книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdfтрансформаторная связь между нагрузочным контуром, состоящим из емкос ти конденсатора С2 и индуктивности обмотки Wff и управляющей обмоткой Wy выбрана повышающей.
С выхода У1 (рис. 3.5) управляющего блока АРУ, усиленный принятый сетнал со стабилизированной амплитудой Vl поступает на вход фазового детекто ра ФД. На другой вход ФД через калиброванный ступенчатый фазорегулятор ФР подается часть напряжения генератора (возбуждающего излучающий 7777), по амплитуде равная |Гф| = |F,|. Выходной сигнал ФД согласно (3.14), пропор циональной разности фаз Дф сигналов Vxи F , поступает в регистрирующий прибор 777.
Ступени ФР отстроены таким образом, что первая ступень соответствует начальному значению соисследуемой скорости УЗ-колебаний, а последующие - изменениям скорости с относительно с0на Ас, равные 10,20,... 100 м/с. По казания РП в цифровой или аналоговой форме даны в долях единицы отсчета измерений скорости Ас (м/с) в пределах 0-10 м/с. Скорость определяется как:
с = С0 + (Дсфр + Дс)(1 - 0 С). |
(3.20, а) |
Для исключения неоднозначности фазовых измерений должно выполняться следующее соотношение между базой /, частотой /УЗ-колебаний и интерва лом Ас:
/< 0 ,4 5 сДАс. |
(3.20) |
В частности, для частоты/ = 1 МГц при “с=Юм/с и с =1500 м/с акустическая база / должна быть не более 0,1 м. Чувствительность измерений рассмотрен ным методом не хуже 0,01 м/с.
Фазовый метод АМК. Функциональная схема измерителя скорости УЗ-ко- лебаний методом АМК приведена на рис. 3.7, а диаграммы напряжений его блоков — на рис. 3.8.
С генератора амплитудно-модулиро- ванных колебаний ГМК, управляемо го генератором модуляции МГ с квар цевой стабилизацией его частоты F, возбуждающее напряжение электри ческих колебаний несущей частоты / поступает на излучатель 77, преобразу ющий его в AM УЗ-колебания. После похождения через исследуемую среду
Рис. 3.7. Функциональная схема измерения ско рости УЗ методом амплитудно-модулированных колебаний
Рис.3.8. Электрические диаграммы блоков из мерителя скорости ультразвука методом А М К
|
последние поступают на УЗ-прием- |
|
|
ник У, преобразующий их в AM элек |
|
|
трическое напряжение с несущей ча |
|
|
стотой F и фазой <рм, определяемой |
|
|
формулой (3.17). |
|
|
Электрический сигнал П через |
|
|
предварительный усилитель ПУ по |
|
|
дается в амплитудный детектор АД, |
|
|
демодулирующий усиленный сигнал |
|
|
в электрическое напряжение F час |
|
|
тоты F с фазой фм, которое подается |
|
|
на усилитель-ограничитель демоду- |
|
|
лированного принятого сигнала |
|
|
УОП. С выхода УОП прямоугольное |
|
|
напряжение Vyon сигнала поступает |
|
|
на вход формирующ его каскада |
|
|
ФКП, выходом подключенного к сто |
|
|
пному входу триггера Т. Модулиру |
|
/ фкг |
ющее напряжение VMl с аттенюатора |
|
генератора МГ через калиброванный |
||
|
ступенчатый фазорегулятор ФР по |
|
'фкп |
ступает в усилитель-ограничитель |
|
УОМ, выдающий прямоугольное на |
||
|
пряжение Vyorна вход формирующе |
|
Афм |
го каскада ФКГ, своим выходом под |
|
«----- |
ключенного к пусковому входу триг |
|
кП |
||
гера. В модуляторном канале фазоре |
||
|
гулятор ФР, дающий сдвиг <рфр, ана |
|
|
логичен вышеописанному фазорегу |
лятору в схеме НК-метода с более широким значением Ас ступеней ФР. Прямоугольные импульсы Vyor и Vyon сдвинуты друг относительно друга на
контролируемую величину Асрм фазового сдвига. Формирующие каскады ФКМ и ФКП запускаются фронтами положительных полупериодов прямоугольных напряжений и вырабатывают короткие, соответственно пусковой и стопный, положительные импульсы напряжения, сдвинутые друг относительно друга в фазовом масштабе со/ на величину
А(Р=(Рм-ФФр. (3.20,6)
Пусковой и стопный импульсы воздействуют на входы триггера Т, который выдает прямоугольный импульс напряжения Vv длительность которого Трп про порциональна разности фаз Лфм. Последовательность выходных импульсов Т подается в регистрирующий прибор РП, выполненный по аналогии с фазо вым методом НК.
Погрешность АМК метода определяется в основном амлитудно-фазовой по грешностью усилителей-ограничителей вследствие фазового сдвига 8ф точек перехода через нуль полупериодов прямоугольного напряжения по сравнению с выходными точками синусоидального напряжения. Это явление выражается в том, что длительности положительного и отрицательного полупериодов ста: новятся одинаковыми и отличаются друг от друга на сумму сдвигов УОП и УОГ в фазовом масштабе со/. При симметрировании усилителей-ограничите лей и использовании калиброванного ФР (со ступенями, соответствующими Ас = 100 м/с) относительная погрешность, с учетом (3.20) для частоты F, изме рения скорости УЗ-колебаний не превышает 0,01%.
3.5. Время-импульсные исследования скорости ультразвука
Рассматриваемые время-импульсные исследования базируются на опреде лении скорости импульса УЗ-колебаний по времени его распространения в контролируемой среде t = l/с методами:
•геометрического измерения длительности развертки (ИДР);
•ИДР калиброванным напряжением высокой частоты и
•измерения временного интервала (ИВИ).
Метод геометрического ИДР. Первым этот метод применил в 1931 г. В. Якоб [116]. По его схеме излучатель возбуждался коротким импульсом генератора и одновременно импульсом генератора в осциллографе включалась развертка в виде логарифмической спирали. Обрыв спирали (гашение электронного луча трубки) производился детектированным усиленным принятым сигналом. Время распространения импульса определилось по длине спиральной развертки. Точ ность измерений была низкой — не лучше 3 %.
Метод ИДР калиброванным напряжением. По данному методу применя ли способы измерения длительности развертки: способ калиброванной раз вертки (способ калиброванных меток) и способ наложения калиброванного высокочастотного напряжения на принятый импульс.
Если калибровочное напряжение синусоидальной формы подвести к катоду электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), то оно будет управлять яркостью луча труб ки, периодически усиливая его яркость или гася. Полное время распростране ния т определяется из выражения
т = n/ft2тщ>(3.20, в)
где п — количество яркостных меток от начала развертки до первого полуцикла колебаний принятого импульса;^— частота калибрующего напряжения КН, обычно выбирается на порядок больше рабочей частоты/УЗ-импульса.
При использовании способа наложения КН на импульс обычно применяют ся двухлучевые осциллографы. Горизонтально отклоняющие пластинки двух лучей при этом управляются одним и тем же напряжением развертки. На вер тикально отклоняющие пластины одного из лучей подается принятый импульс, а на вертикально отклоняющие пластины другого луча— КН. Время %опреде ляется по времени прохождения УЗ через протекторы и числу п пиков КН от начала развертки до первого полуцикла колебаний УЗ-импульса.
Точность этого метода несколько выше метода геометрического НДР. Его применили Дж. Галт, Дж. Пеллам и К. Сквайр [117-120] для исследований жидкостей, сжиженных газов и кристаллов; Дж. Фредерик, А. Нолл, С. Маури, У. Овертон [121-124] — для металлов и сплавов; Д. Хьюз, Е. Бланкеншип и Р. Мимс [125] — для пластмасс и каучука.
Метод ИДР с калиброванной задержкой. Метод НДР со ступенчатокалиброванной задержкой короткой развертки (лупы времени), который применили для исследований О. Бабиковв 1953 г. [126]— жидкостных растворов, Н. Браж ников в 1956 г. [127] — цветных металлов и И. Защук в 1956 г. [128] — бетона, дал на порядок более высокую точность, чем другие методы ИДР.
Схема прибора, реализующего данный метод, приведена на рис. 3.9. Диаг раммы импульсных напряжений отдельных узлов схемы показаны на рис. 3.10. Собранный по схеме тиратронного ключа или блокинг-генератора ИГ выраба тывает короткий импульс двумя-тремя полупериодами затухающих высокоча стотных колебаний (рис. 3.10, а). Этот импульс возбуждает пьезоэлектричес кий излучатель И акустического канала преобразователя ИК, в котором нахо дится среда. Излучатель И посылает в контролируемую среду импульс УЗ-
-МАМг |
jÿ w v |
|
|
ж |
3 |
Рис. 3.10. Импульсные диаграммы электрических сигналов блоков измерителя скорости УЗ методом ИДР с калиброванной временной задержкой
колебаний. Через время т + 2%^ УЗ-импульс достигает ПЭ приемника Я, пре образуется в импульс высокочастотного напряжения (рис.3.10, б) и поступает на высокочастотный усилитель У. После усиления принятый импульс подает ся на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Одновременно с возбуждени ем излучателя И ИГ запускает блок задержки БЗ с регулируемым временем задержки (рис. 3.10, в). Задним фронтом задержки импульса запускаются раз вертывающее устройство РУ, вырабатывающее пилообразное напряжение (рис. 3.10, г) для отклонения по горизонтали луча ЭЛТ, и генератор калибровочного напряжения ГАЯ высокой частоты (рис 3.10, д).
Для повышения точности отсчета длительность развертки (рис. 3.10, г) вы бирается малой, достаточной лишь для изображения двух-трех полуциклов переднего фронта импульса. Отсчет числа п меток от начала задержанной раз вертки до первого полуцикла колебаний (рис. 3.10, е) в импульсе производит ся не до целого числа, а при помощи сетки на экране ЭЛТ до десятых долей метки. Расчет скорости ведут по формуле:
с = /( 1 - 0 с)/(х + и//к- 2 х пр). |
(3.21) |
Определение ^осуществляется аналогичным отсчетом п меток на незадер жанной развертке с акустическим соединением И и П напрямую с плотным акустическим контактом между ними. Точность измерений скорости с при сред нем значение т = 50 мкс и частоте 5 МГц достигает 0,1 %.
Исследования методом ИДР с калиброванной задержкой также провели М. Смит, А. Лоусон [129] в воде в широком диапазоне температур и давлений; Ф. Воронов, Л. Верещагин, В. Муравьев [130,131] в жидкостях при повышенных давления; С. Партсаратхи, М. Панчоли [132] в водных растворах этилового спирта; И. Полоцкий, В. Таборов, 3. Ходов [133, 134] в жидких металлах; В. Астраханкин, Н. Назаров, Г. Герченко [135] в нефти; сотрудники акустической лаборатории МОПИ [136, 137], МГИ [138] и др.
Метод ИВИ с акустической задержкой. Метод предусматривает формиро вание опорного электрического импульса с временной задержкой, соответству ющей начальному (min.) значению исследуемой скорости УЗ, для закрытия информативного прямоугольного импульса (ИЛИ). Последний начинает фор мироваться передним фронтом принятого УЗ-импульса после прохождения через контролируемую твердую, жидкую или газообразную среду. На рис. 3.11 и 3.12 приведены соответственно функциональная схема по этому методу [6, 139-144] и импульсные диаграммы его блоков.
Задающий генератор ЗГ с кварцевой стабилизацией частоты вырабатывает синхронизирующее синусоидальное напряжение (рис.3.12, а) частотой F, ко торое запускает генератор ГИ и блок задержки БЗ с периодом Ги, равным n/F (п = 1-5). В блоке калиброванной ступенчатой задержки БЗ через промежуток времени t3 (рис. 3.12, в) создается импульс акустической задержки во времени (рис. 3.12, г). Излучатель И, соединенный с выходом ГИ, возбуждается двухполуцикловым ЭИ (рис. 3.12, б) и посылает короткий импульс УЗ-колебаний с несущей частотой/ в исследуемую твердую, жидкую или газообразную среду.
Рис. 3.11. Функциональная схема контроля скорости УЗ-методом И В И с акустической и электричес кой временной задержкой опорного импульса
I I -►» Ч-
Тз+Тоз-Ъ
Рис. 3.12. Диаграммы напряжений импульсных сигналов на отдельных узлах время-импульсного устройствадляизмеренияскоростиУЗметодомИВИ с акустической(эпюраг)иэлектрической(эпюра в) временной задержкой опорного импульса (эпюра з)
УЗ-импульс, пройдя путь / через контролируемую среду, поступает на прием ник Я и преобразуется в импульс электрического напряжения (рис.3.12, д) че рез промежуток времени т, с момента начала излучения. Принятый импульс через высокочастотный усилитель Упоступает в амплитудный аттенюатор А1.
Формирование пускового импульса выполняется по способу Н. Бражникова [139], заключающемуся в следующем. Усиленный недектированный ВЧ-им- пульс с выхода А1 подают непосредственно в точку запуска блокинг-генерато-
ра БГ (используемого в качестве ФК), собственный период колебаний которо го устанавливают близким к периоду Т следования возбуждающих импульсов (рис.3.12, б).
Полярность ВЧ-импульса устанавливают в У (рис. 3.12, д) таким образом, чтобы первый полуцикл колебаний импульса был обратен по знаку импульсу генерации БГ. При этом посредством А1 амплитуду второго полуцикла ВЧимпульса устанавливают равной постоянной величине Узп, на порядок превы шающей порог ^срабатывания БГ.
С выхода БГ сформированный короткий пусковой импульс (рис.3.12, е) дли тельностью 0,05-0,1 мкс поступает в блок БИПИ, который начинает формиро вание ИЛИ (рис.3.12, и) в момент времени, определяемый выражением:
|
(3.22) |
t 1= 2 t , + t+ 2 ik. |
(3.23) |
тш— длительность первого полуцикла колебаний импульса (рис.3.12 б); т — время прохождения УЗ-импульса через исследуемую среду; тк— время про хождения УЗ-импульса через контактный слой (только для твердых сред); тф
— задержка срабатывания БГ относительно нулевого перехода: первый - вто рой полуциклы ВЧ импульса, зависящая от отношения VJV2IJ. Задержка тф сра батывания £Гпри отношении VJVm<0,1 не превышает 0,02 периода несущей частоты/УЗ-колебаний.
Созданный в твердотельном акустическом БЗ импульс (рис.3.12, г) преобра зуется в нормированный импульс (рис.3.12, ж), задержанный относительно начала излучения на время тз, соответствующее моменту поступления на при емник П второго полуцикла УЗ-импульса:
т = У С, + % + тш + хф ■+ 2тю. |
(3.24) |
Нормированный импульс поступает в блок плавнорегулируемой калибро ванной задержки (£/73), где с задержкой тоз (в пределах 0,05-0,1 мкс) форми руется импульс (рис. 3.12, з), который прекращает формирование информа тивного прямоугольного импульса (рис. 3.12, и) в БИПИ. Длительность ИЛИ при этом составляет величину
=\ + |
(3.25, а) |
или с учетом (3.22) и (3.24)
Дт = ljc%+хт- т - 2тк+ 2тю. |
(3.25) |
С выхода БИПИ информативный импульс, пропорциональный по длитель ности разности времен распространения УЗ при начальном с0и исследуемом
значении с скорости УЗ-колебаний, поступает на вход время-аналогового пре образователя ВАЛ. Второй вход ВАЛ соединен с регулятором нуля PH, подаю щим электрическое напряжение, компенсации тоз в Дт. Выходной сигнал ВАЛ через аттенюатор А2 поступает в регистрирующий прибор РП, в качестве ко торого обычно используется стандартный цифровой вольтметр на цифровом индикаторе которого напряжению ВАЛ на выходе аттенюатора А в 1 мВ соот ветствует время, равное 0,001 мкс. Если регистрирующий прибор РП «зашка ливает», то необходим переход в БЗ на другую ступень временной задержки, при которой появляется показание разности Дт на шкале РП. После акусти ческой калибровки ВАЛ (с учетом вышеуказанной компенсации тоз) скорость УЗ в жидкости, твердых и газообразных средах, согласно (3.25) определяется формулой:
с = IcJL1 - 0 С+ 0 сз//(/3 - с3Д т )Щ - С3(Ат + 2тк- 2 т ю)]. |
(3.26) |
Акустическая задержка в БЗ осуществляется твердотельным (или жидко стным) звукопроводом (ЗП), создающим временную задержку УЗ-импульса в среде с известной скоростью с3(учитывается QC3) по переднему фронту 2-го полуцикла. Длина ЗП измеряется микатором с ценой деления на шкале, рав ной 1 мкм или лазерно-оптическим дальномером. Для твердотельных ЗП ис пользуют плавленый кварц, скорость с продольной волны в котором по дан ным У. Мэзона [145] равна 5968 м/с, чистое железо или его сплав с малым процентным содержанием gc углерода. Для последних динамический модуль упругости У описывается квазипараболической функцией Н. Бражникова:
У=рс.2= гя - е ; в у> |
(3.27) |
где Yт— максимум модуля упругости, равный 211,819 ГЛа\ р, св— плотность звукопровода (для чистого железа равная 7889 кг/м3) и стержневая скорость УЗ, соответственно; е,=|0,437 - g j и
Ву = 10'3 {800,1 + 957(1,093 - еу)3 + 7,7[1 + (0,915 - еу)2]'22}. (3.28)
В чистом железе, согласно (3.28), У = 211,608 МПа и св= 5179,11 м/с. При использовании УЗ-колебаний стержня поперечные размеры должны быть на порядок меньше длины волны. Чаще используется продольная волна, скорость которой, по данным Н. Бражникова, в чистом железе (Fe9999) составляет вели чину 5950,46 м/с (близкую к скорости в плавленом кварце).
КалибровкаВАЛведется после изготовления измерителя и периодически при его эксплуатации следующим образом. В измерительном канале между И и П с обеспечением плотного акустического контакта устанавливаются два твер дотельных ЗП (например из Fe9999) длиной 1Хи lk. При этом время распростра нения в контрольном ЗП lk /съравно ступени БЗ, например 2 мкс, а суммарное время (/j + lk)/c3равно задержке х3в БЗ. Затем при среднем положении БПЗ
регулировкой в PH устанавливают нулевое показание РП. После удаления кон трольного образца время распространения волны в измерительном канале сни жается на время 1к /су длительность импульса БИЛИ увеличивается на вели чину этого времени, т.е. на ступень задержки БЗ. Подстройкой аттенюатора А2 устанавливают показание РП в положение 100 % его шкалы. По окончании калибровки ВАЛ регуляторы в БПЗ, А2 и PH фиксируются.
Метод ИВИ с электрической задержкой. Метод предусматривает ступен чатое формирование т3 (рис. 3.12, в). При этом импульс (рис. 3.12, з), закрыва ющий ИЛИ (рис.3.12, и) задержан относительно момента начала УЗ-излуче- ния на время т3 + т03 и длительность ИЛИ составляет величину (3.25, а). Время т2 превышает измеряемое t на
\ Г 2\ +\и +\ |
(3-29> |
Для измерения т01 в измерительном канале И и П акустически соединяют напрямую (без исследуемой среды) друг с другом и устанавливают амплитуду второго полуцикла колебаний принятого УЗ-импульса равной указанной выше постоянной величине VQ2. Отсчет т01 проводится по шкале РП. При этом про изводят поправку на время хк прохождения волны через контактный жидко стной слой толщиной hKмежду Я и Я, который стабилизируют двумя узкими полосками из алюминиевой фольги толщиной йк = 5 мкм. Толщина определя ется способом взвешивания квадрата фольги 100x100 лш, из которого выреза ют полоски. Такая стабилизация акустического контакта производится при ка либровке ВАЛ и при исследовании твердых сред рассмотренными и другими методами.
Скорость УЗ в исследуемой среде по методу электрической задержки, в со ответствии с (3.29) и (3.25, а) с учетом компенсации т03 при калибровке ВАЛ, определяется по формулам:
для твердых тел |
|
|
с = /(1 - 0 с)/(т3 - Ат - т01 - |
2hjck) |
(3.30) |
и для газов и жидкостей |
|
|
с = /(1 - 0 с)/(т3 - Ат - |
т01), |
(3.31) |
где ск— скорость УЗ-волны в слое контактной жидкости.
Метод измерения полного времени распространения волны. Измерения ве дут при минимальной задержке пускового импульса БИЛИ относительно на чала излучения волны на время т01, определяемое формулой (3.29).
Функциональная схема реализации метода и ее импульсные диаграммы при ведены соответственно на рис. 3.13 и 3. 14.
Синхронизатор СГ с кварцевой стабилизацией периода Т вырабатывает ко роткие импульсы (рис. 3.14, а), запускающие генератор ГИ возбуждающих