздела призма - изделия;
λ - длина волны ультразвуковых колебаний, излучаемых пьезоэлементом;
s - площадь пьезоэлемента.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве гигроскопического материала прокладки использован фетр.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3