Пристрій для контролю механічних напруг в твердих середовищах

УКРАЇНА (19) U А « 15678 о ел ON 00 § Устройство для контроля механических напряжений в твердых средах. Изобретение относится к области средств не раз рушаю ще го контроля механических напряжений и деформаций в твердых телах. Может применяться в тех отраслях народного хозяйства, где необходимо проведение контроля и измерение остаточных или действующих напряжений без разрушения контролируемых объектов пол ностью или в месте контроля, например, в сварных металлических конструкциях и их элементах, применяемых в машиностроении, строительстве, авиации и других отраслях. Известны устройства, реализующие способ контроля размеров механических напряжений в твердых средах [1J, основанный на том, что скорость распространения ультразвуковых (УЗ) колебаний зависит от О 15678 размера напряжений в контролируемых точках материала. На практике измеряется величина, определяемая скоростью распространения УЗ колебаний, - временной интервал от возбуждения УЗ колебаний до приема отраженного сигнала (ОС) УЗ колебаний, отразившихся от противоположной поверхности контролируемого материала или обратная ему величина - частота ОС. Временной интервал прохождения УЗ колебаний (именуемый в дальнейшем изложении "период ОС) измеряется для двух типов колебаний - продольной и сдвиговой волн, причем последние измеряются в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно действующих напряжений. По измеренным размерам периодов ОС продольных и сдвиговых волн УЗ колебаний вычисляются размеры двухосных механических напряжений в твердых средах. Поскольку на скорость распространения УЗ колебаний (частоты ОС) влияют еще многие факторы, в частности, колебания химсостава, различного рода механические деформации, последствия термообработки и пр., то на практике используется контроль относительного измерения напряжений, при которых начальные их значения трактуются как ложные и определяются, по возможности, для нензгруженных конструкций или материалов. Известно устройство для контроля механических напряжений [2], которое для обеспечения автоматического контроля также и напряжений, снабжено последовательно соединенными преобразователем аналог-код, первый вход которого подключен к выходу измерителя периода следования импульсов, электронно-вычислительным блоком, блоком управления, первый вход которого соединен с первым входом электронно-вычислительного блока и блоком ввода постоянных коэффициентов, второй вход которого соединен со вторым выходом блока управления и вторым входом преобразователя аналог-код, а выход - со вторым входом электронно-вычислительного блока и цифровым индикатором, первый вход которого соединен со вторым выходом преобразователя аналог-код, второй вход с выходом электронно-вычислительного блока, а третий вход - с третьим выходом блока управления. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 преобразователь, усилитель и блок вычислений. Принцип действия прибора основан на измерении частоты рециркуляции сигналов ультразвуковых (УЗ) колебаний, отраженных от противоположной поверхности контролируемого материала - отраженных сигналов (ОС) продольных и сдвиговых волн, возбуждаемых и принимаемых поочередно соответствующими ультразвуковыми (акустическими) преобразователями. Измеренные частоты являются исходными данными для расчета действующих напряжений. При этом учитываются также начальные "ложные" напряжения в материале до его технологической обработки в теж же контрольных точках. При расчете напряжений по частотам ОС учитываются также упругие свойства, контролируемого материала и другие его физико-химические характеристики, определяющие прочность и упругость материала. Эти характеристики учитываются путем введения в расчетные формулы напряжений постоянных коэффициентов, характеризующих данный материал. Эти коэффициенты, в свою очередь, определяются путем ультразвуковых обмеров образцов соответствующих материалов в нагруженном и свободном состояниях. Недостатком данного прибора является недостаточная достоверность контроля, в части измерения частот ОС. Существенное влияние на достоверность результатов имеют три фактора. Первый фактор - измерение частоты ОС методом рециркуляции требует формирования сигналов возбуждения УЗ колебаний после одного - трех ОС, в результате ОС от прошлых возбуждений не успевзют затухнуть и создается высокий уровень помех, сравнимый с амплитудой второго - третьего ОС. Хаотичность и суперпозиция помех, сложение их с принимаемым ОС вызывает нестабильность и скачки измерения частот. Второй фактор - зависимость временного положения начала УЗ колебаний от длительности и формы сигнала возбуждения УЗ колебаний для разных типов материалов и вида колебаний (лродольных и сдвиговых). Третий фактор зависимость временного положения ОС от их амплитуды при большом динамическом диапазоне их размеров. Изобретение направлено на повышеНаиболее близким по совокупности су- 55 ние достоверности контроля механических щественных признаков к предлагаемому уснапряжений за счет исключения зависимотройству является "Прибор для измерения сти временного положения начала ультрамеханических напряжений в твердых срезвуковых колебаний от длительности и дах" [3], также содержащий последовательформы сигналов возбуждения. но соединенные ультразвуковой ,15678 Поставленная задача достигается тем, вход которого соединен со вторым выходом что устройство для контроля механических интерфейса 7, а второй - с первым выходом напряжений в твердых средах, содержащее блока 5, второй выход которого соединен с последовательно соединенные преобразопервым входом измерителя 9, второй вход ватель и усилитель и блок вычислений снаб- 5 которого, в свою очередь, соединен с третьжено подключенными к усилителю им выходом интерфейса, а выходы с соотпоследовательно соединенными аттенюаветствующими входами интерфейса. тором, блоком преобразования сигнала, изИнтерфейс 7, блоки 8,10 и 11 объединены мерителем временных интервалов, между собой шинами данных (ЩД), адреса интерфейсом и блоком автоматической ре- 10 (ША) и управления (ШУ). гулировки усиления подключенным своим Блок 11 имеет выходы для подключения выходом ко вторым входам аттенюатора и внешних потребителей или источников инблока преобразования сигнала, второй выформации. ход которого соединен со вторым входом Устройство работает следующим обраблока автоматической регулировки усиле- 15 зом. ния; формирователем сигналов возбуждеФормирователь 2 формирует сигналы ния, вход которого соединен со вторым возбуждения ультразвуковых (УЗ) колебавыходом интерфейса, а выход - с ультразвуний преобразователя 1, параметры которых ковым преобразователем и усилителем; {длительность и форма, например), опредеблоком диалогового ввода-вывода и опера- 20 ляются кодом, поступающим по ЩД(фиг.1). тивным запоминающим блоком, выходы коПреобразователь 1 преобразует электторого предназначены для подключения рические сигналы в механические колебавнешних потребителей информации; входыния УЗ частоты и наоборот. Отраженные выходы интерфейса, блока диалогового ввосигналы (ОС) механических колебаний, преда-вывода, блока вычислений и 25 образованные в электрические поступают оперативного запоминающего блока соедина вход усилителя 3. Вход усилителя защинен между собой шинами управления, данщен от воздействия мощных сигналов возных и адреса; второй вход формирователя буждения УЗ колебаний, но пропускает сигналов возбуждения соединен с шиной слабые ОС. С выхода усилителя через аттеданных, третий выход интерфейса соединен 30 нюатор 4 ОС поступает в блок 5, снабженсо вторым входом измерителя временных ный блоком 6 АРУ. Блок 6 по заданной интервалов, второй выход которого и второй программе, с помощью аттенюатора 4, вход интерфейса соединены шинной обеспечивает усиление ОС без искажения связью. их формы до заданной амплитуды по всем На фиг.1 приведена структурная схема, 35 диапазонам амплитуд ОС на входе приемпоясняющая устройство и принцип дейстника. вия предложенного устройства. На фиг.2-10 Измеритель 9 временных интервалов приведены примеры реализации составных измеряет период ОС - временной интервал, частей устройства с помощью серийно выначало которого - момент формирования пускаемых промышленностью электроради- 40 сигнала возбуждения УЗ колебаний, а кооэлемлентов. нец-приходОС. Блок 10 производит вычисление напряжений по заданному Устройство содержит ультразвуковой алгоритму, включающему данные измеренпреобразователь 1 (фиг.1), формирователь 2 ных временных интервалов. Блок 8 обеспесигналов возбуждения, усилитель 3, аттенюатор 4. блок преобразования сигнала 5, блок 45 чивзет ввод-вывод команд и другой 6 автоматической регулировки усиления информации, ее визуализацию и работу в (БАРУ), интерфейс 7, блок 8 диалогового диалоговом режиме. Интерфейс 6 обеспеввода-вывода, измеритель 9 коротких вречивает дешифровку и выдачу составным чаменных интервалов, блок вычислений 10 и стям устройства управляющих команд и оперативный запоминающий блок 11, а так- 50 кодированных инструкций. же шины управления (ШУ), данных (ЩД) и Блок 11 хранит константы и данные изадреса (ША). мерений и расчетов. Для контроля механических напряжеВход формирователя 2 соединен с ЩД ний преобразователь 1 устанавливается на и первым выходом интерфейса 7, а выход со входом-выходом преобразователя 1 и 55 контролируемый материал, затем на блоке 8 набирается код выбранного режима рабовходом усилителя 3, выход которого соедиты, адрес контролируемой точки, обозначанен с первым входом аттенюатора 4, выход ющий массив блока 11, в котором хранятся которого соединен с первым входом Ьлока константы и данные измерений и расчетов 5, второй вход которого соединен со вторым по этой точке. После набора и ввода выбранаттенюатором и выходом блока б, первый 15678 ного режима на дисплее блока 8 инициируются символы операций, которые должен выполнять оператор для реализации заданного режима. Выполнение операции запускается, например, нажатием клавиши "Пуск". После выполнения 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, определяющему форму и длительность ЗИ и команде запуска, поступающим из интерфейса 7, формирует ЗИ, поступающий на преобразователь 1 и усилитель 3. на входе которого имеется запорный узел, не пропускающий мощный сигнал на вход усилителя, защищая его от перегрузки. Преобразователь 1 преобразует электрический сигнал в механические колебания и возбуждает их в контролируемом материале. Эти колебания УЗ частоты распространяются в контролируемом материале и, отразившись от его противоположной поверхности, возвращаются на преобразователь 1, который преобразует эти отраженные сигналы (ОС) ультразвуковой частоты в электрические сигналы,, поступающие на усилитель 3. Усиленный сигнал с его выхода поступает на вход аттенюатора 4, управляемого по ослаблению сигналов блоком 6, программа которого обеспечивает в системе усилитель - аттенюатор - блок преобразования сигнала, неискаженное усиление сигналов до заданного стандартного уровня во всем динамическом диапазоне амплитуд ОС. Такая система практически исключает случайную ошибку измерения временного интервала Т к , связанную с ее зависимостью от длительности фронта сигнала, фиксирующего конец интервала Т*. Блок б управляется по цепи обратной связи с соответствующего выхода блока 5 и кодом программы, запускаемой интерфейсом 7. Выход блока 5 соединен со входом измерителя 9. Сигнал начала измерения периода Т х поступает из интерфейса 7, а выходной сигнал блока 5 означает окончание измерения Тх. С выхода измерителя в интерфейс 7 поступает сигнал об окончании измерения Т х , и кодТх или его обратной величины (Fx). Все необходимые периоды или частоты ОС - в зависимости от необходимости (в каждом конкретном случае) измеряются идентично - нажатием, например, клавиши "Пуск" после окончания предыдущей операции. После окончания измерений также нажатием клавиши "Пуск" оператор запускает программу вычисления напряжений. После вы 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8 полнения всех операций оператор может вывести на экран дисплея все результаты измерений и расчетов и, убедившись в их правильности, ввести в блок 11. При переходе к новой контрольной точке операции набора ее адреса, измерения и расчетов повторяются. Блок 11 имеет выходы для подключения к универсальной ЭВМ для вывода или ввода информации. Вводиться могут константы контролируемых материалов, а также коэффициенты для расчета напряжений. Выводятся данные измерений и расчетов для их систематизации и анализа. Вся необходимая информация: константы материалов, коэффициенты и пр. могут вводиться в блок 11 и вручную с блока 3. Все составные части устройства, представленного на фиг.1, реализуются с помощью серийно выпускаемых микросхем и других электрорадиоэлементов. На фиг.210 представлены функциональные и структурные схемы реализации этих составных частей с указанием используемых электрорадиоэлементов. Блок 1 - ультразвуковой преобразователь, реализован на кварцевых пластинах, пластина X - среза, возбуждающей продольные механические колебания, и пластины У - среза, возбуждающей сдвиговые колебания. Пластины вырезаются из кристаллов натурального или синтетического оптического кварца. Блок 2 (фиг.2) реализован на дешифраторе серии 533 (533 ИД7), на выходы которого поступает трехраэрядный код размера сигнала возбуждения, а выходы соединены с цепями формирования сигналов заданной длительности, состоящему из схемы совладения 533 ЛИ1 и микросхемы 533ИД7 с времязадзющей RC-цепью. Сформированные по сигналу Ту импульсы поступают на схему ИЛИ (533ЛА2) и через усилитель мощности на транзисторе 2Т368А поступают на вход блока 1. Блок 3 - на фиг.З приведена функциональная схема усилителя, осуществляющего предварительное усиление ОС. На его входе - запорный узел, реализованный на резисторах, диодах КД5225 и конденсаторах, защищающий усилитель 122УН1Д от мощных зондирующих импульсов блока 2 и пропускающий на вход усилителя слабые сигналы блока 1. Через эмиттерный повторитель на транзисторе 2Т368А выходной сигнал усилителя поступает на вход блока 4. Блок 4 - на фиг.4 приведена функциональная схема реализации электронного аттенюатора. Здесь сигнал, поступающий 9 15678 10 из блока S, является напряжением отрицаго ввода-вывода. Он реализован на микротельной обратной связи, обеспечивающее схеме 580ВВ-79 - программируемом контзаданное ослабление ОС, поступающих с роллере клавиатуры и индикации, дисплее блока 3. Ослабленный сигнал через эмиттипа "Электроника МС6105" и клавишной терный повторитель на транзисторе 2Т368А 5 матрице, описанной в 4. с выхода блока А поступает на вход блока 5. Блок 9 - измеритель временных интервалов, реализованный на микросхемах сеБлок 5 - на фиг.5 приведена структуррии 533 и 580, является аналогом ная схема блока преобразования сигнала, описанного в 5. состоящего из трех функциональных частей. Усилитель с АРУ реализован на микросхеме 10 Блок 10 - на фиг.9 приведена структур526ПС1 и транзисторах 2Т368А и 2П108М. ная схема реализации вычислителя. Он реАмплитудный детектор реализован на микализован на БИС серии 580 ИК80А росхеме 544УД2А и транзисторах 2Т368А и центральном процессоре, ГФ24 - генера2П303Т. Формирователь прямоугольных тор тактовых сигналов и ВТ57 - программиимпульсов реализован на микросхемах 15 руемом контролере прямого доступа к 521 САЗ и 533АГЗ. Выходы блока 5 соединепамяти. Для ОЗУ использованы микросхены со входами блоков б и 9, а входы *- с мы 565РУ5, а для ПЗУ - микросхемы выходами блоков 4 и 6. 573РФ2. Блок 6 - на фиг.6 приведена его функциБлок 11 - на фиг.10 показана структурональная схема. Он реализован на микро- 20 ная схема реализации оперативного запосхемах 533ИЕ15,572ПА1А и 544УД4. Схема минающего блока энергонезависимого работает следующим образом. По входу наОЗУ. В качестве элементов памяти примечальной установки SR (фиг.6) сигнал блока 7 нены микросхемы 537РК10, а управление производит начальную установку микросхеосуществлено на БИС580, использована мы 533ИЕ15. В нашем случае это код мини- 25 ИК55 - программируемый интерфейс перимального напряжения, отрицательной ферийных устройств и ИК51 -программируобратной связи (ООС). Этот код преобразуемый интерфейс связи. Энергонезается преобразователем код-аналог 572АП1А висим ость обеспечивается батареей на в напряжение ООС, которое после усиления + 3,0 В, достаточных для сохранения записна 544ЛД4 поступает на блок 4 и блок 5. От 30 кой информации. Схема батарей произвоблока 5 на вход СТ2 (фиг.б) поступают выдится после истечения у них срока службы. ходные сигналы, превышающие заданный Достоверность контроля напряжений пороговый уровень, определяющий неискадостигается за счет повышения точности и женный прием ОС. Эти сигналы изменяют стабильности измерения временных интеркод на выходе СТ2 до тех пор, пока не будет 35 валов, сокращения и управления операций получен неискаженный ОС, что фиксируется управления измерениями и расчетами со пороговым амплитудным детектором. После стороны оператора, практическое исключедостижения неискаженного приема ОС осуние для него необходимости ведения запиществляется измерение временного интерсей результатов измерений, возможности вала блоком 9. 40 подключения данного устройства непосБлок 7 - на фиг.7 приведена функциоредственно к универсальным ЭВМ для авнальная схема блока 7 - программируемый томатического ввода в них результатов интерфейс. Она реализована кз микросхеизмерений, включающие результаты измемах серии 580. рений и расчетов контролируемых параметиспытуемых 580ИК55 - программируемом интер- 45 ров, характеристики материалов, номера контрольных точек и фейсе периферийных устройств, 580ИК53 программируемый таймер. ДР. Связи блока 7 показаны на фиг.7. Устройство технологично. В настоящее Блок 8 - на фиг.8 приведена структурвремя осваивается серийный выпуск изденая схема реализованного блока диалогово- 50 лия "Пион-СМ". 15678 ш. У\ рр Усилитель ^ Аттенюатор Ш сигна/wB Влон Q§tt кой интерфейс Зиаяо&оёого Ъь L LJi Вьтштем І^д j • НЬШ ta Управляющий сигнал от &ткй 7 Фиг. 2 блок +лщшт*у 1Ь678 НА 522 Б анттенюатзру \22MH1A Фи 8.3 от | у от АРУ преобра го&анир сиги ада [блок 6) Фиг. р временного интервала от аттенюатора Усилитель с. АРУ 2ТЗВ&А 2ПЮ8М Амплитудный детектор 2T3U8A 2Л303Г от АРУ Щртроіат&іь прям:улн импулъсоё S2UA3 553 А ГЗ к АРУ Фиг, S 15678 от блока прео5ра$о8онил сигналя \ сг ста Выход /А от интерфейса S72/7AM АРУ ' к аттенюатору ц Блоку преобразования сигнала Фаз, 6 КоЗс измерителя 3 ЇЇриьцак с измерите^$ сигналы КлаВишная матрица I 3 «о шА шм интерфейс S80BB7B Микропрац в ссорные средства и системы N4, /388г. C.6S-72 (рис.2) Дисп/геп МС 8105 Фиг.д 15678 ОЗУ ПЗУ 573 РФг Фиг. 9 537 руга 5 w Є Si § «# к8нешнему потреі Фиг. Ю 15678 Упорядник Замовлення 4195 Техред М.Моргентал Коректор М. Керецман Тираж Підписне Державне патентне відомство України» 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл„ в Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.ГагарІна, 101