SU1408239A1 - Ультразвуковой виброметр - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано при измерении амплитуды вибраций. Цель изобретени  - повышение точности измерени  вибраций за счет помехозащищенности. На вибрируюшее изделие направл ют и принимают зондирующие акустические импульсы . Электрический сигнал возбуждени  и сигнал с акустического приемника 6 подают соответственно через формирователи 11, 19 импульсов перехода через нуль на входы блока 12 определени  момента совпадени  импульсов. В формирователе 13 разности периодов вырабатываетс  сигнал, пропорциональный амплитуде вибрации., который в цифровом виде отображаетс  на индикаторе 15. 1 ил.

Description

«

О 00

ю со со

Изобретение относитс  к измерительной технике и может найти применение в качестве датчика амплитуды колебаний изделий, например ультразвукового излучател  при непрерывном и импульсном режимах возбуждени  в составе установок дл  ультра- звуковых технологических процессов в газовых и жидких средах.

Цель изобретени  - повышение точности измерени  вибраций за счет помехозащищенности .

На чертеже представлена схема виброметра .

Виброметр содержит последовательно соединенные генератор 1, формирователь 2 серии зондирующих импульсов, усилитель 3 мощности и акустический излучатель 4, сфокусированный на контролируемое изделие 5, последовательно соединенные акустический приемник 6, усилитель 7, в цепь обратной св зи которого включен блок 8 автоматической регулировки усилени , полосовой фильтр 9, временной селектор 10, первый формирователь 11 импульсов перехода через нуль, блок 12 определени  момента совпадени  импульсов, формирователь 13 разности периодов, импульсно-счетный преобразователь 14 и индикатор 15.

Виброметр содержит также фильтр 16 нижних частот, включенный между его выходом и управл ющим входом формировател  2 серии зондирующих импульсов блок 17 адаптивной задержки, формирователь 18 строб-импульса, включенный между выходом фильтра 16 нижних частот и вторым входом временного селектора 10, и второй формирователь 19 импульсов перехода через нуль, включенный между выходом генератора 1 и вторым входом блока 12 определени  момента совпадени  импульсов, инверсный выход которого св зан с вторыми входами импульсно-счетного преобразовател  14 и формировател  13 разности периодов, третий и четвертый входы соответственно подключены к выходам формирователей 19 и 11 импульсов перехода через нуль.

Блок 12 определени  момента совпадени  импульсов выполнен в виде последовательно соединенных первого инвертора 20, первого элемента И 21 и -триггера 22, выходы которого  вл ютс  выходами блока 12, второго элемента И 23 выход которого св зан с вторым входом L-триггера 22, а входы подключены к выходам формирователей 11 и 19 импульсов перехода через нуль, и второго инвертора 24, включенного между вы- ходом формировател  11 импульсов перехода через нуль и вторым входом первого элемента 21 совпадени .

Формирователь 13 разности периодов содержит два D-триггера 25 и 26, / С5-триг- гер 27 и / 5-триггер 28, два инвертора 29 и 30 и элемент 31 совпадений, причем С-вхо- ды обоих D-триггеров 25 и 26 соединены с выходами соответствующих формирова

5

5

0

0

0

5

0

5

5

0

телей 11 и 19 импульсов перехода через нуль, а их D-входы соединены с неинвертирующим выходом блока 12. Выход D-триггера 25 соединен через инвертор 29 с вторым входом D-триггера 25, а также с первым входом (R) CS-триггера 27 и первым входом элемента 31 совпадений, а выход D-триггера 26 соединен через инвертор 30 с его вторым входом и с вторым входом (S) / С5-тригге- ра 27, синхронизирующий вход которого (С) соединен с вы.ходом / 5-триггера 28, выход У С5-триггера 27 соединен с вторым входом элемента 31 совпадений и с выходом формировател  13 разности периодов. Первый вход / 5-триггера 28 соединен с выходом элемента 31 совпадений.

Блок 17 адаптивной задержки содержит последовательно соединенные фазовращатель 32, формирователь 33 импульса перехода через нуль, делитель 34 частоты на два, блок 35 регулируемой задержки, инвертор 36 триггеры 37-39, элементы 40, 42 и 43 совпадений , генератор 41 счетных импульсов, реверсивный счетчик 44 и элементы ИЛИ-НЕ 45 и 46.

Виброметр работает следующим образом.

Генератор 1 генерирует высокочастотный сигнал в непрерывном режиме. Из этого сигнала с помощью формировател  2 серии зондирующих и.мпульсов в течение действи  видеоимпульса, поступающего с выхода блока 17 адаптивной задержки, формируетс  модулированный импульс. Этот импульс усиливаетс  в усилителе 3 мощности и поступает на вход пьезоэлектрического акустического излучател  4 зондирующих импульсов , который за счет пьезоэффекта возбуждает акустические импульсы с тональным заполнением.

Дл  определенности считают, что изделие 5, амплитуда колебательной скорости которого измер етс , колеблетс  на резонансе по синусоидальному закону. При импульсном возбуждении излучател  в стационарной части импульса колебани  издели  5 также можно считать синусоидальными.

Акустический излучатель 4 зондирующих импульсов выполнен фокусирующим. Он устанавливаетс  на рассто нии радиуса фокусировки R от вибрирующей поверхности соосно с контролируемым изделием 5 так, что фокальна  плоскость оказываетс  совмещенной с его поверхностью. Точность установки в пределах размеров фокальной области существенной роли не играет. В этой области звуковой фронт представл ет собой неоднородную плоскую волну. Эту волну можно аналитически представить в виде бесконечного набора плоских волн, падающих на излучатель под разными углами (например, в каждом сечении функцию распределени  звукового пол  можно представить в виде разложени  в интеграл Фурье по пространственным частотам или в объеме - в интеграл Кинга). Среди отраженных

.волн выдел ют волны, распростран ющиес  вдоль оси излучател  и под малыми углами к ней, которые воспринимаютс  акустическим приемником 6 в соответствии с его характеристикой направленности.

Отраженные волны в виде последовательности тонально-модулированных импульсов с девиацией частоты (периода) во времени по синусоидальному закону на малую величину в сравнении с частотой (периодом ) модул ции, ампл итуда девиации которых пропорциональна колебательной скорости или смеидению, которое определ етс  через колебательную скорость делением на циклическую частоту контролируемых колебаний, поступают на вход акустического приемника 6.

Отраженные импульсы за счет пр мого пьезоэффекта преобразуютс  в электрический сигнал, который-усиливаетс  усилителем 7, имеющим широкую полосу (усилитель может быть также двухполосным, т. е. может усиливать низкие частоты в относительно широкой полосе и избирательно усиливать высокую частоту отраженного сигнала). Выходной сигнал усилител  7 содержит составл ющую с частотой колебаний контролируемого акустического издели  5 и наложенные высокочастотные отраженные импульсы с тональным высокочастотным заполнением. Амплитуда отраженных импульсов с помощью блока 8 автоматической регулировки усилени  поддерживаетс  на посто нном уровне при неконтролируемых изменени х рассто ни  от вибрирующей поверхности до датчиков и коэффициентов отражени  поверхности контролируемого издели .

С помощью полосового фильтра 9 выдел ютс  только последовательности тонально модулированных отраженных импульсов с частотной девиацией.

При помощи временного селектора 10 из последовательности отраженных импульсов выдел етс  импульс, прошедщий кратчайшее рассто ние от фокальной плоскости (от вибрирующей поверхности) до приемника 5. Тем самым осуществл ютс  временна  фильтраци  основного сигнала и подавление помех.

Зондирующий импульс приходит к вибрирующей поверхности контролируемого издели  в момент достижени  ею максимума колебательной скорости в фазе сжати  излучател  и расширени  рабочей среды в объеме между этой поверхностью, излучателем 4 и приемником 6. При выборе радиуса фокусировани  достигаетс  максимальна  помехозащищенность, так как в этой фазе захлопывани  кавитационных пузырьков не происходит.

С помощью блока 17 адаптивной задержки получают опережение во времени запуска зондирующих импульсов («отрицательную задержку) дл  того, чтобы они достигли поверхности контролируемого издели  в фазе максимума его колебательной скорости. Это условие должно выполн тьс  независимо от рабочей частоты (адаптивно) во всем частотном диапазоне виброметра.

На вход блока 17 поступает синусоидальный сигнал с частотой колебаний контролируемого издели  с выхода фильтра 16 нижних частот. Этот сигнал с помощью под- строечного фазовращател  32 на верхней частоте диапазона подстраиваетс  по фазе

0 по максимуму показаний выходного индикатора 15. Этим исключаетс  неопределенность в начальной фазе синхронизирующего сигнала. Синусоидальный сигнал на выходе фазовращател  32 с помощью формироваг -тел  33 импульсов перехода через нуль преобразуетс  во временные метки - короткие импульсы, частота которых в два раза выще рабочей частоты контролируемого издели . Короткие импульсы с выхода формировател  33 поступают на вход делител  34 частоты

0 на два, на выходе которого формируютс  импульсы с частотой колебаний контролируемого издели  5. Задним фронтом выходного импульса делител  34 частоты запускаетс  блок 35 задержки, в котором выра батываетс  импульс задержки сигнала. Задержка устанавливаетс  равной R/CQ, где R - радиус фокусировани ; Со - скорость звука в акустической среде. Этот инвертируетс  инвертором 36. Передним фронтом инвертированного импульса (зад0 ним фронтом импульса на выходе блока 35 задержки) триггер 37 по 5-входу устанавливаетс  в состо ние «1 на пр мом выходе, в это же состо ние устанавливаютс  триггеры 38 и 39. Одновременно на выходах элемента 40 совпадений, который отпираетс 

5 потенциалом с выхода триггера 39, и элемента 43 совпадений, который отпираетс  потенциалом с выхода триггера 38, по вл ютс  счетные импульсы генератора 41. Элемент 42 совпадений остаетс  при этом закрытым, поскольку счетные импульсы поступают на

0 вход реверсивного счетчика 44 в режиме пр мого счета, счетчик 44 начинает заполн тьс  до момента прихода переднего фронта импульса с выхода делител  34 частоты на / -входы триггеров 37 и 38. В момент с прихода переднего фронта триггеры 37 и 38 переход т в состо ние «О по пр мому выходу , поэтому элемент 43 совпадений закрываетс , а элемент 42 совпадений открываетс  с инверсного выхода триггера 38. Реверсивный счетчик 44 переходит в режим обратного

Q счета и находитс  в этом режиме до момента его обнулени . Этим способом формируютс  сначала первый и второй интервалы задержки Т-R/CO- Потенциалы со всех выходов реверсивного счета через элементы ИЛИ-НЕ 45 и 46 поступают на выход блока 17 адап5 тивной задержки. В момент обнулени  реверсивного счетчика 44 элементы ИЛИ-НЕ 45 и 46 вырабатывают импульс, который поступает на / -вход триггера 39 и переводит его

i состо ние «О по его выходу, что, в свою (|)чередь, приводит к запиранию элемента 40 ((овпадений, и поступление счетных импуль- |ов на реверсивный счетчик 44 прекращаетс . этом состо нии схема находитс  до при- ;ода переднего фронта следующего импуль- :а с выхода инвертора 36 на 5-вход триг- ера 37.

Блок 17 адаптивной задержки задержи- 5ает момент формировани  фронта строб- 1мпульса на врем  распространени  зонди- :)уюихего импульса от излучател  4 до по- зерхности контролируемого издели  и от нее Ю приемника 6, т. е. на врем  2R/Co, а также {)ормирует управл ющий импульс временно10

цифровом виде эта величина Отображаетс  на индикаторе 15.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Ультразвуковой виброметр, содержащий генератор, последовательно соединенные усилитель мощности и акустический излучатель , последовательно соединенные акустический приемник и усилитель, подключенный в его цепь обратной св зи, блок автоматической регулировки усилени , фильтр нижних частот и индикатор, отличающийс  тем, что, с целью повыщени  точности, он снабжен последовательно соединенными полосовым фильтром, временным селектором первым формирователем импульсов перехо о селектора 10, длительность которого вы- .. да через нуль, блоком определени  момента эираетс  пор дка дес ти периодов, что мень- совпадени  импульсов, формирователем раз- пе отраженного импульса, чтобы устранить ности периодов и импульсно-счетным преоб- 1скажени  из-за переходных процессов и разователем, выход которого св зан с инди- шразитной мо.дул ции. Это обеспечивает катором, формирователем серии зондирую- -1збирательное выделение только того импуль- щих импульсов, включенным между выходом :а, который отражаетс  от вибрирующей 20 генератора и входом усилител  мощности, юверхности контролируемого издели  в не- блоком адаптивной задержки, включенным

   между выходом фильтра нижних частот, вход которого св зан с выходом усилител , и управл ющим входом формировател  серии зондирующих импульсов, формирователем строб-импульса, включенным между выходом фильтра нижних частот и вторым входом временного селектора, и вторым формирователем импульсов перехода через нуль, включенным между генератором и вторым

   Блок 12 определени  момента совпадени  Q входом блока определени  момента совпаде- импульсов вырабатывает синхронизирую- ни  импульсов, инверсный выход которого 1ЦИЙ импульс дл  синхронизации момента соединен с управл ющим входом счетно- запуска формировател  13 разности перио- импульсного преобразовател  и с вторым дов в момент совпадени  импульсов на его входом формировател  разности периодов, входах. На выходе формировател  13 раз- подключенного третьим и четвертым входами ности периодов вырабатываетс  сигнал, 35 соответственно к выходам формирователей пропорциональный величине вибрации. В импульсов перехода через нуль.

   бходимой дл  правильной работы устрой- :тБа фазе: в момент перехода излучател  зт раст жени  к сжатию при достижении -1М максимума колебательной скорости.

   С выхода генератора и выхода временного селектора 10 импульсов сигналы поступают на формирователи 19 и 11 импульсов перехода через пуль.

   цифровом виде эта величина Отображаетс  на индикаторе 15.

   Формула изобретени  Ультразвуковой виброметр, содержащий генератор, последовательно соединенные усилитель мощности и акустический излучатель , последовательно соединенные акустический приемник и усилитель, подключенный в его цепь обратной св зи, блок автоматической регулировки усилени , фильтр нижних частот и индикатор, отличающийс  тем, что, с целью повыщени  точности, он снабжен последовательно соединенными полосовым фильтром, временным селектором первым формирователем импульсов перехо