RU2723146C1 - Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails and device for its implementation - Google Patents
Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2723146C1 RU2723146C1 RU2019135929A RU2019135929A RU2723146C1 RU 2723146 C1 RU2723146 C1 RU 2723146C1 RU 2019135929 A RU2019135929 A RU 2019135929A RU 2019135929 A RU2019135929 A RU 2019135929A RU 2723146 C1 RU2723146 C1 RU 2723146C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waves
- analog
- rail
- signal
- digital
- Prior art date
Links
- CGWXYEIWDQDFIU-VEDVMXKPSA-N CC(C)C1[C@H](C)CCC1 Chemical compound CC(C)C1[C@H](C)CCC1 CGWXYEIWDQDFIU-VEDVMXKPSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
- G01N29/04—Analysing solids
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к неразрушающему контролю и технической диагностике и может использоваться для определения внутренних механических напряжений в рельсах.The invention relates to non-destructive testing and technical diagnostics and can be used to determine internal mechanical stresses in rails.
Известен способ измерения скорости поверхностной ультразвуковой волны, включающий определение временного интервала между ультразвуковыми импульсами, при котором возбуждают пьезопреобразователем поверхностную ультразвуковую волну, осуществляют прием прошедших по изделию ультразвуковых импульсов и определяют временные интервалы между этими импульсами, причем при прохождении волны по изделию регистрацию ультразвуковых импульсов осуществляют, по крайней мере, в трех точках, затем импульсы проходят на цифровой осциллограф и в оцифрованном виде ультразвуковые импульсы вводят в компьютер для определения зависимости амплитуд ультразвуковых импульсов от пройденного волной расстояния, далее нормируют амплитуды ультразвуковых импульсов, начиная со второго, до амплитуды первого, а после выравнивания определяют временные интервалы между этими импульсами (см. патент РФ №2490606, G0H 5/00, приоритет от 20.02.2013 г., бюлл. №23), принятый за аналог.A known method of measuring the speed of a surface ultrasonic wave, including determining the time interval between ultrasonic pulses, at which a surface ultrasonic wave is excited by a piezoelectric transducer, receives ultrasonic pulses transmitted through the product and determines the time intervals between these pulses, and when the wave propagates through the product, ultrasonic pulses are recorded, at least at three points, then the pulses are transmitted to a digital oscilloscope and ultrasound pulses are digitized into a computer to determine the dependence of the amplitudes of the ultrasonic pulses on the distance traveled by the wave, then the amplitudes of the ultrasonic pulses are normalized, starting from the second, to the amplitude of the first, and after alignments determine the time intervals between these pulses (see RF patent No. 2490606, G0H 5/00, priority dated February 20, 2013, bull. No. 23), adopted as an analogue.
Недостатком способа является то, что поверхностная ультразвуковая волна чувствительная только к поверхностным дефектам изделия, но не позволяет определять внутренние дефекты. Это снижает разрешающую способность и точность измерения скорости распространения ультразвуковой волны. Кроме того, поверхностная волна не чувствительна к напряженно-деформированному состоянию материала, что не позволяет использовать ее для контроля механических напряжений.The disadvantage of this method is that the surface ultrasonic wave is sensitive only to surface defects of the product, but does not allow to determine internal defects. This reduces the resolution and accuracy of measuring the speed of propagation of the ultrasonic wave. In addition, the surface wave is not sensitive to the stress-strain state of the material, which does not allow using it to control mechanical stresses.
Известно устройство измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны, содержащее генератор лазерных импульсов, оптико-акустический преобразователь, изделие, точки съема ультразвуковых импульсов первого и второго пьезоприемника, первый блок АЦП, компьютер, второй блок АЦП, тонкий иммерсионный слой контактной жидкости, звукопроводы (см. патент РФ №2643232, G0H 5/00, G0N 29/34, приоритет от 31.01.2018 г., бюлл. №4), принятый за аналог.A device for measuring the propagation velocity of a head ultrasonic wave is known, which contains a laser pulse generator, an optical-acoustic transducer, an article, ultrasonic pulse pick-up points for the first and second piezoelectric receiver, the first ADC unit, a computer, the second ADC unit, a thin immersion layer of contact liquid, sound ducts (see RF patent No. 2643232, G0H 5/00, G0N 29/34, priority dated January 31, 2018, bull. No. 4), adopted as an analogue.
Основным недостатком является то, что в устройстве не предусмотрена возможность регулировки частоты и формы импульсов генератора, что ограничивает возможность получения высокоточных результатов измерения скорости распространения головной ультразвуковой волны в изделии, а, следовательно, и механических напряжений. Кроме того, отсутствует возможность выделения мод для обеспечения требуемой чувствительности к деформациям рельсов, так как скорость головной волны изменяется от деформации объекта контроля в меньшей степени, чем скорость поперечных и трансформированных волн.The main disadvantage is that the device does not provide the ability to adjust the frequency and shape of the generator pulses, which limits the possibility of obtaining high-precision results of measuring the propagation velocity of the head ultrasonic wave in the product, and, consequently, mechanical stresses. In addition, it is not possible to isolate modes to provide the required sensitivity to rail deformations, since the head wave velocity changes less from the deformation of the test object than the speed of transverse and transformed waves.
Известен ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах, заключающийся в том, что на рельсовые нити устанавливают преобразователи, подключают их к приемному устройству, производят начальные (эталонные) измерения, величину механических напряжений определяют по результатам измерения временных задержек прихода ультразвукового сигнала к приемникам от начальных измерений, при этом измерение начального напряжения осуществляют подключенным к приемному устройству преобразователем, установленным на отрезке рельса, размещенном на перемещающейся по рельсовому пути тележке, дополнительно измеряют временные задержки прихода ультразвукового сигнала к приемному устройству в зависимости от высоты рельса, подключенными к нему преобразователями продольной волны, установленными на отрезке рельса, и поверхности рельсовых нитей и механические напряжения определяют по формуле:A known ultrasonic method for determining mechanical stresses in rails, which consists in the fact that converters are installed on the rail threads, connect them to the receiving device, make initial (reference) measurements, the value of mechanical stresses is determined by measuring the time delays of the arrival of the ultrasonic signal to the receivers from the initial measurements while measuring the initial voltage is carried out connected to the receiving device, a transducer mounted on a piece of rail placed on a trolley moving along the rail, additionally measure the time delay of the arrival of an ultrasonic signal to the receiving device depending on the height of the rail connected to it by the longitudinal wave transducers installed on the rail segment, and the surface of the rail threads and mechanical stresses are determined by the formula:
где - время распространения сигнала продольной волны в ненагруженном отрезке рельса и в рельсовой нити, мс; - время распространения сигнала от излучателя к приемнику в ненагруженном отрезке рельса и в рельсовой нити, нс; - разность времен распространения сигнала продольной волны, в ненагруженном отрезке рельса, нс; - разность времен распространения сигнала от излучателя к приемнику в ненагруженном отрезке рельса, нс; k - акустоупругий коэффициент, МПа-1 (см. патент РФ №2619842 МПК G01N 29/07, приоритет от 18.05.2017 г., бюлл. №14, Степанова Л.Н., Курбатов А.Н., Тенитилов Е.С. Исследование продольных напряжений в рельсах с использованием эффекта акустоупругости на действующем участке железнодорожного пути // Контроль. Диагностика. 2019. №2. С. 14-21), принятый за прототип.Where - the propagation time of the longitudinal wave signal in the unloaded section of the rail and in the rail filament, ms; - the propagation time of the signal from the emitter to the receiver in the unloaded section of the rail and in the rail filament, ns; - the difference in the propagation times of the longitudinal wave signal in the unloaded section of the rail, ns; - the difference in the propagation times of the signal from the emitter to the receiver in the unloaded section of the rail, ns; k is the acoustoelastic coefficient, MPa -1 (see RF patent No. 2619842 IPC G01N 29/07, priority dated 05/18/2017, bull. No. 14, Stepanova L.N., Kurbatov A.N., Tenitilov E.S. The study of longitudinal stresses in rails using the effect of acoustoelasticity on the existing section of the railway track // Control. Diagnostics. 2019. No. 2. P. 14-21), adopted as a prototype.
Недостатком способа является то, что в нем не осуществляется изменение формы и частоты сигналов, подаваемых на наклонные пьезоэлектрические преобразователи, излучающие ультразвуковые волны в рельсы, что снижает точность определения времен прихода продольных L, поперечных Т и трансформированных волн LT и точность измерения напряжений в рельсе.The disadvantage of this method is that it does not change the shape and frequency of the signals supplied to inclined piezoelectric transducers emitting ultrasonic waves into the rails, which reduces the accuracy of determining the arrival times of longitudinal L, transverse T and transformed waves LT and the accuracy of measuring stresses in the rail.
Наиболее близким по технической сущности является устройство неразрушающего контроля напряженного состояния рельсовых плетей бесстыкового пути, содержащее импульсный лазер, выход которого через оптическое волокно связан с входом лазерно-ультразвукового преобразователя, комбинированный многофункциональный блок питания, систему обработки данных, две ортогонально расположенные призмы, выполненные с возможностью одновременного измерения скорости головной волны во взаимно перпендикулярных направлениях, каждая из призм по одной из граней посредством оптико-акустического генератора связана с оптической системой и оптоволокном, а по противоположной грани - с соответствующим ей широкополосным пьезоприемником, каждый из которых посредством соответствующего усилителя электрических сигналов, связан с входом двухканального аналого-цифрового преобразователя, который по входу и выходу связан с импульсным лазером и системой обработки данных (см. патент на ПМ РФ №164233 МПК G01N 29/04, приоритет от 20.08.2016 г., бюлл. №23), принятый за прототип.The closest in technical essence is a device for non-destructive testing of the stress state of the rail lashes of a continuous path, containing a pulsed laser, the output of which through an optical fiber is connected to the input of the laser-ultrasonic transducer, a combined multifunction power supply, a data processing system, two orthogonally located prisms made with the possibility of simultaneously measuring the head wave velocity in mutually perpendicular directions, each of the prisms along one of the faces through an optical-acoustic generator is connected to the optical system and optical fiber, and along the opposite side - to its corresponding broadband piezoelectric receiver, each of which is connected through an appropriate amplifier of electrical signals with an input of a two-channel analog-to-digital converter, which is connected to a pulsed laser and a data processing system at the input and output (see patent for PM RF No. 164233 IPC G01N 29/04, priority 20. 08.2016, bull. No. 23), adopted as a prototype.
К числу недостатков данного устройства следует отнести то, что для обеспечения точности измерения скорости ультразвуковой волны в поперечном направлении рельса из-за малого расстояния, соответствующего ширине рельса, невозможно добиться высокой точности измерения времени прихода сигнала, а, следовательно, и напряжения рельса в продольном направлении.The disadvantages of this device include the fact that to ensure the accuracy of measuring the speed of the ultrasonic wave in the transverse direction of the rail due to the small distance corresponding to the width of the rail, it is impossible to achieve high accuracy in measuring the time of arrival of the signal, and, consequently, the rail voltage in the longitudinal direction .
При разработке заявляемого ультразвукового способа определения механических напряжений в рельсе и устройства для его осуществления была поставлена задача повышения достоверности определения механических напряжений и сокращения времени обработки информации, что позволило бы определять напряжения в режиме реального времени в процессе движения железнодорожной тележки.When developing the inventive ultrasonic method for determining mechanical stresses in a rail and a device for its implementation, the task was to increase the reliability of determining mechanical stresses and reduce information processing time, which would make it possible to determine stresses in real time during the movement of a railway trolley.
Поставленная задача решается за счет того, что в предлагаемом ультразвуковом способе определения внутренних механических напряжений в рельсах, заключающемся в том, что излучающим пьезоэлектрическим преобразователем в нагруженный рельс и ненагруженный его аналог вводят импульсы ультразвуковых продольных и поперечных волн, принимают приемными преобразователями трансформированные поперечные волны от падающих на исследуемый объект продольных волн и трансформированные продольные волны от падающих на исследуемый объект поперечных волн, измеряют времена прохождения этих волн в нагруженном и ненагруженном рельсах, определяют изменение времени задержки прошедших сигналов и по их разности определяют величину напряжения, причем предварительно формируют зондирующий сигнал с частотой резонанса излучающих пьезоэлектрических преобразователей в частотном диапазоне не менее 2,5 МГц, а отсчет времени прохождения волн осуществляют высокочастотным аналого-цифровым преобразователем при достижении максимального значения амплитуды сигнала в интервале дискретизации не более Δτ=10⋅10-9 с, которую регулируют в соответствии со скоростями продольных, поперечных и трансформированных волн, при этом число периодов зондирующего сигнала изменяется в пределах 1≤n≤5.The problem is solved due to the fact that in the proposed ultrasonic method for determining the internal mechanical stresses in rails, which consists in the fact that the pulsed ultrasonic longitudinal and transverse waves are introduced into the loaded rail and its unloaded analog by the emitting piezoelectric transducer, transformed transverse waves from incident longitudinal waves and transformed longitudinal waves from the transverse waves incident on the studied object, measure the propagation times of these waves in the loaded and unloaded rails, determine the change in the delay time of the transmitted signals and determine the voltage from their difference, and a probe signal with a resonance frequency is preliminarily formed emitting piezoelectric transducers in the frequency range of at least 2.5 MHz, and the countdown of the propagation time of the waves is carried out by a high-frequency analog-to-digital converter when reaching the maximum the signal amplitude in the sampling interval is not more than Δτ = 10⋅10 -9 s, which is controlled in accordance with the velocities of longitudinal, transverse and transformed waves, while the number of periods of the probing signal varies within 1≤n≤5.
Поставленная задача решается также за счет того, что устройство определения напряженного состояния рельсовых плетей содержит источник сигнала, систему управления и систему обработки данных, подключенную к системе управления, система обработки данных содержит два канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных пьезоэлектрического преобразователя, работающего в режиме приема ультразвуковых сигналов, фильтров верхних и нижних частот, программируемых нормирующих усилителей и аналого-цифровых преобразователей, подключенных через оперативное запоминающее устройство формы принятого сигнала и систему управления к источнику сигнала в виде высокостабильного генератора, первый аналоговый выход системы управления соединен с входом оперативного запоминающего устройства формы зондирующего импульса, цифровой выход которого соединен с входом цифро-аналогового преобразователя формы зондирующего импульса, аналоговый выход которого соединен с входом полосового сглаживающего фильтра, а его выход - с входом высоковольтного трансформатора с буферным усилителем, подсоединенным к двум излучающим преобразователям, установленным в нагруженный рельс и ненагруженный его аналог, кроме того, аналоговые входы аналого-цифровых преобразователей соединены с выходами программируемых счетчиков числа измерений, к входам которых подключены программируемые счетчики времени задержки, подключенные к системе управления, выход которой подсоединен к цифровому входу центрального процессора.The problem is also solved due to the fact that the device for determining the stress state of rail lashes contains a signal source, a control system and a data processing system connected to the control system, the data processing system contains two channels, each of which consists of a piezoelectric transducer operating in series receiving mode of ultrasonic signals, high and low-pass filters, programmable normalizing amplifiers and analog-to-digital converters connected via random access memory of the received signal form and control system to a signal source in the form of a highly stable generator, the first analog output of the control system is connected to the input of random access memory the shape of the probe pulse, the digital output of which is connected to the input of the digital-to-analog converter, the shape of the probe pulse, the analog output of which is connected to the input of the bandpass smoothing filter, and its o output - with the input of a high-voltage transformer with a buffer amplifier connected to two radiating converters installed in a loaded rail and its analog unloaded, in addition, the analog inputs of analog-to-digital converters are connected to the outputs of programmable counters of the number of measurements, to the inputs of which programmable time counters are connected delays connected to the control system, the output of which is connected to the digital input of the central processor.
На фиг. 1 приведена функциональная схема системы для ультразвукового контроля напряжений в рельсах, на фиг. 2 представлен график аппроксимации ультразвукового сигнала по его зарегистрированным отсчетам при достижении им максимального значения для частоты сигнала, равной 2,5 МГц, на фиг. 3 показан максимальный отсчет ультразвукового сигнала при его частоте, равной 2,5 МГц.In FIG. 1 is a functional diagram of a system for ultrasonic monitoring of stresses in rails; FIG. 2 shows a graph of approximation of an ultrasonic signal by its recorded samples when it reaches its maximum value for a signal frequency of 2.5 MHz, in FIG. Figure 3 shows the maximum readout of an ultrasonic signal at a frequency of 2.5 MHz.
Устройство, реализующее ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах (фиг. 1), содержит:A device that implements an ultrasonic method for determining mechanical stresses in rails (Fig. 1), contains:
1 - высокостабильный задающий генератор;1 - highly stable master oscillator;
2 - устройство управления системой;2 - system control device;
3 - оперативное запоминающее устройство формы зондирующего импульса;3 - random access memory of the form of the probe pulse;
4 - цифро-аналоговый преобразователь формы зондирующего импульса;4 - digital-to-analog converter of the form of the probe pulse;
5 - полосовой сглаживающий фильтр;5 - bandpass smoothing filter;
6 - высоковольтный трансформатор с буферным усилителем;6 - high-voltage transformer with a buffer amplifier;
7 - пьезоэлектрический преобразователь, работающий в режиме излучения;7 - a piezoelectric transducer operating in a radiation mode;
8 - ненагруженный аналог рельса;8 - unloaded analogue of the rail;
9 - рельс;9 - rail;
10 - пьезоэлектрический преобразователь, работающий в режиме приема;10 - piezoelectric transducer operating in the reception mode;
11 - перестраиваемый фильтр нижних частот;11 - tunable low-pass filter;
12 - перестраиваемый фильтр верхних частот;12 - tunable high-pass filter;
13 - программируемый нормирующий усилитель;13 - programmable rated amplifier;
14 - аналого-цифровой преобразователь;14 - analog-to-digital Converter;
15 - программируемый счетчик числа измерений аналого-цифрового преобразователя;15 - programmable counter of the number of measurements of the analog-to-digital Converter;
16 - оперативное запоминающее устройство формы принятого сигнала;16 - random access memory of the form of the received signal;
17 - программируемый счетчик времени задержки;17 - programmable counter delay time;
18 - центральный процессор компьютера.18 is the central processor of the computer.
Практическая реализация предлагаемого устройства, реализующего ультразвуковой способ определения механических напряжений в рельсах, выполняется по известным схемам с использованием следующих компонентов:The practical implementation of the proposed device that implements an ultrasonic method for determining mechanical stresses in rails is performed according to known schemes using the following components:
1. Аналого-цифровой преобразователь собран на микросхеме AD9246BCPZ-105.1. The analog-to-digital converter is assembled on the AD9246BCPZ-105 chip.
2. Цифро-аналоговый преобразователь реализован на микросхеме AD9744ACPZ.2. The digital-to-analog converter is implemented on the AD9744ACPZ chip.
3. Полосовой сглаживающий фильтр и программируемый нормирующий усилитель собраны на микросхемах LT1363CS8.3. The band-pass smoothing filter and the programmable normalizing amplifier are assembled on LT1363CS8 microcircuits.
4. Высоковольтный трансформатор с буферным усилителем собран на элементах LTC6090IFE-5#PBF, WB16-1SL.4. The high-voltage transformer with a buffer amplifier is assembled on the elements of the LTC6090IFE-5 # PBF, WB16-1SL.
5. Оперативное запоминающее устройство формы зондирующего импульса, программируемые счетчики числа измерений аналого-цифрового преобразователя, программируемые счетчики времени задержки, оперативные запоминающие устройства формы принятого сигнала и устройство управления системой собраны на микросхеме фирмы Altera EP3C25Q240.5. The operational memory of the probe pulse shape, programmable counters of the number of measurements of the analog-to-digital converter, programmable counters of the delay time, random access memory of the form of the received signal and the system control device are assembled on a chip from Altera EP3C25Q240.
Информация о микросхемах находится:Information about the chips is:
1. Интернет-сайты Altera- www.altera.com, фирмы Analog Devices - www.analog.com.1. Altera Web sites, www.altera.com, Analog Devices, www.analog.com.
Ультразвуковое устройство для определения механических напряжений в рельсах (фиг. 1), состоит из высокостабильного задающего генератора 1, выход которого соединен с устройством управления системой 2, первый аналоговый выход которого соединен с входом оперативного запоминающего устройства формы зондирующего импульса 3, цифровой выход которого соединен с входом цифро-аналогового преобразователя формы зондирующего импульса 4, аналоговый выход которого соединен с входом полосового сглаживающего фильтра 5, выход которого соединен с входом высоковольтного трансформатора 6 с буферным усилителем, подсоединенных к наклонным ультразвуковым преобразователям с углом 18°, работающих в режиме излучения 7 и установленных на ненагруженном аналоге рельса 8 и на нагружаемом рельсе 9, подключенных к системе обработки данных, содержащей два канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных пьезоэлектрического преобразователя 10, работающего в режиме приема ультразвуковых сигналов, соединенного с входом перестраиваемого фильтра нижних частот 11, выход которого подключен к входу перестраиваемого фильтра верхних частот 12, выход которого соединен со входом программируемого нормирующего усилителя 13, выход которого соединен с аналоговым входом аналого-цифрового преобразователя 14, другой аналоговый вход которого соединен с аналоговым выходом программируемого счетчика числа измерений аналого-цифрового преобразователя 15, а цифровой выход аналого-цифрового преобразователя 14 соединен с цифровым входом оперативного запоминающего устройства формы принятого сигнала 16, выход которого через систему управления 2 подключен к высокостабильному генератору 1, программируемые счетчики времени задержки 17, входы которых соединены со вторым и третьим аналоговыми выходами устройства управления 2, а аналоговые выходы - к вторым аналоговым входам программируемых счетчиков числа измерений аналого-цифровым преобразователем 15, третий цифровой вход устройства управления системой 2 соединен с цифровым входом центрального процессора системы 18.An ultrasonic device for determining mechanical stresses in rails (Fig. 1) consists of a highly stable master oscillator 1, the output of which is connected to a control device of
Предложенная система и способ работают следующим образом.The proposed system and method work as follows.
Перед началом контроля производят установку по два пьезоэлектрических преобразователя 7, 10 на нагружаемый рельс 9 и его ненагружаемый аналог 8. После этого производят загрузку исходных параметров системы. Центральный процессор компьютера 18 подает в устройство управления системой 2 команду загрузки формы зондирующего сигнала с частотой резонанса пьезоэлектрических преобразователей 7, 10, равной 2,5 МГц. Этот сигнал преобразуется в цифровой эквивалент аналого-цифровым преобразователем 14 с интервалом дискретизации, равным Δτ=10⋅10-9 с. При этом устройство управления системой 2 по последовательным линиям загружает в оперативное запоминающее устройство формы зондирующего импульса 3 массив данных, представляющих собой форму зондирующего сигнала в виде нескольких периодов синусоидальных колебаний на резонансной частоте ультразвуковых преобразователей 7, 10. Затем устройство управления системой 2 по последовательным линиям загружает значения в программируемые счетчики времени задержки 17, соответствующие времени распространения измеряемой моды волны и в программируемые счетчики числа измерений аналого-цифрового преобразователя 15 записываются значения числа отсчетов, определяющие диапазон измерения времени распространения ультразвукового сигнала. Причем счетчики времени задержки 17 могут быть запрограммированы на различные моды принимаемого ультразвукового сигнала.Before starting the control, two
Порядок работы системы в режиме измерения.System operation in measurement mode.
Центральный процессор компьютера 18 подает в устройство управления системой 2 команду, по которой он формирует сигнал управления оперативным запоминающим устройством формы зондирующего импульса 3. По этому сигналу коды из оперативного запоминающего устройства 3 поступают на вход цифро-аналогового преобразователя формы зондирующего импульса 4 с частотой, формируемой высокостабильным задающим генератором 1. Одновременно эта же команда запускает счетчики времени задержки 17. При этом на выходе цифро-аналогового преобразователя 4 формируется зондирующий сигнал, поступающий через полосовой сглаживающий фильтр 5 и высоковольтный трансформатор с буферным усилителем 6 на входы ультразвуковых преобразователей 7. Полосовой сглаживающий фильтр 5 обеспечивает подавление шумов дискретизации, а высоковольтный трансформатор с буферным усилителем 6 обеспечивает необходимый уровень амплитуды зондирующего сигнала. Пройдя через рельс 9 и его ненагруженный аналог 8 акустические сигналы поступают на входы ультразвуковых преобразователей 10, которые преобразуют акустические сигналы, поступающие с подошв рельсов 8 и 9, в электрические сигналы, поступающие на входы перестраиваемых фильтров нижних 11 и верхних 12 частот, обеспечивая необходимые амплитудно-частотные характеристики приемных измерительных каналов, и подавление паразитных составляющих принятого сигнала. Затем сигналы поступают на входы нормирующих усилителей 13, где усиливаются до амплитуд, необходимых для измерения аналого-цифровыми преобразователями 14. По истечении времени задержки, формируемом счетчиками времени задержки 17 каналов, высокостабильным задающим генератором 1 запускаются программируемые счетчики числа измерений аналого-цифрового преобразователя 15, разрешающие запись кодов измерений аналого-цифровыми преобразователями 14, тактируемых генератором 1, в оперативные запоминающие устройства формы принятого сигнала 16. По окончании измерения программируемые счетчики числа измерений аналого-цифрового преобразователя 14 останавливают запись измерений. Затем центральный процессор компьютера 18 через устройство управления системой 2 считывает результаты измерения с двух измерительных каналов. По считанным результатам измерения центральный процессор 18 рассчитывает время распространения выбранной моды сигнала с учетом времени задержки. При этом сравниваются времена прохождения ультразвуковых волн в ненагруженном отрезке рельса 8 и в нагруженном рельсе 9 и по разности времен определяют продольные механические напряжения в каждой рельсовой нити.The central processor of
Ультразвуковой зондирующий сигнал U(t), поступающий на ультразвуковые преобразователи 7 с выхода высоковольтного трансформатора с буферным усилителем 6, переводит их в режим излучения ультразвукового сигнала, который поступает в рельс 9, и ненагруженный аналог рельса 8, отражается от их подошвы и приходит на пьезоэлектрические преобразователи 10, работающие в режиме приема и преобразующие ультразвуковые сигналы в электрические (фиг. 1). После прохождения электрического сигнала через фильтры 11, 12 нижних и верхних частот первого и второго измерительных каналов, он усиливается программируемыми усилителями 13 и поступает на входы аналого-цифровых преобразователей 14, установленных в первом и втором измерительных каналах. В каждом измерительном канале цифровой эквивалент сигнала с выхода аналого-цифрового преобразователя 14 представлен в виде набора отсчетов Ui через интервал дискретизации Δt=10⋅10-9 с. Время прихода сигнала определяется по моменту времени tmax, соответствующему достижению амплитудой его переднего фронта максимального значения (фиг. 2). Так как время прихода сигнала определяется при достижении амплитудой его переднего фронта максимального значения в интервале дискретизации Δtдиск=10⋅10-9 с (см. фиг. 2), то время прихода трансформированного сигнала составляет 5⋅10-9 с (см. фиг. 3). Поскольку напряжение в рельсе определяется по времени достижения ультразвуковым сигналом максимального значения, то и погрешность его определения не выше Δt=5⋅10-9 с.The ultrasonic probe signal U (t), arriving at the ultrasonic transducers 7 from the output of the high-voltage transformer with a buffer amplifier 6, puts them into the radiation mode of the ultrasonic signal that enters the rail 9, and the unloaded analog of the
Отличие данного способа от прототипа заключается в том, что в предлагаемом способе поочередно формируются зондирующие сигналы на частоте резонанса двух пьезоэлектрических преобразователей с разным числом периодов колебаний от 1 до n, а результаты измерений времени распространения сигнала усредняются по n измерениям. В прототипе, поскольку точно определить порог селекции из-за шумов невозможно и он изменяется во времени, то возникают большие погрешности измерения времени распространения ультразвуковых волн. Кроме того, трансформированные волны приходят позже продольных волн и порог селекции невозможно установить из-за акустических шумов и помех.The difference between this method and the prototype lies in the fact that in the proposed method, probing signals are formed at the resonance frequency of two piezoelectric transducers with different numbers of oscillation periods from 1 to n, and the measurement results of the signal propagation time are averaged over n measurements. In the prototype, since it is impossible to precisely determine the selection threshold due to noise and it varies over time, large errors arise in measuring the propagation time of ultrasonic waves. In addition, the transformed waves arrive later than the longitudinal waves and the selection threshold cannot be set due to acoustic noise and interference.
В предлагаемом способе время прихода трансформированных волн на пьезоэлектрические преобразователи, работающие в режиме приема, определяется по времени достижения максимального значения амплитуды ультразвукового сигнала в заранее заданном промежутке времени, который находится через максимальную и минимальную скорости распространения соответствующих трансформированных волн. При деформации растяжения рельсов возникает минимальная скорость распространения Cmin ультразвукового сигнала:In the proposed method, the arrival time of the transformed waves to the piezoelectric transducers operating in the reception mode is determined by the time it takes to reach the maximum amplitude of the ultrasonic signal in a predetermined period of time, which is located through the maximum and minimum propagation speeds of the corresponding transformed waves. When the tensile strain of the rails there is a minimum propagation speed C min of the ultrasonic signal:
где S - расстояние между датчиками; tmax - максимальное время распространения ультразвукового сигнала.where S is the distance between the sensors; t max - the maximum propagation time of the ultrasonic signal.
Если рельс испытывает деформацию сжатия, то достигается максимальная скорость Cmax распространения ультразвукового сигнала:If the rail experiences a compression deformation, then the maximum propagation speed C max of the ultrasonic signal is achieved:
где tmin - минимальное время распространения ультразвукового сигнала.where t min is the minimum propagation time of the ultrasonic signal.
Для уменьшения погрешности измерения времени распространения ультразвукового сигнала используется синусоидальная аппроксимация принятого сигнала на резонансной частоте пьезоэлектрического преобразователя. В результате при частоте дискретизации, равной 100 МГц, время между отсчетами составляет 10⋅10-9 с и погрешность измерения времени прихода трансформированного сигнала составляет 5⋅10-9 с. Повышение точности измерения времени распространения ультразвукового сигнала приводит к повышению точности измерения напряжения в рельсах и связано с уменьшением погрешности измерения времени прихода трансформированного сигнала.To reduce the measurement error of the propagation time of the ultrasonic signal, a sinusoidal approximation of the received signal at the resonant frequency of the piezoelectric transducer is used. As a result, at a sampling frequency of 100 MHz, the time between samples is 10⋅10 -9 s and the measurement error of the arrival time of the transformed signal is 5⋅10 -9 s. Improving the accuracy of measuring the propagation time of an ultrasonic signal leads to an increase in the accuracy of measuring voltage in rails and is associated with a decrease in the error of measuring the arrival time of the transformed signal.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019135929A RU2723146C1 (en) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019135929A RU2723146C1 (en) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails and device for its implementation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2723146C1 true RU2723146C1 (en) | 2020-06-09 |
Family
ID=71067636
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019135929A RU2723146C1 (en) | 2019-11-07 | 2019-11-07 | Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2723146C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114441943A (en) * | 2022-01-28 | 2022-05-06 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | Strain detection method and device, computer equipment and storage medium |
RU2813449C1 (en) * | 2023-11-24 | 2024-02-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Ultrasonic method and device for determining residual stresses in rails |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1801844A1 (en) * | 1989-03-01 | 1993-03-15 | Igor E Sokolov | Device for detecting mechanically strained rail sections |
US5341683A (en) * | 1992-06-02 | 1994-08-30 | Searle Donald S | Dynamic rail longitudinal stress measuring system |
RU2057330C1 (en) * | 1994-02-25 | 1996-03-27 | Власов Валерий Тимофеевич | Acoustic method of determination of internal mechanical stresses in solid materials |
RU2308027C1 (en) * | 2006-05-02 | 2007-10-10 | ОАО "Радиоавионика" | Method of ultrasonic test of rail head |
WO2013070455A1 (en) * | 2011-11-10 | 2013-05-16 | The Regents Of The University Of California | Stress detection in rail |
RU2619842C1 (en) * | 2016-04-25 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) г. Новосибирск | Ultrasonic method of determination of mechanical stresses in rails |
-
2019
- 2019-11-07 RU RU2019135929A patent/RU2723146C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1801844A1 (en) * | 1989-03-01 | 1993-03-15 | Igor E Sokolov | Device for detecting mechanically strained rail sections |
US5341683A (en) * | 1992-06-02 | 1994-08-30 | Searle Donald S | Dynamic rail longitudinal stress measuring system |
RU2057330C1 (en) * | 1994-02-25 | 1996-03-27 | Власов Валерий Тимофеевич | Acoustic method of determination of internal mechanical stresses in solid materials |
RU2308027C1 (en) * | 2006-05-02 | 2007-10-10 | ОАО "Радиоавионика" | Method of ultrasonic test of rail head |
WO2013070455A1 (en) * | 2011-11-10 | 2013-05-16 | The Regents Of The University Of California | Stress detection in rail |
RU2619842C1 (en) * | 2016-04-25 | 2017-05-18 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) г. Новосибирск | Ultrasonic method of determination of mechanical stresses in rails |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN114441943A (en) * | 2022-01-28 | 2022-05-06 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | Strain detection method and device, computer equipment and storage medium |
CN114441943B (en) * | 2022-01-28 | 2024-01-30 | 苏州浪潮智能科技有限公司 | Strain detection method, strain detection device, computer equipment and storage medium |
RU2813449C1 (en) * | 2023-11-24 | 2024-02-12 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Ultrasonic method and device for determining residual stresses in rails |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5777230A (en) | Delay line for an ultrasonic probe and method of using same | |
JPH0525045B2 (en) | ||
Goujon et al. | Behaviour of acoustic emission sensors using broadband calibration techniques | |
US5493911A (en) | System for measuring the ultrasonic velocity in the thickness direction of moving webs without errors due to delays in the onset of digitization | |
RU2723146C1 (en) | Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails and device for its implementation | |
RU2057330C1 (en) | Acoustic method of determination of internal mechanical stresses in solid materials | |
JP2011047763A (en) | Ultrasonic diagnostic device | |
JP2001343365A (en) | Thickness resonance spectrum measuring method for metal sheet and electromagnetic ultrasonic measuring method for metal sheet | |
Moss et al. | Investigation of ultrasonic transducers using optical techniques | |
RU2601388C2 (en) | Ultrasonic method of internal mechanical stresses measuring | |
RU2714868C1 (en) | Method of detecting pitting corrosion | |
RU2723148C1 (en) | Ultrasonic method for determination of mechanical stresses in rails | |
SU1188647A1 (en) | Method of article ultrasonic inspection | |
JPH06242086A (en) | Ultrasonic inspection system | |
RU2231054C1 (en) | Method of determination of degree of polymerization of composite materials | |
RU2789244C1 (en) | Method for ultrasonic control of the surface of quartz ceramic products for the presence of scratches | |
RU164233U1 (en) | DEVICE FOR NON-DESTRUCTIVE CONTROL OF THE TENSIONAL STATE OF THE RAILWAYS OF THE SANDLESS WAY | |
RU2748391C1 (en) | Device for reading information from wireless sensor on surface acoustic waves | |
SU1345063A1 (en) | Method of determining depth and velocity of propagation of ultrasonic waves in articles | |
RU2112235C1 (en) | Method for measuring attenuation variables of elastic waves | |
RU2470267C1 (en) | Device to compensate for error in measurement by ultrasonic level metre | |
SU1228007A1 (en) | Method of article ultrasonic inspection | |
SU1525568A1 (en) | Ultrasonic mirror-through transmission flaw detector | |
RU2655993C1 (en) | Ultrasonic method of determination of internal mechanical stresses | |
RU2274857C1 (en) | Method of detecting cracks in solid body |