Устройство для измерения параметров ультразвуковых импульсов

Авторы патента:

Пономарев Анатолий Александрович (RU)

G01N29/07 - Исследование или анализ материалов с помощью ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн; визуализация внутреннего строения объектов путем пропускания через них ультразвуковых или звуковых волн через предметы (G01N 3/00-G01N 27/00 имеют преимущество; измерение или индикация ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн вообще G01H; системы с использованием эффектов отражения или переизлучения акустических волн, например акустическое изображение G01S 15/00; получение записей с помощью способов и устройств, аналогичных используемым в фотографии, но с использованием ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых волн G03B 42/06)

Владельцы патента RU 2661060:

Публичное акционерное общество Научно-производственное объединение "Искра" (RU)

Использование: для измерения скорости распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн при исследовании физико-механических характеристик материалов. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения параметров ультразвуковых импульсов содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, излучатель, приемник, усилитель, временной селектор, узкополосный фильтр, выход которого соединен с регистратором амплитуды, снабжено вторым синхронизатором, выход которого подключен к входу первого синхронизатора, выполненного в виде делителя частоты, первым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу первого синхронизатора, а выход к входу временного селектора, вторым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу второго синхронизатора, последовательно соединенными системами АЦП, ОЗУ, ЦАП. При этом выход временного селектора подключен к входу системы АЦП, вход разрешения записи ОЗУ соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход разрешения воспроизведения ОЗУ с выходом второго формирователя импульсов, а выход системы ЦАП - с входом узкополосного фильтра. Технический результат: обеспечение возможности измерять скорость распространения и коэффициент затухания ультразвуковой волны в материалах с большим частотно-зависимым затуханием ультразвука в широком диапазоне частот, а также повысить точность измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для измерения скорости распространения и коэффициента затухания ультразвуковых волн при исследовании физико-механических характеристик материалов.

Известно устройство для измерения скорости распространения ультразвуковых волн (а.с. СССР №1587346).

Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор периодической последовательности зондирующих импульсов, излучатель, приемник, усилитель, первый формирователь импульсов, логический элемент «И», блок измерения времени, последовательно соединенные временной селектор, узкополосный фильтр и второй формирователь импульсов, выход которого подключен ко второму входу логического элемента «И», и третий формирователь импульсов. Вход временного селектора соединен с выходом усилителя, а вход третьего формирователя импульсов подключен к выходу синхронизатора, а выход ко второму входу блока измерения времени.

Устройство позволяет производить измерение времени распространения на заданной частоте, при этом на результате измерений не сказывается изменение формы переднего фронта импульса, вызванное частотно-зависимым затуханием сигнала.

Известно также устройство для измерения коэффициента затухания ультразвуковых волн (а.с. СССР №1753398, прототип).

Устройство содержит последовательно соединенные синхронизатор, генератор периодической последовательности зондирующих импульсов, излучающий электроакустический преобразователь, приемный электроакустический преобразователь, усилитель, подключенный к его выходу временной селектор, управляющий вход которого подключен к синхронизатору, полосовой фильтр с полосой пропускания меньшей удвоенной частоты следования зондирующих импульсов и настроенный на одну из гармоник принятого сигнала и регистратор.

С помощью устройств можно измерять время распространения и амплитуду ультразвукового сигнала, после чего возможно определить скорость распространения ультразвуковой волны и коэффициент затухания.

Недостатком данных устройств является сложность выделения нужной гармоники из последовательности импульсов. Действительно, частота следования импульсов ограничена, так как при двойном преобразовании электрических колебаний в упругие и при прохождении упругих колебаний через контролируемый материал длительность импульсов существенно возрастает, поэтому при большой частоте следования зондирующих импульсов возможно наложение предыдущего импульса на последующий. Так, при проведении измерений в диапазоне частот 0,02-0,2 МГц тактовая частота, как правило, не превышает 30-40 Гц. Для выделения одной гармоники из такой последовательности импульсов необходим фильтр с большой добротностью (Q≥10⁵). В противном случае, на выделяемую гармонику будут накладываться помехи в виде соседних гармоник, что может привести к увеличению погрешности измерения. На практике, при такой частоте следования импульсов нужную гармонику можно выделить лишь с помощью электромеханического фильтра, например, с применением кварцевого резонатора. Так как подстройка рабочей частоты такого фильтра возможна лишь в узком диапазоне, проведение измерений с помощью представленных устройств возможно лишь на дискретном наборе частот.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение диапазона частот, при которых возможно проведение измерения времени распространения и амплитуды ультразвукового импульса, а также уменьшение погрешности измерения.

Технический результат заключается в возможности применения для выделения нужной гармоники узкополосного фильтра, перестраиваемого в широком диапазоне частот, и в увеличении отношения «сигнал-помеха».

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения параметров ультразвуковых импульсов, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, излучатель, приемник, усилитель, временной селектор, узкополосный фильтр, выход которого соединен с регистратором амплитуды, снабжено вторым синхронизатором, выход которого подключен к входу первого синхронизатора, выполненного в виде делителя частоты, первым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу первого синхронизатора, а выход к входу временного селектора, вторым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу второго синхронизатора, последовательно соединенными системами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ), цифроаналогового преобразователя (ЦАП), при этом выход временного селектора подключен к входу системы АЦП, вход разрешения записи ОЗУ соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход разрешения воспроизведения ОЗУ с выходом второго формирователя импульсов, а выход системы ЦАП - с входом узкополосного фильтра.

Устройство может быть снабжено третьим формирователем импульсов, логическим элементом «И» и измерителем времени, при этом выход логического элемента «И» соединен с входом измерителя времени, запускаемого со второго выхода первого синхронизатора, первый вход логического элемента «И» соединен с выходом первого формирователя импульсов, второй вход с выходом третьего формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства по п. 1.

Устройство работает следующим образом.

Синхронизатор 10 вырабатывает тактовые импульсы с частотой следования F, которые поступают на вход синхронизатора 1, выполненного в виде делителя частоты. С выхода делителя частоты 1 сигнал поступает на вход генератора зондирующих импульсов 2, с выхода которого в виде последовательности зондирующих импульсов частотой следования F/n поступают на излучатель 3 и формирователь импульсов 9 (n-коэффициент деления делителя частоты 1). С помощью излучателя 3 электрический сигнал преобразуется в упругие колебания и вводится в контролируемый материал. Упругие колебания, прошедшие через контролируемый материал, принимаются приемником 4, где вновь преобразуются в электрические колебания, усиливаются усилителем 5 и поступают на вход временного селектора 6, который с помощью первого формирователя импульсов 9 формирует последовательность импульсов, например, состоящих из первых полупериодов принятого сигнала. Полученная последовательность импульсов поступает в систему АЦП 12, после чего заносится в память ОЗУ 13, причем импульс разрешения записи подается с выхода первого формирователя импульсов 9. Вызов записанной в ОЗУ 13 информации происходит подачей на вход разрешения воспроизведения ОЗУ импульсов с выхода второго формирователя импульсов 11, который запускается непосредственно синхронизатором 10 и формирует импульсы, совпадающие по длительности с импульсами формирователя 9. С выхода ОЗУ сигнал с помощью системы ЦАП 14 вновь преобразуется в аналоговую форму и в виде последовательности импульсов частотой следования F подается на вход узкополосного фильтра 7 с полосой пропускания, меньшей удвоенной частоты следования импульсов F, и настроенного на частоту k F (k - номер гармоники). С выхода фильтра 7 сигнал в виде синусоиды частотой k F подается на регистратор 8, где происходит измерение его амплитуды.

Так как сигнал записывается в память с частотой следования зондирующих импульсов, а считывается из памяти и поступает на узкополосный фильтр в виде периодической последовательности с частотой в n раз большей, расстояние между соседними гармониками, составляющими спектр периодической последовательности импульсов, увеличивается, что облегчает выделение нужной гармоники по сравнению с устройством прототипа. При этом возрастает отношение «сигнал-помеха», и для выделения нужной гармоники можно использовать узкополосный фильтр с регулируемой в широком диапазоне частотой.

С помощью предлагаемого устройства можно измерять коэффициент затухания ультразвуковой волны в материалах с большим частотно-зависимым затуханием ультразвука в широком диапазоне частот, а также повысить точность измерения.

На фиг. 2 представлена структурная схема устройства по п. 2.

Устройство по п. 2 работает следующим образом.

Синхронизатор 10 вырабатывает тактовые импульсы с частотой следования F, которые поступают на вход синхронизатора, выполненного в виде делителя частоты 1. С выхода делителя частоты 1 сигнал поступает на вход генератора зондирующих импульсов 2, с выхода которого в виде последовательности зондирующих импульсов частотой следования F/n поступают на излучатель 3 и формирователь импульсов 9 (n - коэффициент деления делителя частоты 1). С помощью излучателя 3 электрический сигнал преобразуется в упругие колебания и вводится в контролируемый материал. Упругие колебания, прошедшие через контролируемый материал, принимаются приемником 4, где вновь преобразуются в электрические колебания, усиливаются усилителем 5 и поступают на вход временного селектора 6, который управляется формирователем импульсов 9 и формирует последовательность импульсов, состоящих, например, из первых полупериодов принятого сигнала. Причем временная задержка между началом работы временного селектора (положением переднего фронта импульса с формирователя 9) и временем прихода сигнала не должна превышать длительность первого вступления принятого сигнала. Полученная последовательность импульсов поступает в систему АЦП 12, после чего заносится в память ОЗУ 13, причем импульс разрешения записи подается с выхода первого формирователя импульсов 9. Вызов записанной в ОЗУ информации происходит подачей на вход разрешения воспроизведения ОЗУ 13 импульсов с выхода второго формирователя импульсов 11, который запускается непосредственно синхронизатором 10 и формирует импульсы, совпадающие по длительности с импульсами формирователя 9, при этом передний фронт одного из импульсов второго формирователя 11 совмещается с передним фронтом импульса первого формирователя 9. С выхода ОЗУ сигнал с помощью системы ЦАП 14 вновь преобразуется в аналоговую форму и в виде последовательности импульсов частотой следования F подается на вход узкополосного фильтра 7 с полосой пропускания, меньшей удвоенной частоты следования импульсов F, и настроенного на частоту k F (k - номер гармоники). С выхода фильтра сигнал в виде синусоиды частотой k F подается на регистратор 8, где происходит измерение его амплитуды, и на третий формирователь импульсов 15, в котором формируется последовательность прямоугольных импульсов той же частоты со скважностью 0,5. С выхода формирователя 15 сигнал поступает на первый вход логического элемента «И» 16, на второй вход которого подается последовательность импульсов с первого формирователя импульсов 9. В момент совпадения импульсов на входах логического элемента «И» 16, на его выходе формируется импульс СТОП, который подается на второй вход блока измерения времени 17, при этом полярность последовательности прямоугольных импульсов с формирователя 15 выбирается так, чтобы момент формирования импульса СТОП совпадал с моментом прихода сигнала.

Устройство позволяет производить изменение времени распространения ультразвукового импульса на заданной частоте. Как и в устройстве по п. 1, облегчается выделение нужной гармоники, что позволяет использовать узкополосный фильтр с регулируемой в широком диапазоне частотой. При этом также возрастает отношение «сигнал-помеха».

С помощью предлагаемого устройства можно измерять скорость распространения ультразвуковой волны в материалах с большим частотно-зависимым затуханием ультразвука в широком диапазоне частот, а также повысить точность измерения.

1. Устройство для измерения параметров ультразвуковых импульсов, содержащее последовательно соединенные синхронизатор, генератор зондирующих импульсов, излучатель, приемник, усилитель, временной селектор, узкополосный фильтр, выход которого соединен с регистратором амплитуды, отличающееся тем, что оно снабжено вторым синхронизатором, выход которого подключен к входу первого синхронизатора, выполненного в виде делителя частоты, первым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу первого синхронизатора, а выход к входу временного селектора, вторым формирователем импульсов, вход которого подключен к выходу второго синхронизатора, последовательно соединенными системами аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ), цифроаналогового преобразователя (ЦАП), при этом выход временного селектора подключен к входу системы АЦП, вход разрешения записи ОЗУ соединен с выходом первого формирователя импульсов, вход разрешения воспроизведения ОЗУ с выходом второго формирователя импульсов, а выход системы ЦАП - с входом узкополосного фильтра.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено третьим формирователем импульсов, логическим элементом «И» и измерителем времени, при этом выход логического элемента «И» соединен с входом измерителя времени, запускаемого со второго выхода первого синхронизатора, первый вход логического элемента «И» соединен с выходом первого формирователя импульсов, второй вход с выходом третьего формирователя импульсов, вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра.

Использование: для определения упругих констант токопроводящих твердых тел. Сущность изобретения заключается в том, что одновременно или поочередно воздействуют на поверхность локальной области упомянутого твердого тела электромагнитным одно- или многопериодным импульсом и постоянным или импульсным магнитным полем, возбуждают акустические продольную и две плоско-поляризованные сдвиговые волны, ориентируют векторы смещений упомянутых сдвиговых волн, соответственно, вдоль и поперек направления прокатки или приложенного усилия, принимают и усиливают одно-многократно отраженные акустические сигналы, при этом уточняют упомянутые направления прокатки или приложенного усилия по максимальным значениям амплитуд сдвиговых волн, путем стробирования выделяют из принятой последовательности импульсов одно-многократно отраженные эхо-сигналы продольной и сдвиговых волн соответствующей поляризации, производят корреляционную обработку сигналов, измеряют временные интервалы между эхо-сигналами, соответственно, продольной и сдвиговых волн соответствующей поляризации, рассчитывают скорости распространения акустических волн и по соотношению этих интервалов и скоростей и известному значению плотности исследуемых твердых тел определяют упругие константы по соответствующим формулам.

Способ определения режима многофазной смеси в трубопроводе с использованием cbr-технологий // 2660411

Использование: для определения режима многофазной смеси в трубопроводе. Сущность изобретения заключается в том, что на внешней поверхности трубопровода устанавливается группа излучателей, одновременно являющихся приемниками, которая прозвучивает (зондирует) ультразвуковыми колебаниями заданной частоты многофазный поток, движущийся в трубопроводе, перпендикулярно продольной его оси.

Способ исследования геометрических параметров каверны подземного хранилища газа // 2660307

Изобретение относится к метрологии, в частности к устройствам для контроля формы и размеров подземных хранилищ газа. Способ исследования геометрических параметров каверны подземного хранилища газа с установленной в ней насосно-компрессорной трубой с помощью ультразвукового сканирующего звуколокатора заключается в облучении ультразвуковыми зондирующими импульсами стенок исследуемой каверны в горизонтальных и наклонных плоскостях на различных глубинах каверны, заполненной рабочей жидкостью, и последующем измерении времен распространения зондирующими импульсами двойного расстояния от стенок каверны до приемо-передающего электроакустического преобразователя звуколокатора, по которым определяют геометрические размеры и форму каверны.

Способы измерения свойств многофазных смесей нефть-вода-газ // 2659584

Изобретение может быть использовано для непрерывных измерений в режиме реального времени состава и других свойств отдельных фаз смеси нефти, воды и газа во время процесса добычи нефти.

Измерительное устройство и способ определения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе // 2659353

Изобретение относится к измерительному устройству и способу определения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе. Измерительное устройство (10) для определения скорости потока текучей среды (12), текущей в трубопроводе (14), посредством по меньшей мере одного ультразвукового преобразователя (18а-b), размещенного снаружи на стенке (22) трубопровода и имеющего колебательный элемент (34), соединенный с участком (32) стенки (22) трубопровода, действующим в качестве колеблемой мембраны ультразвукового преобразователя (18а-b), имеет карман (30), размещенный снаружи в трубопроводе (14), при этом нижняя часть кармана образует мембрану (32), причем между мембраной (32) и колебательным элементом (34) расположен соединительный элемент (36), поперечное сечение которого меньше поперечного сечения колебательного элемента (34).

Способ измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности // 2655478

Использование: для измерения частотной зависимости коэффициента отражения звука от поверхности в лабораторных и натурных условиях при различных углах падения звуковой волны.

Способ определение наличия и координат напряжений в околошовных зонах трубопроводов методом измерения скорости прохождения ультразвуковой волны // 2653955

Использование: для определение наличия и координат напряжений в околошовных зонах трубопроводов. Сущность изобретения заключается в том, что очищают поверхность околошовной зоны, определяют наличие дефектов, проводят настройку прибора, определяют скорость прохождения ультразвуковой волны через металл без нагрузки, обеспечивают постепенное создание нагрузки с периодическим замером скорости прохождения ультразвуковой волны с определением мест концентрации напряжений и регистрацией их местоположения, обеспечивают создание нагрузки до образования трещин с регистрацией данных измерения скорости ультразвуковой волны, проводят обзор появления трещины при помощи электронного микроскопа, фиксируют координаты образования дефекта и сравнивают с координатами зоны концентрации напряжений.

Стенд для виброакустических испытаний образцов упругих элементов виброизоляторов и шумопоглощающих элементов облицовки помещений, расположенных в условиях воздействия повышенных уровней шума и вибрации // 2653556

Изобретение относится к метрологии. Стенд содержит основание, на котором посредством, по крайней мере, трех виброизоляторов закреплена переборка, представляющая собой одномассовую колебательную систему, в качестве генератора гармонических колебаний использован эксцентриковый вибратор.

Способ измерения концентрации агломератов несферических наноразмерных частиц в жидких средах // 2653143

Использование: для определения концентрации агломератов несферических наноразмерных частиц в жидких средах. Сущность изобретения заключается в том, что используют измерительную ячейку в форме кольцевого канала переменного сечения для создания ускоренного потока, содержащую побудитель ламинарного течения и установленный в области сужения кольцевого канала акустический измеритель, с помощью которого в исходном образце жидкой среды измеряют акустические спектры затухания ультразвука при изотропной ориентации несферических наноразмерных частиц в покоящейся жидкой среде и при ориентации частиц вдоль потока жидкой среды, затем исходный образец очищают от агломератов и в очищенном образце жидкой среды измеряют акустические спектры затухания ультразвука при изотропной ориентации несферических наноразмерных частиц в покоящейся жидкой среде и при ориентации частиц вдоль потока жидкой среды, после этого на основе измеренных спектров вычисляют концентрацию агломератов несферических наноразмерных частиц.

Способ изготовления стенда сухой протяжки для проверки работоспособности внутритрубных инспекционных приборов на испытательном трубопроводном полигоне // 2653138

Использование: для проверки работоспособности внутритрубных инспекционных приборов на испытательном трубопроводном полигоне. Сущность изобретения заключается в том, что используют катушки трубных секций с естественными дефектами с действующих трубопроводов и катушки трубных секций с нанесенными на них искусственными дефектами.

Способ определения вязкоупругих свойств жидких и твёрдых сред и устройство для его реализации // 2661455

Использование: для измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют возбуждение крутильных колебаний в измерительном устройстве расположенными на его поверхности преобразователями, при этом возбуждение крутильных колебаний производят путем подачи импульсного сигнала на излучающие преобразователи, расположенные на поверхности измерительного устройства, геометрические параметры которого позволяют возбуждать в нем крутильные колебания, регистрируют сигнал принимающими преобразователями, определяют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний в ненагруженном и нагруженном исследуемой средой измерительном устройстве, вычисляют коэффициент затухания серии эхо-импульсов многократных отражений крутильных колебаний с учетом коэффициента отражения на границе «преобразователь - труба», а вязкость и модуль сдвига с учетом известной плотности исследуемой среды, вычисленного коэффициента затухания крутильных колебаний и основной частоты в спектре сигнала определяют по номограммам. Технический результат: расширение функциональных возможностей в плане измерения вязкости жидких сред, а также модуля сдвига и скорости распространения поперечных волн в твердых средах, повышение точности измерения вязкоупругих свойств жидких и твердых сред при относительной простоте изготовления устройства. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 6 ил.