Ультразвуковое устройство для измерения физических параметров веществ

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК 504О Х 29/О ОАНИЕ ИЗОБРЕТЕН 32 ааякс ка в ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЬГГИЯМПРИ ГКНТ СССР( 1) 4393326/25-28 (22) 28,01,88 (46) 30,08,89. Бюл. Р (71) Каунасский политехнический институт км, Антанаса Снечкус (72) Л.В,. Юозанене и С.Й. С с (53) 620 . 179 . 16 (088 . 8) (56) Авторское свидетельство СССР Р ,002901, кл. С О М 29/00, 1981,Автора ее свидетельства СССР М 1100559, кл. С 01 1 29/00, 982. (54) УЛЬТРАЗВУКОВОЕ УСТРОЙСТВО пЛЯ ИЗЩРВРР фИЗИЧВСЩХ ПАРАь 1 ВТРОВ Р. - 1 цВСТВ (57) Изобретение относится к средствам акустического неразрушаюшего контроля, Целью изобретения являетс расширение области применения и пов шенке чувствительности благодаря об спечению возможности работы с горячими веществами при высоком соотношении сигнал/шум вследствие измерения коэффициента отражения продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний и выбору особым образам материалов и размероь звукопровода и пьезопластинПьезопластина 1 возбуждает в твердомзвукопроводе 3 импульсы продольнъкУЗ-колебаний ч принимает нормальноотраженные эхо-импульсы поверхностью12, граничащей с воздухом, и поверхностью 11, граничащей с исследуемымвеществом 18. По соотношению амплчтуд этих эха-ь 1 мпульсов, отраженныхравньзгн по плошацк поверхностями11 и 12, определяют коэффициент отраженкя под прямьи углом, Пьезоплас -тина 2 возбуж-ает в звукопроваде 3импульсы працольнь;х УЗ-колебаний,распространяющиеся пац непрямым углам к поверхностям 11 к 12 и падающие после отражения на пьезопластину 1 под таким углом, чта в нейвозбуждается нулевая мода волныЛэмба. По соотношению амплитуц этихотраженных кмпульсов определяют коэффициент отражения пад непрямым углом, а с помощью найденных коэффициентов - физкческие параметры ещества. 2 ил, 3 1504606Изобретение относится к средствам акустического нераэрушающего контроля и может быть использовано для измерения физических параметров веществ например жидких или газообразных веществ.Целью изобретения является расширение области применения за счет обеспечения воэможности работы уст ройства в контакте с горячими веществами и повышение чувствительности за счет использования продольных ультразвуковых (УЗ) колебаний, возбуждающих в приемной пьеэопластине 15 волны Лэмба, в результате чего обеспечивается высокое соотношение сигналшум.На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг.2 ф- вид А на фиг. 1. 20УЗ-устройство для измерения физических параметров веществ содержит первую и вторую пьеэопластины 1 и 2 соответственно, твердый звукопровод 3 и связанный с пьезопластинами 1 и 2 генератор 4 импульсов. УЗ-устройство содержит также подключенные к первой пьезопластине 1 последовательно соединенные первый селектор 5 импульсов, первый усилитель 6 и ЗО первый измеритель 7 отношения напряжений. Второй вход первого измерителя 7 отношения напряжений соединен с вторым выходом первого селектора 5 импульсов. Кроме того, УЗ- устройство содержит подключенные к первой пьезопластине 1 последовательно соединенные второй селектор 8 импульсов, второй усилитель 9 и второй измеритель 10 отношения на пряжений. Второй вход второго измерителя 10 отношения напряжений соединен с вторым .выходом второго селектора 8 импульсов. Твердый звукопровод 3 выполнен с двумя разновысотными 5 отражающими параллельными поверхностями 11 и 12 и соединяющей эти поверхности перпендикулярно им плоскостью 13. Первая пьезопластина 1 установлена на поверхности эвукопровода 3 параллельно его отражающим поверхностям 11 и 12, Вторая пьезопластина установлена на поверхности звукопровода 3 под углом м, к отражающим поверхностям 11 и 12. Соединяющая плоскость 13 проходит через акустические оси пьезопластин 1 и 2. Акустическая ось второй пьеэопластины 2 направлена в сторону пьеэопла стины 1. Площадь отражающей поверхности 11, дальней по отношению к пьезопластинам 1 и 2, равна площади отражающей поверхности 12, ближней по отношению к пьезопластинам 1 и 2, Пьезопластины 1 и 2 установлены таким образом, что расстояния Х Х от проекции центров соответствующих пластин 1 и 2 на дальнйю отражающую поверхность 11 до вершины угла Ы , образованного установочной плоскостью второй пьеэопластины 2 и отражающей поверхностью 11, удовлетворяют условиюХ, = (Х + Бз п ог, созс) /совс, (1) где Б - расстояние от установочнойплоскости первой пьеэопластины 1 до отражающей поверхности 11.Размеры ои д, пьезопластин 1 и 2 в плоскости, совпадающей с соединяющей плоскостью 13 удовлетворяют ус- ловию д, - д /соя(2) Значение угла М, огределяется из равенствао = агсзп(С /Со), (3) где С - скорость распространенияпродольных УЗ-колебаний вматериале звукопровода 3;С - фаэовая скорость нулевойОмоды волн Лэмба в первойпьеэопластинеМатериал эвукопровода 3 выбираюттаким образом, чтобы удовлетворялосьусловие С, С (4)Позициями 14-17 обозначены УЗ- колебанияразличного направления распространения в звукопроводе 3, а позициеи ,8 - исследуемое вещество,УЗ-устр: йство для измерения физических пар .метров веществ работает следующим образом.Пьезопластины 1 и 2 выполнены, например, из материала ЦТСна частоту 6 МГц (С = 2365 и/с), Для удовлетворения условия (4) звукопровод 3 выполнен, например, иэ фторопласта (С = 1348 м/с). На основании услоо вия (3) угол Ы выбран равным 34 44 При работе с пьезоплас.тиной 2, например, диаметром о = 30 мм в соответствии с условием (2) необходимо выбрать диаметр д, пьезопластины 1 бо(1 Ч) 1 Ь(1 Ц а(1 Ч).гя,п(,С р, (1+Ч. ) (1-Чо ) г Ь(1+Ч) -а (1-Ч) гр г С (1+Ч )(1-Ч)тгде а = 4 о Сэ я 1 пЫ Сг -Сг я 3.пг,/С1 С е еЬ: а (С - 2 С яг.пго) г/(Сз саят)г9 перечных УЗ-колебаний в матнале звукоправада 3,льшим или равным 36,5 мм. В ходеизмерений устройство поверхностью 11звукопровода 3 контактирует с исследуемым веществом 18. Генератор 4 импульсов возбуждает одновременнапьезопластины 1 и 2,Пьезопластина 1 излучает в звукапровод 3 импульсы продольных УЗ-ка -лебаний 14 и 15, Отраженнь)е ат поверхности 12 звукаправода 3, граничащей с воздухам, импульсы продольныхколебаний 14 и отраженные ат поверхности 11 эвукапровада 3, граничапгейс веществом 18, импульсы продольныхколебаний 15 возвращаются к пьеэопластине 1 и трансформируются ею вэлектрические сигналы, которые подаются на вход селектора 5. На первом выходе селектора 5 выделяетсяимпульс, создаваемый колебаниями 16,и через усилитель 6 подается на числительный вход измерителя 7. Навтором выходе селектора 5 выделяется импульс, создаваемый калебаггиями 2514, и подается на знаменательный входизмерителя 7. Коэффициент усиленияусилителя 6 предв,.рите 1 ьна устанавливают таким, чтобы при отсутствиивещества 18 амплитуды импульсов, подаваемых на входы измерителя 7, былиравны. В этом случае показания измерителя 7 отношения напряжеггий приакустическом контакте звукопровада3 с веществам 18 равны коэффициентуЧ отражения продольных УЗ-колебанийбпадающих нормально на границу материал звукогровода 3 - исследуемоевещество 18.Пьезапластина 2 также излучает 10импульсы продольных УЗ-колебаний в платность материала звуко- провода 3;- скорость распространения позвукаправад 3, которые падают на поверхности 11 и 13 пад углалг о., отражаются и )гадают на пьезопластину 1, воз ауждая в ней волны Лэлгба нулевой моды. Илгпульсы продольных колебанийг)б отражаются от ближней паверхггасти 12, а импульсы продольных колебаний 17 - ат дальней поверхности 11. Вазбужденньге отраженными калебаниямиьалньг Лэмба трансформируются пьезопластиной 1 г. электрические сигналы, которьге подаются на вход селектора 8. На первом выходе селектора Я выделятся-;импульс, создаваемый колебаниями 17, и через усилитель 9 подается на числительнь)й вход измерителя 10, На втором выходе селектора 5 вьгцеля - ется импульс, создаваемыгг колебанияг.и 16, и падается на знаменательный вход измерителя 10. Коэффициент усиления усилителя 9 предварительно устанавливается таким, чтобы при отсутствии вещества 18 амплитуды импульсов, подаваемых на входь) измерителя 10, были равны, В этом случае показания измерителя 10 отношения напряжений при акустическом контакте звукопровада 3 с ветествам 18 равны коэффициенту Ч отражения продольных УЗ-колебаний, палаюших пад уггам )х, на границу материал звукопровада 3 исследуемое вещество 18. По найденным значениям коэффициентов отражен)я Ч и Ч определяют скорость С распространения продольных УЗ-колебаний в исследуемом веществе 18, его плотность Р и ега коэффициент 8 адиабатическрй сжимаемостиИспользование при измерениях продольных УЗ-колебаний, имеющих меньший коэффициент поглощения относительно поперечных УЗ-колебаний, поз, воляет использовать звукопровод больших размеров и такой формы с наружной стороны, чтобы была возможность охлаждать пьезопластины при измерении параметров веществ, нахо дящихся в условиях высокой температуры. Поддерживая постоянной температуру звукопровода в зоне установки пьезопластин, обеспечивают постоянство угла падения на первую пьезо пластину, в которой возбуждаются волнв 1 Лэмба, В участке звукопровода,находящемся в условиях постепенногоповышения температуры, происходит изменение направления волнового пучка, 29однако после отражения на отражающихповерхностях при возвращении его вобратном направлении это изменениенаправления распространения происходит таким образом, что к первой 25пьезопластине волновой пучок приходит под таким же углом о , при которомвозбуждаются волны Лэмба, При этомпроисходит смещение пучка волн и поэтому в условиях болыпих температурных перепадов необходимо использовать пьезопластину больших размеров. Формула изобретения35Ультразвуковое устройство для измерения физических параметров веществ, содержащее две пьезапластины, твердый звукопровод с двумя разновы-.сотными отражающими параллельными поверхностями, генератор импульсов, связаннввй с пьезопластинами, подключенные к первой пьезопластине последовательно соединенные первые селектор импульсов, усилитель и измеритель отношения напряжений, второй вход которого соединен с вторым выходом пер" вого селектора импульсов, и последовательно соединенные вторые селектор импульсов, усилитель и измери50 тель отношения напряжений, второи вход которого соединен с вторым вы ходом второго селектора, первая пьезопластина установлена на поверхности звукопровода параллельно его отражающим поверхностям, соединяющая отражающие поверхности плоскость перпендикулярна им и проходит через акустическую ось первой пьезопластины, отличающееся тем, что, с целью расширения области применения Ъ поввш 1 ения чувствительности, вторая пьезопластина установлена на поверхности звукопровода под углом р к отражающим поверхностям так, что ее акустическая ось направлена в сторону первой пьезопластины и лежит в плоскости, соединяющей отражающие поверхности, плошади отражающих поверхностей равны, а материалы и геометрические размеры звукопровода и пьезопластин выбраны из условийМ, = агсз 1 п(ССО); где СХХг С с СЙ, )Й /созе,;+Ьз 1 п М созе)/соз М, скорость распространения продольных колебаний в материале звукопровода; фазовая скорость нулевой моды волн Лэмба в первой пьезопластине;размер первой пьезопластины в соединяющей отражаюнц 1 е поверхности плоскости; размер второй пьезопластины в соединяющей отражающие поверхности плоскости; расстояние от вершины угла Ы для проекции центра первой пьезопластины на дальнюю отражающую поверхность; расстояние от вершины угла до проекции центра второй пъезопластины на дальнюю отражающую 110 верхностьрасстояние от установочной плоскости первой пьезопластины до дальней отражающей поверхности.1504606 Составитель С, Волковдактор И. Рыбченко Техред М,дидыкКорректор Т,мале при ГК оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 1 аказ 5247/46НИИПИ Государственног113035 Тираж 789о комитета по из Москва, Ж,Подписное ретениям и открытия ушская наб д. 4/5