Ультразвуковые измерительные установки в народном хозяйстве

July 28, 2015 by admin Комментировать »

В последнее время все большее значение приобретают импульсные ультразвуковые методы измерений. При сравнительно несложной аппаратуре и методике измерений импульсный ультразвуковой метод позволяет с достаточной степенью точности определять местонахождение дефектов в изделиях, определять физико-химические и механические характеристики различных материалов и не только определять, но и следить за их изменением во времени.

В настоящее время ультразвуковые методы контроля и измерений широко используют в строительстве для определения механических характеристик строительных материалов, в геологии для исследования геологических разрезов в скважинах, в химии для исследования физико-химических характеристик различных материалов, для определения расходов жидкостей, для контроля уровней жидкостей и сыпучих материалов в емкостях, в металлургии и машиностроении для дефектоскопии различных металлических изделий, в сельском хозяйстве для контроля толщины слоя жира сельскохозяйственных животных, в медицине для обнаружения и локализации опухолей и для многих других целей.

Ультразвуковой прибор для автоматической дозировки и поддержания уровня взрывоопасных и агрессивных жидкостей (спиртов, кислот, щелочей н т. д.) в открытых и закрытых емкостях, работающих под низким и высоким давлением (авторы конструкции В. Ф. Голубицкий, В. В. Мельников).

Принцип действия прибора (рис. 1-25) основан на измерении времени прохождения ультразвукового сигнала по акустической линии: излучатель 9, стенка сосуда 2′, жидкость 10, противоположная стейка сосуда 2", приемник акустических колебаний 1. Изменение уровня жидкости приводит к изменению пути прохождения ультразвуковых колебаний по стенкам сосуда, которые используются как волноводы. Наикратчайший путь распространения ультразвука будет

при достижении жидкостью уровня, на котором находятся акустические головки. В общем случае время от посылки ультразвукового импульса до его приема будет зависеть от уровня жидкости в сосуде, скорости распространения ультразвука в жидкости, диаметра сосуда. Перемещая совместно излучатель 9 и приемник 1 вдоль стенок сосуда, по минимальному времени прохождения сигнала от излучателя до приемника определяют местонахождение уровня жидкости в сосуде. Минимальное время будет соответствовать кратчайшему пути прохождения сигнала от излучателя к приемнику. Для автоматического поддержания требуемого уровня и для автоматической дозировки продукта приемную и излучающую акустические головки располагают несколько выше верхнего предела требуемого уровня, как показано на рис. 1-25.

Прибор работает следующим образом. Задающий генератор П запускает генератор радиочастотных импульсов 12, а также блок задержки для установки верхнего предела уровня 13, блок задержки для установки нижнего предела уровня 14 и генератор развертки 15 осциллографического индикатора 19. Сигнал с генератора радиочастотных импульсов поступает на излучатель 9, где преобразуется в акустический сигнал. Акустический сигнал проходит по стенке 2\ по регулируемой жидкости 10, по стенке 2" и попадает на приемник акустических колебаний 1. Приемник преобразует акустический сигнал в электрический, который усиливается усилителем 18 и пос ле детектирования поступает на осциллографический индикатор /, н схемы совпадения установок верхнего и нижнего уровней 16 и 1? Одновременно на индикатор поступают задержанные строб-импуль сы со схем задержки 13 и 14. Строб-импульс 22 соответствует ниж нему пределу регулирования уровня или дозы, строб-импульс 21 — верхнему пределу. Импульс 20 соответствует моменту посылки ра^ диоимпульса на излучатель 9. Импульс 23 — принятый сигнал посл< усилителя 18. Если уровень жидкости в сосуде ниже нижнего преде ла, то электромеханический край закрыт (24), стопор 5 разливочно! емкости 3 поднят и жидкость 4 свободно стекает из верхней ем кости 3 в мерный сосуд 2. Когда уровень жидкости 10 достигнет верхнего предела регулирования уровня (строб-импульс 21), на схе> му совпадения 16 одновременно придут импульсы с блока задержк! 13 и с усилителя 18 Схема совпадений откроется, сработает реле Pi, включит двигатель 8, на вал которого насажена шестерня 7 находящаяся в зацеплении с рейкой 6, и тем самым опустит сто^ пор 5, прекратив слив жидкости из разливочной емкости. Одиовре< менно откроется кран 24, и жидкость из мерного сосуда начне^ вытекать в соответствующие емкости 25. Когда уровень жидкости достигнет нижнего предела регулирования, на схему сов-! падения 17 одновременно придут сигналы с приемника 1 и блока задержки 14. Схема совпадения сработает и включит реле Р%. Прц этом закроется кран 24 и двигатель 8 начнет вращаться в обратную сторону до тех пор, пока не поднимется стопор 5. Конвейер передвинет емкость 25, и под погрузку (кран 24) станет следующая емкость 26. Затем цикл повторится.

Так прибор работает в режиме дозировки жидкости. В режиме! поддержания требуемого уровня одна из схем совпадений вместе d соответствующим блоком задержки отключается и управление рабо-j той стопора 5 осуществляется одним реле. При этом цикл управления упрощается, так как, когда уровень жидкости ниже заданного, нормально замкнутые контакты реле Р\ включают двигатель 8 на’ режим подъема стопора 5 и из разливочной емкости в сосуд 2 начнет поступать жидкость. Когда требуемый уровень будет достигнут, сработает схема совпадения, включится реле Ри нормально замкнутые контакты его разомкнутся, а нормально разомкнутые контакты сомкнутся, тем самым включив двигатель 8 в режим опускания стопора 5.

Рассмотренная схема дозировки и поддержания уровня отличается большим быстродействием, высокой точностью поддержания требуемого уровня и обеспечения необходимой дозы. Прибор использовался на одном из металлургических заводов для разливки металла и поддержания требуемого уровня в кристаллизаторе.

Универсальный ультразвуковой прибор для фнзико-химнческнх и механических испытаний (автор конструкции А. Д. Смирнов). Ои позволяет измерять как скорость и затухание ультразвука, так и амплитудно-фазовые характеристики принятого сигнала. Он снабжен фоторегнстратором и работает следующим образом (рис. 1-26,а). Задающий генератор / запускает блок задержки развертки 2 и управляет работой электронного коммутатора 4. Последний через согласующий каскад 5 запускает каскад задержки генератора импульсов 9 и блок масштабных меток 6, а также управляет работой усилителя 15, запирая его на период генерирования масштабных меток. Каскад задержки генератора импульсов 9 задерживает за-

пуск генератора импульсов на время 70—220 мкс, необходимое для того, чтобы компенсировать «мертвое время» блока задержки 2 и тем самым наблюдать на экране индикатора 16 отсчетный (пусковой) нмпульс. Генератор импульсов 8 вырабатывает импульсы с амплитудой 100 В и длительностью, изменяющейся от 5 до 50 мкс. Эти импульсы усиливаются усилителем 7 до напряжения 0,5—2,0 кВ (изменяется ступенями) и подаются на излучатель 12, который преобразует импульс электрического напряжения в акустический снгиал, излучающийся в исследуемую среду 13.

После прохождения через исследуемую среду акустический сигнал попадает на приемник 14, преобразуется в электрический импульс напряжения, усиливается усилителем 15 и подается на вертикальные пластины электронно-лучевого индикатора. Блок задержки развертки 2 задерживает запуск генератора развертки 3 на время, равное времени прохождения сигнала через исследуемую среду. Это время может изменяться от 40 до 8000 мкс. Генератор меток времени 6 генерирует метки: основные — через 2 мкс; кратные — через 10 и 100 мкс. Блок подвижной метки 10 задерживает отсчету ю метку на фиксированное время, изменяющееся от 40 до 8000 мке и необходимое для того, чтобы независимо от максимально возможной длительности импульса, которую можно наблюдать на экране индикатора, и протяженности исследуемой среды в левой части экрана индикатора всегда наблюдался отсчетный импульс, совмещенный с одной из кратных меток. Это особенно важно при фотографировании импульсов. При этом на экране индикатора одновременно наблюдаются отсчетный нм пульс, импульс сложной формы, прошедший исследуемую среду, и метки времени всех кратностей.

В схеме прибора предусмотрено вспомогательное устройство 11, дающее возможность выключать метки времени в том случае, когда необходимо наблюдать только форму импульса, и подключать внешний автоматически изменяющийся по заданной программе резистор переменного сопротивления в цепь формирования длительности задержки.

Прибор для измерения скорости распространения ультразвуковых колебании (авторы конструкции А. Левин, Б. Нейман). Для регистрации времени прохождения сигнала от излучателя до приемника используется метод совпадения Генератор импульсов 1 (рис. 1-26, б) вырабатывает короткие электрические импульсы, которые поступают на излучатель 2 и на блок задержки 7. Излучатель преобразует акустические импульсы в акустический сигнал. Акустический сигнал, пройдя исследуемую среду 3, попадает на приемник 4, которым снова преобразуется в электрические затухающие колебания. Электрические колебания усиливаются и детектируются усилителем 5 и попадают на вход схемы совпадения 6, На другой вход схемы совпадения поступает сигнал с блока задержки 7. Момент совпадения регистрируется индикатором -8. Время задержки сигнала, поступающего с блока 7, регулируется потенциометром, на оси которого укреплена шкала, снабженная нониусом для более точного отсчета. Применение схемы совпадений дало возможность авторам регистрировать изменение скорости с высокой точностью.

Используя этот способ измерения скорости ультразвука, можно довольно легко изготовить прибор с непрерывной записью изменения скорости ультразвука во времени в> ходе измерения физико-химических или механических характеристик различных материалов. Последнее особенно важно при использовании ультразвукового метода в научно-исследовательской практике.

Как показали исследования, проведенные автором книги, при изучении закономерностей процесса полимеризации некоторых материалов, в частности каучуков, форма пакета колебаний, принятого приемником ультразвукового прибора, является довольно важной, а в некоторых случаях н определяющей характеристикой, отражающей ход физнко-химнческих изменении в исследуемых материалах. Это связано с тем, что принятый приемником пакет колебаний является результатом суммарного воздействия на приемник сигнала, прошедшего от излучателя до приемника по кратчайшему пути, а также сигналов разной кратности отражения, отраженных от стенок измерительной камеры. Во время некоторых физико-химических процессов выделяется значительное количество тепла. Так как реакция протекает в замкнутом объеме, то внутри контролируемого объема температурное поле распределено неравномерно: в центре изделия температура выше, чем по краям. Вследствие неравномерности распределения температурного поля по объему изделия условия прохождения разных составляющих суммарного пакета ультразвуковых колебаний неодинаковы, причем эти условия изменяются во времени, так как в ходе процесса температурное поле постепенно выравнивается. Отдельные составляющие суммарного пакета колебаний проходят разными путями в объеме контролируемого изделия, а скорость ультразвука довольно резко зависит от температуры, поэтому между отдельными составляющими суммарного пакета колебаний происходят фазовые (временные) сдвиги. Эти фазовые сдвиги приводят к искажению формы суммарного пакета колебаний, которое изменяется во времени. Вместе с искажением формы пакета изменяется и площадь, ограниченная огибающей этого пакета, что дало возможность создать простой прибор для непрерывной записи искажения формы пакета в ходе проведения исследования.

Следует отметить, что площадь пакета изменяется не только за счет влияния фазовых сдвигов, но и за счет демпфирования акустических головок отверждающейся массой. Последнее приводит к резкому изменению площади пакета в конечной фазе отверждения контролируемого материала, что также значительно упрощает методику и аппаратуру для проведения исследований. Как будет показано далее, этот способ измерения нашел еще одно интересное применение в геологии — изучение литологического строения буровых скважин (выделение разных типов горных пород вдоль скважины).

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