Прибор для регистрации искажений акустического сигнала в народном хозяйстве

June 8, 2015 by admin Комментировать »

(автор конструкции А. Д. Смирнов). Применяется при контроле отверждения различных материалов и работает следующим образом (рис. -1-26, в). Генератор импульсов 1 вырабатывает импульсы, поступающие на излучатель 2 и на вспомогательное устройство 10. Излучатель преобразует электрические импульсы в акустические сигналы, которые поступают в исследуемую среду 3. Пройдя исследуемую среду, акустические сигналы попадают на приемник 4, которым снова преобразуются в электрические колебания. На приемник поступают сигналы, прошедшие по кратчайшему пути от излучателя, а также сигналы, отраженные от стенок измерительной камеры. Электрические колебания суммарного пакета усиливаются широкополосным усилителем 5, детектируются детектором 6 и поступают на интегрирующий каскад 7. Средний потенциал зарядной емкости интегрирующего каскада измеряется электронным вольтметром 8 и записывается стандартным самопишущим потенциометром 9 типов ЭПП-09, КСП-2, КСП-4 нли др. Так как фазовые сдвиги между отдельными составляющими проявляются наиболее заметно в средней части суммарного пакета, то для повышения чувствительности в приборе предусмотрено вспомогательное устройство 10. Его назначение состоит в том, чтобы «вырезать» из суммарного пакета ту часть сигнала, которая наиболее резко изменяется в ходе исследуемого процесса. Устройство 10 отпирает усилитель 5 только на время прохождения наиболее резко изменяющейся части сигнала В остальное время усилитель заперт. Такое устройство позволило значительно повысить чувствительность прибора за счет увеличения соотношения сигнал/шум усилителя. При работе пс методу демпфирования ультразвуковых преобразователей устройство 10 должно быть отключено, так как демпфирование преобразователя проявляется в уменьшении суммарной длительности пакете зарегистрированных колебаний.

Такой прибор может найти применение не только для контроле отверждения материалов, но для контроля любых технологически? процессов, в ходе которых изменяется форма зарегистрированной пакета. Эта форма может изменяться за счет появления дефекто!

в средах (при движении системы излучатель — приемник вдоль изделия), при этом возможна работа на просвет и на отражение (при одностороннем доступе к поверхности изделия), при изменениях физико-механических и плотностных характеристик отдельных частей изделий. Приемная часть прибора (без генератора и излучателя) может быть использована для контроля работоспособности отдельных узлов и агрегатов работающих машин (автомобильных, тракторных двигателей, судовых дизелей и других). В последнем случае источником звука являются сами работающие машины. Сравнением зарегистрированного сигнала с сигналом, полученным в той же точке у заведомо исправного агрегата, можно найти дефектные участки.

Данный прибор может найти применение для измерений ультразвуковым методом по дифференциальной схеме. На рис. 1 -26, а показан возможный вариант применения прибора для амплитуднофазовых измерений по дифференциальной схеме. Импульсы, вырабатываемые генератором Д поступают на излучатели измерительной 2 и калиброванной 2′ линий. Пройдя исследуемую 3 и калиброванную 31 среды, сигналы поступают на приемники 4 и 4\ После преобразования в электрические импульсы сигналы смешиваются в смесителе 5 и поступают на вход усилителя б, где усиливаются, детектируются н попадают на интегрирующий каскад 7. Дальнейший процесс проходит так же, как и в схеме, изображенной на рис. 1-26, в. Отличие между рассмотренными схемами применения амплитудно-фазового метода состоит в том, что если в первой схеме фазовые сдвиги между отдельными составляющими образовывались за счет неравномерного, изменяющегося во времени строения среды по объему, то во втором случае фазовые сдвиги определяются различием условий прохождения сигналов в измерительной и калиброванной линиях. (Назначение блока 10 то же, что и в предыдущем случае.)

Одно из интересных применений рассмотренного амплитуднофазового метода — это исследование с его помощью геологического и литологического строения верхней части земной коры при поиске и разведке месторождений полезных ископаемых, вскрытых буровыми скважинами.

Устройство для исследования буровых скважин (автор конструкции А. Д. Смирнов). В основе устройства лежит принцип определения количества отраженной акустической энергии (или прошедшей от излучателя к приемнику) путем автоматической регистрации результатов электрического интегрирования площади, ограниченной огибающей зарегистрированного приемником и продетектированиого сигнала при двухи однощуповой импульсной методике измерения. При этом было учтено, что если при контроле отверждения изменение регистрируемого параметра происходит за счет нарастания прочности материала во времени, то в случае исследования буровой скважины изменение параметра происходит за счет соприкосновения воспринимающей поверхности акустических головок (головки — при одиощуповой схеме измерения) с породами разной прочности при движении скважинного снаряда с прижимным устройством вдоль профиля скважины. И в том, и в другом случае происходит изменение прочности или, что более точно, физико-механических характеристик материала. Поэтому способ измерения остается тем же, а конечные результаты измерения качественно отличаются. Действи’ тельио, в ходе измерения отверждения получается кривая, асимптотически приближающаяся к пределу, соответствующему моменту полного отверждения, а в ходе скважинных измерений получается сложная кривая с чередующимися максимумами и минимумами, положение которых соответствует месту пересечения скважиной пластов горных пород, имеющих разные физико-механические характеристики. Максимумами различной интенсивности отмечаются на диаграммах выходы пластов известняка, песчаников с карбонатным цементом, алевролитов, доломитов и других пород высокой плотности и прочности. Минимумами отмечаются места пересечения с пластами глинистых отложений, песков, рыхлых песчаников, аргиллитов.

Для реализации рассмотренного способа измерений А. Д. Смирновым были разработаны конструкции и изготовлены рабочие макеты трех типов акустических установок для исследования скважин: двухэлементный зонд, электрическая схема которого выполнена на лампах-нувисторах (термостойкий вариант), и двухи одноэлементный зоиды, электрическая схема которых выполнена на транзисторах или микросхемах в интегральном исполнении.

Ультразвуковой одноэлементный скважнинын зонд (автор конструкции А. Д. Смирнов). Прибор (рис. 1-27,а) состоит из генератора электрических импульсов 7, приемно-излучающего пьезоэлектрического преобразователя 2, фильтра-расширителя динамического диапазона 3, усилителя 4 и амплитудного детектора с интегрирующей ячейкой 5. Скважинный снаряд соединяют с наземным регистратором 7 трехжильным каротажным кабелем любого типа, намотанным на лебедку 6. В качестве наземного регистратора может служить автоматический электронный потенциометр любого типа, например ПАСК-8 при работе с каротажной станцией АЭКС-1500 или модернизированный потенциометр типов КСП, ПС, ЭПП при работе с автономным переносным подъемником для исследования неглубоких (до 400 м) скважин в труднодоступных районах. Модернизация потенциометра сводится к изготовлению синхронного привода лентопротяжного механизма за счет применения сельсина с редуктором или механического привода от лебедки. Прижим прибора к стейке скважины осуществляется за счет упругости резиновых «усов» 8.

Работа прибора происходит следующим образом. Генератор импульсов возбуждает пьезопреобразователь импульсами длительностью 1—5 мкс с частотой посылок 500—1000 Гц. Эти импульсы преобразуются преобразователем в акустический сигнал, который проходит через согласующий профиль акустической головки в исследуемую среду. На границе согласующий профиль — профиль скважины сигнал отражается и частично, за вычетом прошедшей в исследуемую среду энергии, возвращается на пьезопреобразователь, который в этот момент работает в режиме приема. Преобразователь преобразует акустический сигнал в радиоимпульс сложной формы. Этот нмпульс через фильтр-расширитель проходит на вход усилителя, а с него на детектор и интегратор. Детектор выделяет огибающую сигнала, по которой происходит интегрирование в интегрирующей ячейке. Сигнал постоянного тока, пропорциональный интегралу по огибающей, с выхода интегратора через кабель типа КТШ или КТО поступает на вход наземного регистрирующего потенциометра. Амплитуда сигнала, измеряемая в милливольтах или в миллиметрах записи, пропорциональна количеству отраженной энергии. Для определения переводных коэффициентов прибор, перед началом измерений калибруется по образцам с известным акустическим сопротивлением. Фнльтр-расширитель служит для ослабления амплитуды сигнала, поступающего на вход усилителя в момент возбуждения акустического импульса, и для защиты усилителя от перегрузок.

Элементы схемы скважинного снаряда (рис. 1-27,6) размещены в стальном герметичном контейнере, рассчитанном на наружное давление до 300 кг/см2. В иижней части контейнера диаметром 40 мм и длиной 250 мм расположен генератор импульсов. В средней

Рис. 1-27, части, выполненной в виде бочонка с максимальным наружным диаметром 60 мм и длиной 150 мм, размещен пьезопреобразователь с согласующим профилем. В верхней части—диаметром 40 мм и длиной 300 мм (с соединительным наконечником НГК-36 — 600 мм) размещены фильтр-расширитель, усилитель, детектор и интегратор

Принципиальная схема прибора приведена на рис. 1-27, в. Генератор выполнен по автоколебательной схеме на динисторе Д\, Он генерирует импульсы экспоненциальной формы длительностью 1— 5 мкс с частотой следования 500 Гц (можно регулировать от 500 до 1000 Гц подбором элементов времязадающей цепи Ri и Ci путем перепайки). В качестве пьезопреобразователя ППι использовано кольцо из пьезокерамики типа ЦТС-19 наружным диаметром 18 мм, высотой 10 мм и внутренним диаметром 12 мм. Это кольцо приклеено к согласующему профилю эпоксидным клеем. Внутреннее электродное покрытие кольца для уменьшения сигнала в момент возбуждения разрезано на две электрически изолированные части, как показано на рисунке. Фильтр-расширитель выполнен на катушке индуктивности Тг н двух диодах, включенных встречно, Μι н Д%. В качестве входного каскада для повышения входного сопротивления использована схема эмиттерного повторителя типа К1УЭ182. Сам усилитель выполнен на интегральной микросхеме типа К1УС281. Коэффициент передачи усилителя 3500 с плавным подъемом частотной характеристики в области частот 70 кГц (резонансная частота приклеенного к согласующему профилю кольца из пьезокерамики). Динамический диапазон по входу —20 дБ. Детектор и интегратор выполнены по типовым схемам, и особых пояснений не требуют. Указанные на схеме пределы изменения напряжения питания связаны с выбором конкретного типа динистора, параметры которых имеют большой разброс. Для согласования выхода скважинного прибора с наземным регистратором удобно пользоваться компенсатором, схема которого изображена на рис. 1-27, г. Прибор рассмотренного типа был испытан на разведочных скважинах Подмосковного и Воркутинского угольных бассейнов. Результаты испытаний показали хорошую воспроизводимость данных и соответствие их литологическому строению разреза.

Как показали работы С. Ногина, одной из причин изменения формы зарегистрированного приемником пакета колебаний является изменение спектра акустических колебаний, прошедших исследуемую среду. Так, им было показано, что при исследовании отверждения бетонов по мере нарастания их прочности частотная характе-

Рис. 1-28.

ристика акустических колебаний, прошедших сквозь бетон, смещается в область более высоких частот. При этом была найдена однозначная зависимость между частотным спектром зарегистрированных колебаний и прочностью контролируемого материала.

Акустический спектральный анализатор (автор конструкции

А.          Д. Смирнов). Анализатор гетеродинного типа (рис. 1-28) работает следующим образом. Генератор импульсов / возбуждает акустический преобразователь 2, который преобразует электрический импульс в акустические колебания. Эти колебания, отразившись от нижней поверхности исследуемого изделия 9, возвращаются на преобразователь 2, работающий в этот момент в режиме приема. Преобразователь преобразует акустические колебания в электрический сигнал, который после усиления широкополосным усилителем 3 поступает на вход смесителя 5. На другой вход смесителя поступает сигнал с гетеродина 4. Сигнал разностной частоты с выхода смесителя поступает на вход усилителя промежуточной частоты 6 и после соответствующего усиления на детектор и интегратор 7. Выход интегратора подключен к самописцу 8. Ось электродвигателя-привода лентопротяжного механизма самописца 8 через гибкий шланг (шланг от спидометра автомобиля) соединена с осью ротора конденсатора С. Конденсатор переменной емкости С имеет ротор, свободно проворачивающийся вокруг оси, и служит для непрерывного изменения частоты гетеродина. При изменении емкости от 17 до 390 пФ частота гетеродина изменяется в пределах от 20 до 2500 кГц. Промежуточная частота усилителя 6—160 кГц. Для получения острой резонансной характеристики в схеме усилителя промежуточной частоты применен кварцевый фильтр, настроенный на частоту 160 кГц.

Особенностью спектрального анализатора является то, что гетеродин выполнен по схеме мультивибратора, работающего в режиме автоколебаний При этом напряжение на выходе гетеродина 4 имеет форму прямоугольных импульсов, частота следования которых изменяется в указанных пределах. В то же время на выходе смесителя наблюдается переменное напряжение синусоидальной формы. Это связано с тем, что полосовые фильтры с острыми резонансными характеристиками, стоящие в нагрузочных цепях смесителя и каскадов усиления по промежуточной частоте, вырезают из всего широкого спектра частот, поступающих на входы смесителя напряжений, только напряжение, соответствующее промежуточной частоте. Это обстоятельство дает возможность значительно упростить схемы гетеродинов, намного расширив их перекрытие по диапазону. Это связано е тем, что перекрытие по частоте в схемах мультивибраторов на два порядка выше, чем в схемах аналогичного назначения генераторов напряжения синусоидальной формы.

Принципиальная схема спектрального анализатора изображена на рис. 1-29. Генератор импульсов выполнен на динисторе Д1-Л0 схеме, рассмотренной ранее (см. рис. 1-27, в). Пьезоэлектрический преобразователь ΠΠι представляет собой диск, верхняя электродная обкладка которого разделена на две части Последнее сделано с целью уменьшения влияния прямого сигнала на вход усилителя. Этой же цели служит и диодный ограничитель Дг, Дз- При исследовании образцов горных пород, используя методику работы на просвет, при работе с раздельными излучателем и приемником можно изъять из схемы диодный ограничитель.

Предварительный усилитель имеет коэффициент усиления 200, динамический диапазон по входу 20 дБ и ширину полосы пропускания на уровне 0,5 в пределах от 2 до 3500 кГц. Он выполнен на трех включенных последовательно интегральных схемах типа К1УБ191. Гетеродин собран на микросхемах МС4 и МС5 типа К1ЛР551 и представляет собой мультивибратор, работающий в режиме автоколебаний. Частота колебаний мультивибратора определяется емкостью конденсатора С4 и напряжением питания. Уменьшение напряжения питания от 5 до 3,3 В расширяет полосу генерируемых частот до 2500 кГц. Амплитуда генерируемых колебаний практически постоянна во всем диапазоне генерируемых частот. Конденсатор С4 специального изготовления; это конденсатор с воздушным диэлектриком, емкость которого изменяется по линейному закону. Конденсатор — со свободно вращающимся на оси ротором; это обстоятельство имеет принципиальное значение, так как фактически определяет быстродействие анализатора и значительно упрощает конструкцию прибора в целом. Запись спектра происходит при одном полном обороте ротора. Переход на следующий оборот ротора означает переход на запись следующего спектра и т. д.

Смеситель выполнен на микросхеме МСь типа К1КТ011А. Нагрузкой смесителя служит резонансный контур Ь2Сь настроенный на промежуточную частоту анализатора. Для упрощения конструкции в схеме прибора использованы контуры промежуточной частоты автотрансформаторного типа. Эти контуры имеют пологие резонансные характеристики. В то же время, чем острее резонансная характеристика усилителя промежуточной частоты, тем выше разрешающая способность анализатора. Поэтому для обострения резонансной характеристики сигнал с выхода усилителя промежуточной частоты (микросхема МС7, коэффициент усиления 2000—3500) поступает на выходной каскад через кварц Кв, резонансная частота которого 160 кГц. Выходной каскад анализатора выполнен на микросхеме МС8 типа К1УС221В(Д) и представляет собой усилитель переменного тока, нагрузкой которого является резонансный контур £4^5^19. Детектор и интегратор выполнены на диодах ДбДб, конденсаторе С2i, дозирующей емкости конденсатора С20 и резисторах Д19, Д20-

Прибор собран на печатной плате и располагается внутри корпуса самопишущего прибора. Пьезопреобразователь ПП\ выполняется отдельно, либо в открытом виде (для исследования малых объемов полимерных материалов), либо приклеивается ко диу стального защитного стакана (при контроле образцов горных пород, бетонов, отверждения изделий композитного состава больших габаритов), либо выполняется в виде двух отдельных акустических головок, используемых в современных дефектоскопах, в зависимости от назначения анализатора. С прибором преобразователь соединяется коаксиальным высокочастотным кабелем. Питание анализатора осуществляют от источника питания электронного усилителя самопишущего прибора.

Мы рассмотрели несколько схем ультразвуковых измерительных приборов, применение которых позволяет решать довольно широкий круг задач. Как бы ни были просты эти приборы по схемному н конструктивному решению, для их изготовления требуются определенные знания и практические навыки. В то же время, прежде чем начинать разработку конкретного ультразвукового прибора, требуется хотя бы приближенно оценить возможности ультразвукового метода измерений.

Ультразвуковая установка (автор конструкции А. Д. Смирнов). Блок-схема установки изображена на рис. 1-30, а. Основное ее достоинство в том, что она выполнена из стандартных радиоизмерительных приборов. Установка работает следующим образом. Импульсы с выхода 1-2 «Синхронизация» генератора импульсов I (типа Г5-8 и аналогичные) поступают на вход 6-2 «Синхронизация» электронного осциллографа 6 (типов С1-8, С1-19 и др.) и запускают его генератор развертки, установленный предварительно в ждущий режим. С выхода 1-1 «Выход» генератора 1 импульсы, задержанные на время от 5 до 200 мкс относительно импульсов синхронизации, поступают на излучатель 2 и преобразуются им в акустический сигнал. В зависимости от типа выбранного генератора амплитуда импульса на его выходе может изменяться от 0 до 130 В.

Акустический сигнал с излучателя 2, пройдя исследуемую среду 3, поступает на приемник 4, преобразуется в электрический нмпульс напряжения и поступает на вход 5 1 усилителя 5, в качестве которого можно использовать ламповые вольтметры переменного тока типов ВЗ-2, ВЗ-З, ВЗ-4, ВЗ-6 и др. С выхода 5-2 лампового вольтметра усиленный сигнал через резисторный сумматор (Rt—Ra) поступает на

вход 6-1 (вход «У») осциллографа 6. На экране осциллографа при этом наблюдается край развертки «/С», отсчетный импульс «О», соответствующий моменту возбуждения излучателя, и собственно зарегистрированный прошедший через исследуемую среду сигнал.

Такая схема пригодна для проведения ультразвуковых измерений на малых базах при исследовании материалов с малым затуханием и с большими скоростями распростраиеиия акустических колебаний. В том случае, когда надо провести измерения на больших базах* в средах с большим затуханием акустической энергии и с малыми скоростями распространения ультразвука схема должна быть изменена.

Измененный вариант схемы показан на рис. 1-30,6. В отличие от схемы на рис. 1-30, а измерительная установка дополнена вторым генератором импульсов 7 типа Г5-8 и усилителем мощности импульсов 8 типа ПГК-1. Остальные элементы схемы оставлены без изменений. Установка работает следующим образом. Импульсы напряжения с выхода 1-2 генератора импульсов 1 поступают на вход 7-2 генератора 7, который служит для введения дополнительной задержки момента запуска электронного осциллографа [до 700 мкс при использовании генератора типа Г5-8 и до 2000 мкс при использовании генератора типа Г5-2 (ГИС-2М)]. Через 10—50 мкс с выхода 1-1 генератора 1 импульсы поступают на запуск усилителя мощности импульсов 8 и через резисторный сумматор на вход 6-1 электронного осциллографа 6. С выхода 8-1 на акустическую головку 2 поступают импульсы амплитудой от 500 до 5000 В (амплитуда может изменяться ступенями через 500 В). Акустическая головка преобразует электрические импульсы напряжения в акустический сигнал, который проходит исследуемую среду 3 и попадает на приемную акустическую головку 4. После обратного преобразования электрический сигнал с акустической головки в виде радиоимпульса проходит через усилитель 5 и поступает на вход осциллографа 6. При этом за счет введения дополнительной задержки (генератор 7) на экране осциллографа может просматриваться как начальный участок изображения с отсчетным импульсом, так н отдельные фрагменты сигнала зарегистрированного приемной акустической головкой.

Эта ультразвуковая установка пригодна для исследования практически любых сред на значительных базах и с высокой точностью.

Источник: Смирнов А. Д., Радиолюбители — народному хозяйству. — 2-е изд., перераб. и доп. — М: Энергия, 1978. — 320 с., ил.— (Массовая радиобиблиотека; Вып. 957).

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты