Устройство для определения плотности грунтов

СОЮЗ СОВЕТСКИ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 9) ( 5)5 Е 02 О 1/02 У 1 2, Цчф дИЕ ИЗОБРЕТЕН К АВТОРСКОМУ ЕТЕЛЬСТВ ут инженеров э им. М.И,Каин, В,А,БражСССР77 СС 85 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР 1(71) Днепропетровский инститжелезнодорожного транспортлинина(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ГРУНТОВ(57) Использование: определение плотности грунтов. Сущность; устройство содержит излучатель 1 и приемник 2 упругих колебаний, усилители 3, 4, формирователи 5, 6, 9, тактовый генератор 10, делители 11 и 19 частоты,. дополнительные генераторы 18 и 21, сумматор 12, частотомер 13, триггеры 7, 16, ключи 8,17, счетчик 20, блок 15 сброса и индикатор 14. 9 ил,Изобретение относится к технике не- разрушающего контроля состояния грунтовых сооружений, в частности, для определения плотности грунтов,Известно устройство для определения плотности грунтов, содержащее датчики начала и конца счета, подключенные к усилителям-формирователям, триггер, выход которого подключен к первому входу ключа, генератор, подключенный к второму входу ключа, измеритель временных импульсов и узел сброса, подключенный к выходу первого усилителя;Недостатком этого устройства является то, что цикл определения плотности грунтов состоит из трех операций: измерение времени распространения упругой волны в грунте между двумя датчиками-приемниками; вычисление скорости распространения упругой волны; определение плотности грунтов по корреляционной связи (графической или аналитической) скорость распространения - плотность грунта.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения плотности грунтов, содержащее два датчика-приемника колебаний, два усилителя, два формирователя, узел блокировки, триггер, генератор импульсов, блок сброса, ключ, счетчик, элемент памяти и индикатор.Недостаток известного устройстватот же, что и у аналога,Целью изобретения является сокращение времени определения,Устройство для определения плотности грунтов, содержащее излучатель упругих колебаний, подключенный через первый усилитель к первому входу первого формирователя, приемник упругих колебаний, подключенный через второй усилитель к входу второго формирователя, первый триггер, первый выход которого подключен к одному из входов первого ключа, выход которого подключен к первому входу счетчика. тактовый генератор, блок сброса и индикатор, снабжено двумя делителями частоты и дополнительными генераторамй, сумматором, частотомером, вторыми ключом и триггером и третьим формирователем, причем выход тактового генератора подключен к входу первого делителя частоты, выходы которого подключены соответственно к другому входу первого ключа и к первым входам сумматора и частотомера, первый выход первого формирователя и выход второго формирователя подключены к соответствующим входам первого триггера, второй выход которого через третий формирователь подключен к первому входу второго триггера, выход которого подключен к одному извходов второго ключа, к другому входу которого подключен выход первого дополнительного генератора, выходы узла сброса5 подключены соответственно к вторым входам второго триггера, первого формирователя, второй выход которого подключен квторому входу счетчика, выход которогоподключен к первому входу второго делите 10 ля частоты, к второму входу которого подключен выход второго ключа, выход второгоделителя частоты подключен к второму входу сумматора, к третьему входу которогоподключен выход второго дополнительного15 генератора, выход сумматора подключен квторому входу частотомера, выход которогоподключен к индикатору,Цикл определения плотности грунтовсостоит из трех операций; измеряется вре 20 мя распространенияупругой волны в грунте; вычисляется скорость распространения;по корреляционной связи определяетсяплотность грунтов, Эта корреляционнаясвязь имеет вид прямой с уравнением25 р= А Ч+ В, (1)где р - плотность грунта;Ч - скорость упругой волны в грунте;А, В - коэффициенты, определяемые видом грунта,30 Однако имеются свидетельства и о нелинейной зависимости между плотностью искоростью упругих волн в грунте, В этомслучае можно осуществить аппроксимациюкусочно-линейной функцией и для интересу 35 емого интервала плотности определить коэффициенты А и В. Положительный эффектвозникает за счет автоматического выполнения второй и третьей операций при определении плотности грунтов, Причем40 определение плотности осуществляется поформуле(1), Информация, появляющаяся наиндикаторе устройства, не требует дополнительной обработки. Таким образом, сокращается время на один цикл измерения,45В устройстве второй делитель частотывыполняет вычислительные функции. В формулу (1) подставляют значение скорости ЧЧ= -2)50 где - расстояние между излучателем и приемником;1 - время распространения упругой волны между излучателем и приемником.Получают55 А(3)На фиг,1 показана блок-схема устройства для определения плотности грунтов; нафиг.2 - излучатель упругой волны механического типа; на фиг.З - схема первого форми- и подключается к второму входу счетчика 20, рователя; на фиг.4 - схема третьего форми- Третий формирователь 9 (фиг.4) состоит рователя; на фиг.5 - схема сумматора; на из трех последовательно включенных инфиг,6 - эпюры напряжений в отдельных его верторов 42 - 44 и элемента 2 И - НЕ 45, один точках; на фиг.7 - схема одного разряда 5 вход которого подключен к выходу инверточастотомера; на фиг.8 - схема блока сброса; ра 44, а другой - к входу инвертора 42, на фиг.9 - схема первого делителя частоты, Сумматор (фиг,5) содержит триггеры 46Устройство для определения плотности и 47, логический элемент 2 ИЛИ - НЕ 48, ингрунтов(фиг,1)содержитизлучатель 1 и при- вертор 49, логический элемент 2 ИЛИ - НЕ емник 2 упругих колебаний, подключенные 10 50, логические элементы ЗИЛИ-НЕ 51 и 52, на входы усилителей 3 и 4, выходы которых инвертор 53, логический элемент 2 ИЛИподключены к первому входу первого фор- иинвертор 55. Выходинвертора 49 является мирователя 5 и входу второго формировате- первым входом сумматора 12. К входу С ля 6, триггер 7, первый выход которого триггера 47 подключается второй делитель соединен с одним из входов ключа 8, третий 15 19 частоты, Выход элемента 54 является выформирователь 9, тактовый генератор 10, ходом. сумматора.выход которого через первый делитель 11 Схема одного разряда частотомера 13 частоты соединен с другим входом ключа 8 (фиг.7) содержит элемент 2 ИЛИ - НЕ 56, и первыми входами сумматора 12 и частота- один вход которого соединен с входами инмером 13, к выходу которого подключен ин верторов 57 и 58 и одним из выходов перводикатор 14, блок 15 сброса, второй триггер го делителя 11 частоты, а выход - с входом 16, выход которого соединен с одним из С 1 двоично-десятичного счетчика 59, выховходов второго ключа 17, другой вход кото- ды 01, 02, 03 и 04 которого соединены рого соединен с первым дополнительным соответственносвходами 0 1, Р 2, 0 3 и 0 генератором 18, второй делитель 19 часто 4 триггера-защелки 60. Выходы О 1, 02, 03 ты, счетчик 20 и второй дополнительный ге- и С 14 триггера-защелки 60 соединены с вхонератор 21, дами Р 1, О 2, О 3 и 0 4 дешифратора 61,Излучатель упругих колебаний механи- выходы А, В, С, О, Е, Е и С которого подключеского типа (фиг.2) содержит основание 22 чаются к индикатору 14, К другому входу с направляющей 23 и контактным цилинд элемента 5 б подключается выходсумматора ром 24, ударный элемент 25 связан с осно частот, Выход инвертора 57 подключен к ванием посредством пружинного элемента входам Ь и ЯО установки.в "0" двоично-де. На ударном элементе имеется фигурный сятичного счетчика 59. Выход инвертора 58 выступ 27, посредством которого ударный подключается к входу записи с триггера-заэлемент фиксируется в верхнем положении 35 щелки 60, Входы 8 с, К 9 двоична-десятичного защелкой 28, закрепленной на верхней счетчика 59 подключены к общему проводу крышке 29, Защелка имеет кнопку 30, Вер- (нуль источника питания). Выход 01 двоич- хняя крышка и направляющая связаны пру- но-десятичного счетчика 59 подключен к жинным элементом 31, На верхней крышке входу С 2, Вход й триггера-защелки 60 подзакреплена кнопка 32 сброса, На ударном 40 ключен через резистор В 2 к источнику пита- элементе закреплена гибкая связь 33, име- ния.ющая выход на верхнюю крышку. Вся кон- Блок 15 сброса имеет ручное управлеструкция собрана в корпусе 34. ние (фиг,8) и состоит из инверторов 62 и 63,Первый формирователь 5 (фиг,З) содер- входы которых соединены между собой и жит элемент 2 И - НЕ 35, один вход которого 45 подключены к общему проводу и нормально соединен с одним выходом блока 15 сброса, замкнутому выводу перекл 1 очающей кнопки а другой - с выходом элемента 2 И-НЕ 36, Я, нормально Разомкнутый вывод которой один вход которого соединяется с выходом через резистор ВЗ подключается к источнипервого усилителя 3, а другой - с выходом ку питания. Выход инвертора 62 подключаэлемента 35, ВыходзлементаЗбсоединенс 50 ется к второму входу первого тремя последовательно включенными ин-формирователя 5, а выход инвертора 63 - к верторами 37 - 39. Выход инвертора 39 со- второму входу триггера 16,единен с одним входом элемента 2 И-НЕ 40, Делитель 11 частоты предназначен для с другим входом соединен выход элемента формирования от одного тактового генера. Выходэлемента 40 является первым вы тора 10 трех различных частот, необходиходом формирователя 5 и подключается к мых для работы таких узлов схемы, как первому входутриггера 7, Выходы элемента счетчик 20, на который через ключ 3 посту 2 И 41 подключаются к выходуинвертора 39 пают импульсы частотой 1 (эксперимени выходу элемента 36. Выход элемента 41 тальным образом 11 = 100 кГц): сумматор 12 является вторым выходом формирователя 5 частот, на который поступает частота Цвэкспериментальном образце 12 = 1 МГц); частотомер 13, на который поступает частота 1 з (в экспериментальном образце 1 з = 0,5 Гц). Блок 11 (фиг.8) состоит из двоично-десятичных счетчиков 64 - 70 и Т-триггера 71,Устройство для определения плотности грунтов работает следующим образом.В исходном состоянии излучатель 1 и приемник 2 (используется стандартный сейсмоприемник электродинамического типа) устанавливаются на грунт на фиксированном расстоянии 1, Первый дополнительный генератор 18 вырабатывает частоту, значение которой равно А1, Второй генератор 21 вырабатывает частоту, значение которой равно числу В, Гибкой связью 33 ударный элемент 25 поднимается в верхнее положение, где фиксируется защелкой 28 посредством фигурного выступа 27, При этом замыкаются контактны кнопки 32 сброса, в результате чего блок 15 сброса переводит формирователь 5 и триггер 16 в исходное состояние. Кнопкой 30 защелка 28 размыкается и ударный элемент 25 под действием собственного веса и пружинного элемента 26 устремляется вниз по направляющей 23. В момент соприкосковения ударногоо элемента 25 с конта ктны м цилиндром 24 в грунте распространяется упругая волна и одновременно возникает электрицеский импульс, который через усилитель 3 поступает на формирователь 5.В формирователе 5 вырабатывается короткий импульс, который устанавливает счетчик 20 в исходное состояние, и короткий импульс, который поступает на первый вход триггера 7, После этого формирователь 5 невосприимчив к изменению сигнала на входе до тех пор, пока блок 15 сброса не переведет его в исходное состояние, Под действием короткого импульса на первом входе триггера 7 последний устанавливается в единичное состояние и открывает клюц 8. Через открытый ключ 8 счетные импульсы тактового генератора 10, поделенные на определенное, наперед заданное число делителем 11 частоты, подсчитываются счетчиком 20.Выбор коэффициентов деления на каждом из трех выходов делителя 11 частоты осуществляется из следующих сообракений. На счетчик 20 через ключ 8 поступают импульсы с частотой, определяемой емкостью счетчика и требованиями к точности измерения. Нэ первый вход сумматора 12 частот поступают импульсы с частотой на порядок больше, цем на второй и третий входы. На частотомер 13 поступают импульсы, длительность которых равна единично му интервалу времени измерения частоты (1с),Упругая волна, распространяясь в грунте. достигает точки установки приемника 2.В последнем возникает электрический импульс, который усиливается усилителем 4 ичерез формирователь 5 переводит триггер 7в нулевое состояние, Ключ 8 закрывается исчетчик 20 прекращает счет. Таким образом,в сцетцике 20 фиксируется время т распространения упругой волны от излучателя 1 доприемника 2. Время с является коэффициентом деления делителя 19 частоты.В момент перехода триггера 7 в нулевоесостояние его второй выход (инверсный) ус-танавливается в единичное состояние. В результате изменения состояния на входеформирователя 9 с нулевого в единичное внем вырабатывается короткий импульс, который устанавливает триггер 16 в единичное состояние. После чего открывается ключ17 и нэ управляемый делитель частоты поступает последовательность импульсов с частотой Л 1, вырабатываемая первымгенератором 18. На выходе делителя 19 частоты имеют последовательность импульсов с частотой А 1/1, которая поступает навторой вход сумматора 12, на третий входкоторого поступает последовательность импульсов с частотой В, вырабатываемая вторым дополнительным генератором 21.На выходе сумматора 12 имеется последовательность импульсов с частотой А 1/т, ++В. Эта частота измеряется частотомером 35 40 45 50 55 5 10 15 20 25 30 13. Таким образом, на индикаторе 14А 1число + В, которое соответствует плотности р данного грунта.Формирователь 5 работает следующим образом, В исходном состоянии на выходе элемента 36 логический "0". В момент прихода импульса из усилителя 3 (в данном случае, это переход из состояния логической "1" в логический "0") на выходе элемента 36 появляется логицеская "1", которая сохраняется и после окончания входного импульса, Логическая "1" поступает на один вход элемента 40 непосредственно, э на второй - через три инвертора 37 - 39 с некоторой задержкой, На выходе элемента 40 - импульс (логический "0"), деятельность которого равна сумме электрических задержек в трех инверторах 37 - 39. Следующие импульсы, поступающие из усилителя 3, не изменяют состояние выхода элемента 36,На выходе элемента 36 появляется логический "О" (т,е. он переходит в исходное состояние) только при поступлении импульса (логический "О") из блока 15 сброса на вход элемента 35, После этого формировэ5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 тель 5 готов выработать короткий импульс при поступлении из усилителя 3 импульса любой длительности, Выходной импульс формирователя 5 является логическим "0", так как именно этим уровнем. управляется триггер 7. С выхода элемента 2 И 41 снимают импульс такой же длительности, но положительной полярности для установки счетчика 20 в исходное состоянйе.Третий формирователь 9 (фиг.4) вырабатывает короткий импульс (логический "0"), длительность которого равна длительности электрическихзадеркек в инверторах 42 - 44, при смене состояния на входе инвертора 42 с логического "0" в логическую "1".Сумматор 12 (фиг.5) работает следующим образом.В исходном состоянии триггеры 46 и 47 находятся в нулевом состоянии, т.е. на их нулевых выходах имеется логический "О". При этом на выходах элементов 48 и 50 формируется логическая "1", благодаря чему тактовые импульсы из делителя 11 частоты, проходя через инвертор 49, не проходят на выходы элементов 51 и 52, Одновременная подача импульсов 1 и 11 (фиг.6) приводит кпереключению триггеров 46 и 47 в единичное состояние, При этом на их С 1-выходах формируются фронты импульсов И 1 и И. Тактовый импульс Ч, следующий первым после переключения триггеров, поступает на вход инвертора 49 и через него может пройти либо на выход элемента 51, либо на выход элемента 52.Допустим, что импульс Ч проходйт на выход элемента 52 (импульс И), Этот импульс через инвертор 55 переключает триггер 47 в нулевое состояние, Триггер 47 по-прежнему находится в единичном состоянии. Поэтому следующий тактовый импульс И 1 коммутируется на выход элемента 51 (импульс И 11). Этот импульс через инвертор 53 переключает в исходное состояние триггер 46 и сумматор частот переходит в исходное состояние. Так как импульсы ИИ 1 разделены во времени, то навыходе элемента 54, выполняющего логическое суммирование им соответствуют два импульса Х 1 Х и ХХ, Изначально разделенные во времени импульсыХ и Х преобразуются в импульсы Х 1 и Х 11, длительность которых равна длительности тактового импульса, и проходят на выход элемента 54 (импульсы ХХ 1 и ХХ 11), Аналогично импульсы Х 1 - ХЧ преобразуются в импульсы ХИ, Х 11 и ХИ 1 с длительностью тактового и разделенные во времени, после чего проходят на выход элемента 54 (импульсы ХХ 11 - ХХЧ),Таким. образом, при поступлении трех импульсов из второго дополнительного генератора 21 и четырех импульсов из делителя 19 частоты, на выходе сумматора 12 имеется их сумма, т.е, семь импульсов, А так как процесс рассмотрен для единичного интервала времени, то происходит суммирование импульсов в единицу времени, т.е. суммирование частот,Частотомер 13 работает следующим образом (фиг.7).Из делителя 11 частоты поступает последовательность импульсов, длительность которых равна 1 с, таким образом, в течение 1 с через элемент 2 И-НЕ 56 из сумматора 12 проходят импульсы на двоично-десятичный счетчик 59, По окончании секундного импульса элемент 56 закрывается, а в счетчике подсчитано число импульсов за 1 с, т,е, частота в герцах, В тот момент, когда заканчивается секундный импульс, на выходе инвертора 58 имеется перепад напрякения из логического "0" в логическую "1., под действием которого происходит запись частоты в триггер-защелку 6, На выходе инвертора 57 по окончании секундного импульса появляется логическая "1", которая устанавливает двоична-десятичный счетчик 59 в исходное состояние. Дешифратор 61 преобразует двоично-десятичный код, в котором записана частота, в код для управления семисегментным индикатором.При нажатии кнопки Я блока 15 сброса (фиг.8) на входах инверторов 62 и 63 появляется уровень логической "1", а на выход х - уровень логического "0". В результате формирователь 5 и триггер 16 устанавливаются в исходное состояние.Делитель частоты работает (фиг.9) следующим образом.На вход подается частота 1 тактового генератора 10 (в экспериментальном образце 1 = 10 Мгц), Двоично-десятичным счетчиком 64 частота делится на десять и с его выхода поступает на сумматор 12 частот и вход двоична-десятичного счетчика 65, Сего выхода снимается частста Х/100 и поступает через ключ 8 на счетчик 20 и вход двоичнодесятичного счетчика 66. Так последовательно происходит деление частоты на десять в каждом двоично-десятичном счетчике 67 - 70, На выходе двоично-десятичного счетчика 70 имеется частота 1/10 = 1 Гц, Эта частота делится на два Т-триггером 71,таким образом, на его выходе - частота 0,5Гц.Техническими преимуществами устройства являются уменьшение времени определения плотности грунтов и повышение надежности измерения. Последнее обстоятельство определяется тем, что формирователь 5 нечувствителен к дребезгу излучателя 1, возникающему при отскоке ударного(риг. 2 элемента 25 от контактного цилиндра 24, Кроме того, при задании чисел А = 1, В = 0 на индикаторе 14 - число 1/т, что соответствует скорости распространения упругой волны в грунте й имеет важное значение для 5 случая, когда корреляционная связь (3) неизвестна, и используется для поиска недбуплотненйых зон в грунтовом сооРужении.Таким образом, устройство позволяет сократить сроки и повысить качество возве дения грунтовых сооружений.Формула изобретенияУстройство для определения плотности грунтов; содержащее излучатель упругих колебаний, подключенный через первый уси литель к первому входу первого формирователя, приемник упругих колебаний,подключенный через второй усилитель к входу второго формирователя, первый триггер, первый выход которого подключен 20 к одному из входов первого ключа, выход которого подключен к первому входу счетчика, тактовый генератор. блок сброса и индикатор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения времени определения, 25 оно снабжено двумя делителями частоты и дополнительными генераторами, сумматором, частотомером, вторыми ключом и триггером и третьим формирователем, причем выход тактового генератора подключен к входу первого делителя частоты, выходы которого подключены соответственно к другому входу первого ключа и к первым входам сумматора и частотомера, первый выход первого формирователя и выход второго формирователя подключены к соответствующим входам первого триггера, второй выход которого через третий формирователь подключен к первому входу второго триггера, выход которого подключен к одному из входов второго ключа; к другомувходу которого подключен выход первого дополнительного генератора, выходы узла сброса подключены соответственно к вторым входам второго триггера и первого формирователя, второй выход которого подключен к второму входу счетчика, выход которого подключен к первому входу второго делителя частоты, к второму входу которого подключен выход второго ключа, выход второго делителя частоты подключен к второму входу сумматора, к третьему входу которого подключен выход второго дополнительного генератора, выход сумматора подключен к второму входу частотомера, выход которого подключен к индикатору.Редакт РРектоР Н,Ревская ла оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород; ул.Гагарина, 1 Заказ 2571Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ. СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5