SU1756815A1 - Устройство дл контрол механических напр жений в твердых средах - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано при проведении контрол  действующих или остаточных напр жений без разрушени  контролируемых объектов полностью или в месте контрол , например, в сварных металлических конструкци х и их элементах. Целью изобретени   вл етс  повышение достоверности контрол  замечет исключени  зависимости временного положени  начала ультразвуковых колебаний от длительности и формы сигнала возбуждени . В устройство введены аттенюатор, блок преобразовани  сигнала, измеритель временных интервалов, интерфейс, формирователь сигналов возбуждени , блок автоматической регулировки усилени , блок диалогового ввода-вывода и оперативный запоминающий блок. 10 ил.

Description

Изобретение относитс  к средствам ие- разрушающего контрол  механических напр жений и деформаций в твердых телах, и может найти применение в тех отрасл х народного хоз йства, где необходимо проведение контрол  и измерени  остаточных или действующих напр жений без разрушени  контролируемых обьектов полностью или в месте контрол , например, в сварных металлических конструкци х и их элементах , примен емых в машиностроении, строительстве и других отрасл х.

Известны устройства, реализующие способ контрол  размеров механических напр жений в твердых средах, основанный на том, что скорость распространени  ультразвуковых (УЗ) колебаний зависит от размера напр жений в контролируемых точках материала. На практике измер етс  величина , определ ема  скоростью распространени  УЗ колебаний, - временной интервал от возбуждени  УЗ колебаний до приема отраженного сигнала (ОС) УЗ колебаний, отразившихс  от противоположной поверхности контролируемого материала или обратна  ему величина - частота ОС. Временной интервал прохождени  УЗ колебаний (именуемый в дальнейшем изложении период ОС) измер етс  дл  двух типов колебаний - продольной и сдвиговой волн, причем последние измер ютс  в двух взаимно перпендикул рных направлени х относительно действующих напр жений. По измеренным размерам периодов ОС продольных и сдвиговых волн

УЗ колебаний вычисл ютс  размеры двухосных механических напр жений в твердых средах. Поскольку на скорость распространени  УЗ колебаний(частоты ОС) вли ют еще многие факторы, в частности колебани  химсостава различного рода механические деформации, последстви  термообработки и прочие, то на практике используетс  контроль относительного изменени  напр жений , при котором начальные их значени  трактуютс  как ложные и определ ютс  дл  ненагруженных конструкций или материалов .

Известно устройство дл  контрол  механических напр жений, которое с целью обеспечени  автоматического контрол  также и напр жений снабжено последовательно соединенными преобразователем аналог - код, первый вход которого подключен к выходу измерите- л  периода следовани  импульсов, олект- ронно-вычислительным блоком, блоком управлени , первый вход которого соединен с первым входом электронно-вычислительного блока и блоком ввода посто нных коэффициентов, второй вход которого соединен с вторым выходом блока управлени  и вторым входом преобразовател  аналог- код, а выход - с вторым входом олектронно- вычислительного блока и цифровым индика- тором, первый вход которого соединен с вторым выходом преобразовател  аналог - код, второй вход - с выходом электронно- вычислительного блока, а третий вход - с третьим выходом блока управлени ,

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству  вл етс  прибор дл  измерени  механических напр жений в твердых средах, содержащий последовательно соединен- ные ультразвуковой преобразователь и усилитель и блок вычислений.

Принцип действи  прибора основан на измерении частоты рециркул ции сигналов УЗ колебаний, отраженных от противопо- ложной поверхности контролируемого материала - ОС продольных и сдвиговых волн, возбуждаемых и принимаемых поочередно соответствующими УЗ (акустическими) преобразовател ми . Измеренные частоты лвл - ютс  исходными данными дл  расчета действующих напр жений. При этом учитываютс  также начальные ложный напр жени  в материале до его технологической обработки в тех же контрольных точках.

При расчете напр жений по частотам ОС учитываютс  также упругие свойства, контролируемого материала и другие его физико-химические характеристики, определ ющие прочность и упругость материала . Эти характеристики учитываютс  путем введени  в расчетные формулы напр жений посто нных коэффициентов, характеризующих данный материал. Эти коэффициенты, в свою очередь4определ ютс  путем ультрй- звуковых обмеров образцов соответствующих материалов в нагруженном и свободном состо ни х.

Недостатком данного прибора  вл етс  недостаточна  достоверность контрол . В части измерени  частот ОС существенное вли ние на достоверность результатов мме- ют три фактора. Первый фактор - измерение частоты ОС методом рециркул ции требует формировани  сигналов возбуждени  УЗ колебаний после одного -трех ОС, в результате ОС от прошлых возбуждений не успевают затухать, и создаетс  высокий уровень помех, сравнимый с амплитудой второго - третьего ОС. Хаотичность и суперпозици  помех, сложение их с принимаемым ОС вызывает нестабильность и скачки измерени  частот. Второй фактор - зависимость временного положени  начала УЗ колебаний от длительности и формы сигнала возбуждени  УЗ колебаний дл  разных типов материалов и вида колебаний (продольных и сдвиговых). Третий фактор - зависимость временного положени  ОС от их амплитуды при большом динамическом диапазоне их размеров.

Целью изобретени   вл етс  повыше- ние достоверности контрол  за счет исключени  зависимости временного положени  начала УЗ колебаний от длительности и формы сигналов возбуждени .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  контрол  механических напр жений в твердых средах, содержащее последовательно соединенные преобразователь , усилитель и блок вычислений, снабжено подключенными к усилителю последовательно соединенными аттенюатором , блоком преобразовани  сигнала, измерителем временных интервалов, ин- терфейсой и блоком автоматической регулировки усилени , подключенным своим выходом к вторым входам аттенюатора и блока преобразовани  сигнала, второй выход которого соединен с вторым входом блока автоматической регулировки усилени , формирователем сигналов возбуждени , вход которого соединен с вторым выходом интерфейса, а выход-с ультразвуковым преобразователем и усилителем, блоком диалогового ввода-вывода и оперативным запоминающим блоком, выходы которого предназначены дл  подключени  внешних потребителей инфорр ацми, входы - выходы интерфейса, блока диалогового

ввода-вывода, блока вычислений и оперативного запоминающего блока соединен между собой шинами управлени , данных и адреса, второй вход формировател  сигналов возбуждени  соединен с шиной данных, третий выход интерфейса соединен с вторым входом измерител  временных интервалов , второй выход которого и второй вход интерфейса соединены шинной св зью.

На фиг. 1 приведена структурна  схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - 10 - составные части устройства с помощью серийно выпускаемых промышленностью электрорадиоэлементов.

Устройство (фиг.1) содержит ультразвуковой преобразователь 1, формирователь 2 сигналов возбуждени , усилитель 3, аттенюатор 4, блок 5 преобразовани  сигнала, блок 6 автоматической регулировки усилени  (БАРУ), интерфейс 7, блок 8 диалогового ввода-вывода, измеритель 9 коротких временных интервалов, блок 10 вычислений и оперативный запоминающий блок 11, а также шины управлени  (ШУ), данных (ШД) и адреса (ША).

Входы формировател  2 соединены с ШД и первым выходом интерфейса 7, а выход - с входом-выходом преобразовател  1 и входом усилител  3, выход которого соединен с первым входом аттенюатора 4, выход которого соединен с первым входом блока 5, второй вход которого соединен с вторым входом аттенюатора и выходом блока б, первый вход которого соединен с вторым выходом интерфейса 7, а второй - с первым выходом блока 5, второй выход которого соединен с первым входом измерител  9, второй выход которого, в свою очередь, соединен с третьим выходом интерфейса , а выходы - с соответствующими входами интерфейса. Интерфейс 7, блоки 8,10 и 11 объединены между собой ШД. ША и ШУ.

11 имеет выходы дл  подключени  внешних потребителей или источников информации .

Устройство работает следующим образом .

Формирователь 2 формирует сигналы возбуждени  УЗ колебаний преобразовател  1, параметры которых (длительность и форма), например, определ ютс  кодом, поступающим по ШД(фиг. 1).

Преобразователь 1 преобразует электрические сигналы п, механические колебани  УЗ частоты, и наоборот. ОС механических колебаний , преобразованные в электрические, оступают на вход усилител  3. Вход усилител  защищен от воздействи  мощных сигналов возбуждени  УЗ колебаний, но

пропускают слабые ОС. С выхода усилител  через аттенюатор 4 ОС поступает в блок 5. снабженный БАРУ 6. Блок 6 по заданной программе с помощью аттенюатора 4 обеспечивает усиление ОС без искажени  их формы до заданной амплитуды во всем диапазоне амплитуд ОС на входе приемника. Измеритель 9 временных интервалов измер ет период ОС - временной интервал,

начало которого - момент формировани  сигнала возбуждени  УЗ колебаний, а конец - приход ОС. Блок 10 производит вычисление напр жений по заданному алгоритму, включающему данные измеренных временных интервалов. Блок 8 обеспечивает ввод- вывод команд и другой информации, ео визуализацию и работу в диалоговом режиме . Интерфейс С обеспечивает дешифровку и выдачу составным част м устройства управл ющих команд и кодированных конструкций .

Блок 11 хранит константы и данные измерений и расчетов.

Дл  контрол  механических напр жений преобразователь 1 устанавливаетс  на контролируемый материал, затем на блоке 8 набираетс  код выбранного режима работы , адрес контролируемой точки, обозначающий массив блока 11, в котором хран тс 

константы данные измерений и расчетов по этой точке. После набора и ввода выбранного режима на дисплее блока 8 инициируютс  символы операций, которые должен выполн ть оператор дл  реализации заданного режима. Выполнение операции запускаетс , например, нажатием клавиши Пуск. После выполнени  операции ее символ гаснет и оператор может запускать выполнение следующей операции. При

измерении периодов ОС после установки соответствующего датчика, набора соответствующего режима и нажатии клавиши Пуск формирователь 2 по коду, определ ющему форму и длительность 3И, и команде запуска,

поступающим из интерфейса 7, формирователь ЗИ, поступающий на преобразователь 1

и усилитель 3, на входе которого имеетс  запорный узел, не пропускающий мощный сигнал на вход усилител , защища  его от

перегрузки.

Преобразователь 1 преобразует электрический сигнал в механические колебани  и возбуждает их в контролируемом материале . Эти колебани  УЗ частоты распрострэм ютс  в контролируемом материале и, отразившись от его противоположной по- оерхноспг, возвращаютс  на преобразователь 1, который преобразует эти ОС ультразвуковой частоты с электрические

сигналы, поступающие на усилитель 3. Усиленный сигнал с его выходи пост/пает на вход аттенюатора 4, управл емого по ослаблению сигналов блоком б, программа которого обеспечивает в системе усилитель - аттенюатор - бпок преобразовани  сигнала, неискаженное усиление сигналов до заданного стандартного уровн  во всем динамическом диапазоне амплитуд ОС. Така  система практически исключает случайную ошибку измерени  временного интервала Тх, св занную с ее зависимостью от длительности фронта сигнала, фиксирующего конец интервала Тх. Блок б управл етс  по цепи обратной св зи с соответствующего выхода блока 5 и кодом программы, запускаемой интерфейром 7. Выход блока 5 соединен с входом измерител  9. Сигнал начала намерени  периода Тх поступает но интерфейса 7, а выходной сигнал блока 5 означает окончание измерени  Тх. С выхода измерител  в интерфейс поступает сигнал об окончании измерени  Тх, и код Тх или его обратной величины (X). Все необходимые периоды или частоты ОС - в зависимости от необходимости (в каждом конкретном случае ) измер ютс  идентично - нажатием, например , клавиши Пуск после окончани  предыдущей операции, После окончани  измерений также нажатием клавиши Пуск оператор запускает программу вычислени  напр жений. После выполнени  всех операций оператор может вывести на экран диспле  все результаты измерений и расчетов и, убедившись в их правильности, ввести в блок 11. При переходе к новой контрольной точке операции набора ее адреса, измерени  и расчетов повтор ютс .

Блок 11 имеет выходы дл  подключени  к универсальной ЭВМ дл  вывода или ввода информации. Вводитьс  могут константы контролируемых материалов, а также коэффициенты дл  расчета напр жений. Высо- д тс  данные измерений и расчетов дл  их систематизации и анализа.

Вс  необходима  информаци : константы материалов, коэффициенты и прочие могут вводитьс  в блок 11 и вручную с блока 8.

Все составные части устройства, пред- ставленноУо на фиг.1, реализуютс  с помощью серийно выпускаемых микросхем и других электрорадиоэлементов. На фиг.2- 10 представлены функциональные и структурные схемы реализации этих составных частей с указанием используемых электрорадиоэлементов .

Блок 1 - ультразвуковой преобразователь реализован на кварцевых пластинах, пластине Х-среза, возбуждающей продольные механические колебани , и пластине

Y-среза, возбуждающей сдвиговые колебани , Пластины вырезаютс  из кристаллов натурального или синтетического оптического кварца.

Блок 2 (фиг.2) реализован на дешифраторе серии 533 (533 ИД7), на выходы которого поступает трехразр дный код размера сигнала возбуждени , а выходы соединены с цеп ми формировани  сигналов заданной

0 длительности, состо щими из схемы совпадени  533ЛИ1 и микросхем 533ИД7 с врем - задэющей RC-цепью. Сформированные по сигналу Ту импульсы поступают на схему ИЛИ (533ЛА2) и через усилитель мощности

5 на транзисторе 2Т368А поступают на вход блока 1.

Блок 3 (фиг.З) осуществл ет предварительное усиление ОС. На его входе - запорный узел, реализованный на резисторах,

0 диодах КД5225 и конденсаторах, защищаю; щи и усилитель 122УН1Д от мощных зондирующих импульсов блока 2 и пропускающий на вход усилител  слабые сигналы блока 1. Через эмиттерный повторитель на трэнзи5 crope 2T368A выходной сигнал усилител  поступает на вход блока 4.

В блоке 4 (фиг.4) (электронном аттенюаторе ) сигнал, поступающий из блока б,  вл етс  напр жением отрицательной обратной

0 св зи, обеспечивающее заданное ослабление ОС, поступающих с блока 3. Ослабленный сигнал через эмиттерный повторитель па транзисторе 2Т368А с выхода блока 4 поступает на вход блока 5.

5 Блок 5 (фиг. 5) (блок преобразовани  сигналов) состоит из трех функциональных частей. Усилитель с БАРУ реализован па микросхеме 526ПС1 и транзисторах 2Т368А и 2П108М. Амплитудный детектор реализо0 ван на микросхеме 544УД2 А и транзисторах 2Т368А и 2ПЗОЗТ, Формирователь пр моугольных импульсов реализован на микросхемах 521 САЗ и 533АГЗ. Выходы блока 5 соединены с входами блоков б и 9, а входы

5 - с выходом блоков 4 и б.

Блок б (фиг.6) реализован на микросхемах 533ИЕ15, 572ПА1А и 544УКД4. Схема работает следующим образом. По входу начальной установки SR (фиг, 6) сигнал блока

0 7 производит начальную установку микросхемы 533ИЕ1Б. В нашем случае это код минимального напр жени , отрицательной обратной св зи (ООС). Этот код преобразу- етс  преобразователем код - аналог ;

5 572ПА1А о напр жение ООС, которое после усилени  на 544ДД4 поступает на блоки 4 н 5. От блока 5 на вход СТ2 (фиг.6) поступают выходные сигналы, превышающие заданный пороговый уровень, определ ющий пе- искаженный прием ОС, Эти сигналы

измен ют код на выходе СТ2 до тех пор, пока не получен неискаженный ОС, что фиксируетс  пороговым амплитудным детектором . После достижени  неискаженного приема ОС осуществл етс  измерение временного интервала блоком 9.

Блок 7 (фиг.7) - программируемый интерфейс реализован на микросхемах серии 580: 580ИК55 - программируемом интерфейсе периферийных устройств, 580ИК53 - программируемый таймер.

Блок 8 (фиг. 8) - блок диалогового ввода-вывода - реализован на микросхеме 580ВВ-79 - программируемом контроллере клавиатуры и индикации, дисплее типа Электроника МС6105 и клавишной матрице .

Блок 9 - измеритель временных интервалов - реализован на микросхемах серии 533 и 580.

Блок 10 (фиг. 9) - вычислитель - реализован на БИС серии 580 ИК80А - центральном процессоре, ГФ24 - генератор тактовых сигналов и ВТ57 - программируемом контроллере пр мого доступа к пам ти. Дл  ОЗУ использованы микросхемы 565РУ5, а дл  ПЗУ - микросхемы 573РФ2.

В блоке 11 (фиг. 10)-оперативно запоминающем блоке энергонезависимого ОЗУ - в качестве элементов пам ти применены микросхемы 537РУ1С, а управление осуществлено на БИС580, использована ИК55 - программируемый интерфейс периферийных устройств и ИК51 - программируемый интерфейс св зи.. Энергонезависимость обеспечиваетс  батареей на +3,0 В, достаточных дл  сохранени  записанной информации . Схема батарей производитс  после истечени  у них срока службы.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Устройство дл  контрол  механических

   напр жений в твердых средах, содержащее последовательно соединенные ультразвуковой преобразователь и усилитель и блок вычислений, отличающеес  тем, что, с целью повышени  достоверности контрол , оно снабжено подключенными к усилителю последовательно соединенными аттенюатором, блоком преобразовани  сигнала , измерителем временных интервалов, интерфейсом и блоком автоматической регулировки усилени , выходом подключенным к вторым входам аттенюатора и блока преобразовани  сигнала, второй выход которого соединен с вторым входом блока автоматической регулировки усилени ,

   формирователем сигналов возбуждени , входом соединенным с вторым выходом ин терфейсз, выходом - с ультразвуковым преобразователем и усилителем, блоком диалогрвбго ввода-вывода и оперативным

   запоминающим блоком, выходы которого предназначены дл  подключени  внешних потребителей информации, входы-ёыходы интерфейса, блока диалогового ввода-вывода , блока вычислений и оперативного запоминающего блока соединены между собой шинами управлени , данных и адреса, второй вход формировател  сигналов возбуждени  соединен с шиной данных, третий выход интерфейса соединен с вторым входом измерител  временных интервалов, второй выход которого и второй вход интерфейса соединены шинной св зью.

   I

   |J: Г

   ТУ Управл ющий

   сигнал QTI олоко

   Г

   Ј

   Ј

   553/М4

   Фиг. 2

   Ri

   ультра звукового $2 /у;есн5/ ззо- ботелр

   Фс/г. 3

   /вгунм

   От

   усилигел Ч (блок 3)

   КП101Ь

   От пару (блокб)

   фс/г

   оттени. о тор г

   3T3ff8A

   flpUQMHUKV

   ffaQKS)

   in со

   tQ ID I1

   «О

   o$J. монп/тг У

   I

   (V)

   0

   д- системным cutsHO/ устройства

   «с

   -4 О1 ОТ

   со

   СЛ

   : -Л

   ч с

   4 i П

   z I

   У Ч л

   S 5 ч tla

   li

   3

   ii

   $.V

   И

   la

   0«o

   - ,л. . /О

   537Py 0

   Кь-.

   + 5fi

   + /.4-Я

   i Дим

   ГЛОЛР - |A/r«4M