книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdfN, дБ
16
12
6
4
0
20 |
40 |
60 ps, г/м2 |
Рис. 9.5. Зависимость уровня N (в дБ) принимаемой волны от поверхностной плотности р5 (в г/м2) фольги
го спада (вызванного затуханием УЗ в воздухе) пропорционально расстоянию z. За акустическую базу при бесконтактном контроле поверхностной плотнос ти csв микронном диапазоне толщин было принято z = 12 мм, гдерсрослаблено лишь на 3 дБ. Выбранная база допускает вертикальное перемещение фольги до ±4 мм в процессе измерений. Экспериментально полученная зависимость уровня N принимаемой УЗ-волны от поверхностной плотности csв диапазоне 10,2-68 г/м совпадает с формулами (8.12), (9.6) и приведена на рис. 9.5, из которых следует, в частности, что изменению csот 19,5 до 39 г/м соответству ет изменение показаний ЦИ на 6,0 дБ.
Настройка прибора состоит в установке между И и П образца фольги со значением csноминала и последующей регулировке приемного усиления при бора до целого показания N ЦИ (к примеру 6,0 дБ). При отклонении поверх ностной плотности csфольги от ее номинала cosв пределах поля допусков ±0,6 % ЦИ показывает отклонения от номинала N на ±0,5 дБ.
Исследования на У3-приборах УД2-12 показали, что они удобны в эксплуа тации для метода бесконтактного прозвучивания фольги и могут эффективно использоваться для контроля ее поверхностной плотности. Неэффективным оказалось применение для этой цели импортных дефектоскопов, в частности USK-7 фирмы «Крауткремер», вследствие меньшей интенсивности и булыней частотной широкополосности УЗ-излучения.
9.4. Ультразвуковой контроль структуры твердых сред
В металлургии, химии и машиностроении структурное строение материа лов должно отвечать требованиям соответствующих стандартов. Отклонения,
имеющие различный характер, определяются конкретными условиями того или иного технологического процесса. В ряде случаев эти отклонения вызы вают изменения параметров распространения УЗ-волны. По этим изменениям можно вести контроль структуры материалов.
К отклонениям относятся крупнозернистость и анизотропия кристалличес кой структуры в металлических и железобетонных конструкциях, степень по лимеризации в пластмассовых изделиях, ослабление пропитки базового мате риала связующим и локальные разрушения волокон в волокнистых материа лах и др. Важнейшим показателем качества кристаллических материалов, в частности металлов, является главным образом величиа зерна, влияющая на прочностные, пластически и физические характеристики изделия. Величина зерна определена стандартами РФ и Европы как средний диаметр зерна d и оценивается в номерах шкалы (баллах) ГОСТ (табл. 9.6).
На коэффициент УЗ-затухания^ наибольшее влияние оказывает величина зерна при 5 < TJd <15, где X — длина волны УЗ, d — средний диаметр зерна. Распределение величины затухания, полученные при контроле изделия в раз личных точках, подчиняется логарифмическому закону и характеризует пара метры распределения величин зерен исследуемого металла.
Визмерениях затухания наибольшее применение получил импульсный (эхоили теневой) метод, основанный на сравнении амплитуд двух или нескольких УЗ-сигналов, применяемый в иммерсионном или контактном варианте. Струк туру материала оценивают путем сопоставления данных, полученных на кон тролируемом изделии и на образцах, с известной средней величиной зерна. Для контроля применяют серийные импульсные дефектоскопы, оснащенные калиброванным аттенюатором, например дефектоскоп УД2-12, в котором пре дусмотрено устройство для определения отношений амплитуд двух импульс ных донных сигналов в дБ с выдачей результатов на цифровом индикаторе.
Вроссийских и зарубежных структуромерах используется относительный метод контроля структуры, основанный на прозвучивании металла на различ ных частотах. При этом одну из частот (опорную) выбирают низкой, для кото рой затухание УЗ-колебаний в небольшой степени зависят от структурных
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 9. 6 |
|
Н ом ера ш к а л ы Г О С Т и средний д и ам етр d зерн а |
|
|||
Номер |
d, мкм |
Номер |
d, мкм |
Номер |
d, мкм |
- 3 |
1000 |
3 |
125 |
9 |
15 |
- 2 |
694 |
4 |
88 |
10 |
12 |
-1 |
500 |
5 |
60 |
11 |
7,9 |
0 |
352 |
6 |
41 |
12 |
5,6 |
1 |
250 |
7 |
31 |
13 |
3,9 |
2 |
177____1_____?_____ |
22 |
14 |
2,7 |
|
|
|
|
|
составляющих. Другие частоты (рабочие) соответствуют релеевской области рассеяния. Отношения амплитуд донных сигналов, соответствующих рабочим и опорной частотам, называемые структурными коэффициентами, определя ют на исследуемом изделии для различных рабочих частот и сравнивают со структурными коэффициентами, полученными на образцах. Контроль можно проводить используя продольные и сдвиговые волны. В вышеотмеченном при боре ДСК-1 на частотах 0,65-10 МГц можно оценить величину зерна от 1 до 7 баллов [40].
Для контроля структуры используется и анализ спектра донных сигналов (спектроскопический метод). Частота заполнения УЗ-импульсов меняется от посылки к посылке и по их амплитуде определяется область релеевского рас сеяния. Влияние величины зерна на затухание усиливается из-за многократ ного прохождения УЗ-волн через границы зерен. УЗ-контроль величины зерна можно осуществлять при контроле импульсно-резонансным способом: зату хание определяется по отношению амплитуды колебаний в стенке изделия на резонансной частоте к амплитуде колебаний при отсутствии резонансных яв лений.
Вприборе КРИСТАЛЛ-1 (см. преамбулу гл.9) при автоматическом контроле структуры тонкостенных изделий используют нормальные волны Дж. Лэмба. Волны определенной моды возбуждают и принимают раздельными преобра зователями после прохождения через контролируемый участок. Усредняя дан ные измерений на определенном участке, например по окружности трубы, получают высокую разрешающую способность в определении структуры (±1 балл).
Вчугуне, как было отмечено Г. Зееманом [421], с увеличением размеров зе рен кристаллической структуры скорость УЗ несколько снижается. Аналогич ное явление имеет место и для ряда цветных сплавов, где при технологичес кой обработке вследствие неравномерного распределения температур образу ется различная кристаллическая структура (анизотропия) на отдельных учас тках изделия. Анизотропия имеет место в металлоконструкциях, подвергав шихся пластической деформации. Изменения скорости УЗ в прокате стали и цветных металлов, выявленные Ф. Файрстоном, Н. Бражниковым и Т. Бениевой [6, 401, 422-423], могут достигать нескольких десятков и даже сотен мет ров в секунду.
Для УЗ-контроля структуры стеклопластика значительный интерес представ ляют исследования, проведенные Е. Сергеевым [424]. Исследования показа ли, что фазовыми УЗ-методами возможен эффективный контроль так называ емых слабых и крепких мест в стеклопластике. Ослабление вызывается отно сительно слабой пропиткой материала связующим, расслоениями, а также раз рушением связующего и обрывом нитей. При локальных ослаблениях скорость
УЗ уменьшается. Максимальные падения скорости УЗ в материале соответ ствуют его наиболее слабым местам.
Отмеченную И. Ермоловым [40] корреляционную связь между плотностью, скоростью УЗ-волн и механическими свойствами твердой среды, отливок из конструкционных металлов исследовали Е. Иванушкин, Г. Белай, М.Попов, О. Чигонидзе, А. Бабаки, В.Ульянов и А. Шарко [425-428].
Контроль прочностных характеристик и структуры металлов [7] может про изводиться теми же методами, что и контроль размеров или толщины. Однако не все эти методы в отличие от контроля толщины или размеров являются здесь достаточно эффективными, в особенности при контроле малогабарит ных или тонкостенных изделий. Объясняется это тем, что при изменениях структуры твердой среды величина скорости УЗ-волн имеет сравнительно малые относительные изменения, максимум которых не превышает 3-4 %. Поэтому эффективными оказываются лишь наиболее чувствительные методы (см. гл. 3).
Прецизионный контроль структуры осуществляется импульсно-фазовыми методами измерения времени распространения УЗ-импульса. Для контроля применяются приборы с общим и раздельными ПЭ (рис. 9.6). В случае не слиш ком тонких изделий более практичным является прибор с общими ПЭ П в измерительном акустическом канале и Пэв акустической головке эталонного канала. Для обеспечения регулировки принятых отраженных сигналов Ат-мп А и А э ПЭ возбуждаются радиоимпульсами, поступающими с разных выходов ИГ. Результирующий импульс, полученный векторным сложением совмещен ных во времени измерительного и эталонного импульсов, со смесительного элемента СЭ поступает на вход осциллографа и наблюдается на его экране на
Рис. 9.6. Функциональная схема прибора для контроля структуры изделий
задержанной посредством ЗУ развертке (рис. 9.6, ж). Структурные изменения УЗ-скорости Ас рассчитываются по формуле:
Ac = c l ( l , - l j n , |
(9.7) |
где /, — толщина КИ и начальное расстояние между отражателем О и ПЭ Пэ в эталонном канале после совмещения им-пульсов при размещении искатель ной головки на участке с нормальной структурой; /0 — расстояние между пе ремещаемым отражателем О и Пэпосле совмещения импульсов при размеще нии искателя на контролируемом участке изделия.
9.5. Ультразвуковые автоматические датчики натяжения
итолщины металлопроката
В прокатных цехах, гидрометаллургии и других отраслях промышленности
вУЗРК ТП применяется регулирование [43-46, 359-360] с использованием бесконтактных акустических датчиков регулируемого параметра.
Автоматическое управление удельным натяжением металлопроката осуще ствляется посредством бесконтактного УЗ-датчика, основанного на времяимпульсном методе Н. Бражникова [429]. Сущность метода заключается в сле дующем. В КС возбуждают УЗ-волну, электродинамическим способом или путем ввода УЗ-колебаний через акустически проводящие среды и направля ют волну вдоль слоя КС в направлении ее натяжения. Так как скорость распро странения волны в твердой среде определяется модулем упругости и коэффи циентом поперечного сжатия среды, которые, в свою очередь, зависят от удель ного натяжения, то время распространения волны на фиксированном участке среды является функцией удельного натяжения среды.
УЗ-автоматические датчики толщины [44, 47, 430-432] основаны на эффек те зависимости между толщиной проката (меньшей четверти длины УЗ-волны
внем) и степенью акустической прозрачности проката.
Структурная схема датчика толщины приведена на рис. 9.7. УЗ-датчик со
держит акустические И 1 и 77 2, устанавливаемые вблизи прокатных валков 3 и 4 прокатного стана по разным сторонам прокатываемой тонкой полосы 5, генератор 6 и соединенный с им формирователь 7 регулирующего сигнала, сигнальным входом связанный с чувствительным элементом 8 П 2 посред ством коаксиального кабеля 9. В П имеется двухзвенный фильтр в виде двух колебательных контуров, состоящих из конденсаторов 10, 11 и индуктивнос тей 12, 13, настроенных на частоту УЗ-колебаний И 1, и соединяющего их терморезистора 14 с отрицательной температурной характеристикой, причем входной контур подключен к обкладкам чувствительного элемента 8 П, а вы ходной — к кабелю 9 и, соответственно, сигнальному входу формирователя 7 регулирующего сигнала.
Рис. 9.7. Схема бесконтактного автоматического датчика толщины тонколистового проката в АСУ
Генератор б состоит из формирователя 15 возбуждающих ЭИ и из синхрони затора 16, выполненного по схеме БГ\ формирователь 7 регулирующего сигна ла — из последовательно соединенных усилителя 17, входом подключенного к выходу приемника 2, селекторного усилителя 18, пикового детектора 19, диф ференциального блока 20 и индикатора 21. В этот формирователь входит так же генератор 22 стробимпульсов, входом соединенный с выходом синхрони затора 16 и выходом — с управляемым входом селекторного усилителя 18, и источник 23 опорного сигнала, подключенный ко второму входу дифференци ального блока 20. Выходом формирователя 7 является выход дифференциаль ного блока 29.
В процессе регулирования толщины в зоне, находящейся вблизи валков про катного стана (например, у нижнего валка 4), по нормали к плоскости выходя щей из валков полосы 5 излучают посредством акустического преобразовате ля П П I импульсную волну УЗ-колебаний. Возбуждение ПП осуществляется импульсами, вырабатываемыми формирователем 15 из синхроимпульсов, по ступающих о большой скважностью из синхронизатора 16.
Приемник 2, в котором в качестве чувствительного элемента 8 использован ПП, аналогичный импульсному ПП акустического И 1, производит прием про шедшей через прокатываемую полосу информативной УЗ-импульсной волны в зоне у верхнего валка 3 и преобразует его в импульсный ЭС. Последний имеет активную и реактивную составляющие. Реактивная составляющая компенсируется в настроенном входном контуре, состоящем из конденсатора 10 и индуктивности 12. При этом в суммарную емкость контура входит также собственная емкость ПП, содержащего чувствительный элемент.
Активная составляющая сигнала через делитель, состоящий из терморезис тора 14 и выходного контура, состоящего из конденсатора 11 и индуктивности 13, по кабелю 9 через усилитель 17 поступает в селекторный усилитель 18, управляемый стробимпульсами формирователя 22. В селекторном усилителе
18 сигнал, несущий информацию о толщине материала, отделяется от ревер берационных помех и электромагнитных «наводок» формирователя 15 и по ступает затем через пиковый детектор 19 в дифференциальный блок 20. В пос ледний поступает также опорный сигнал из источника 23, по амплитуде рав ный сигналу селекторного блока 18 при номинальной толщине прокатывае мой полосы.
Разностный сигнал дифференциального блока 20 поступает в индикатор 21 отклонения толщины полосы от номинала и в регулятор 24 для выработки управляющего воздействия 25, налагаемого на валок 3 (или на оба валка). При этом, если толщина уменьшается, то увеличение амплитуды импульсной вол ны, поступающей в приемник 2, воздействует через дифференциальный блок 20 и регулятор 24 на управляющее воздействие 25, возвращая толщину выка тываемой фольги к ее номиналу. При увеличении этой толщины сверх номи нала имеет место обратное воздействие импульсной волны. В источнике 23 предусматривается несколько переключаемых положений, соответствующих требуемым номиналам толщины полосы. В каждом из этих положений опор ный сигнал тарируется при настройке системы по образцам полосы с задан ными параметрами. Тарировка производится до нулевого показания индика тора 21.
При изменении температуры воздуха у прокатываемой полосы 5 в зоне дей ствия УЗ-импульсов изменяется акустическое давление в поступающих в П 2 импульсах, обусловленное температурным изменением АИм воздуха, и, соот ветственно, ЭС чувствительного элемента 8.
Для компенсации возникающей погрешности толщины в УЗ-датчике исполь зуются два контура, во 2-ом из которых конденсатор 11 с емкостью соедини тельного кабеля 9 и индуктив-ностью 13, составляет настроенный на УЗ-час- тоту контур с соединяющим их терморезистором 14, температурные измене ния сигнала компенсируются температурными изменениями активного плеча Ат, каковым является терморезистор. Другим, пассивным, плечом Атявляется постоянное по величине входное сопротивление усилителя 17. В частности, увеличение температуры вызывает уменьшение АИм воздуха у элемента 8 П 2 и снижение амплитуды информативного УЗ-импульса. При этом активное плечо 14Аттакже уменьшается и коэффициент передачи Атвозрастает, компенсируя уменьшение передаваемого в усилитель 17 информативного сигнала.
9.6. Ультразвуковая САРТ прокатного стана
При модернизации прокатного стана и разработке системы автоматического управления превалирующее значение имеет выбор метода и проектирование датчиков регулирования толщины прокатываемого металла с применением радиоизотопного, УЗ- и других излучений. Использование радиоизотопов ог
раничивает число модернизируемых станов в действующих цехах вследствие необходимости обеспечения минимально допустимого расстояния до источ ника излучения и санитарно-экологической нормы производственной площа ди (в кв. м), приходящейся на один стан. Это, во многих случаях, предопреде ляет применение безопасного для персонала УЗ.
Метод бесконтактного УЗ-просвечивания листовых материалов непосред ственно в технологическом потоке впервые в мире был открыт в 1968 г. осно вателем УЗКР ТП Н. Бражниковым [46-49]. В системе автоматического регу лирования толщины (САРТ) метод УЗРК ТП [43, 44] первой применила (при участии автора) фирма КЛЕСИМ с успешными испытаниями на фольгопро катных станах заводов СКАЛЬ во Франции и КАНАЗ в Армении. Структурная схема УЗ-САРТ четырехвалкового стана прокатки фольги из легких металлов
исплавов, разработанная [46] по данному методу, приведена на рис. 9.8. Рабо та стана и САРТ заключается в следующем.
Рулонный полосовой подкат 1 с разматывателя 2 через входной промежуточ ный рольганг 3 поступает в зазор между верхним 4 и нижним 5 рабочими валками прокатной клети 6.
До подачи подката в валки УУ по введенным в него данным: марка металла, диаметры рабочих и опорных валков, толщина подката и др. выдает (ранее экспериментально по величине определенные) воздействия: 7 — на гидравли ческое нажимное устройство ГНУ, 8 и 9 — на натяжения разматывателя 2 и моталки 10, соответственно, и начальное электрическое напряжение Vn от за датчика скорости ЗС прокатки на регулятор скорости PC, управляющий элек тродвигателем клети ЭДК. Последний через регулятор РД связан с верхним 11
инижним 12 опорными (приводными) валками прокатной клетки 6, обеспечи-
Рис. 9.8. Структурная схема УЗ-системы автоматического регулирования толщины прокатываемой фольги
вая начальную скорость и = и (м/с) прокатываемой фольги 13, поступающей через промежуточный (выходной) рольганг 14 в моталку 10.
Выходящая из рабочих валков фольга на высокой скорости v пересекает им пульсное УЗ-поле, созданное ИП в воздухе вблизи рольганга 14 и ориентиро ванное по нормали к поверхности фольги 13. УЗ-волна с давлениием излуче ния р0у поверхности ИП при распространении в воздухе испытывает ампли тудные потери из-за поглощения в нем, дифракционного распределения дав ления в УЗ-поле и ослабления у, вызываемого прокатываемой фольгой. Вели чина у несет в себе информацию о толщине фольги 13, используемую в САРТ. Из принятой (после прохождения через фольгу) УЗ-волны с давлением Р^ ПП формируется импульсный ЭС 15 с напряжением F p, пропорциональным Р^. Распределение давления в УЗ-поле в воздухе вблизи рольганга 14 между ИПи ПП описывается интегралом Г. Гельмгольца - Н. Бражникова [61] и рассчитывается по формулам Н. Бражникова в [61, 63].
В разработанной САРТ ИП и ПП сконструированы на основе пьезокерами ки ТБ-1 диаметром 2а = 29 мм с частотой^ = 180 кГц на ЭМР, имеющей пьезо модуль Н. Бражникова Ь =7,3 мШ(м2 Гц В). При этом в воздушном зазоре между И и П распространяются импульсы УЗ-колебаний со скоростью 343 м/с и дли ной волны / = 1,91 мм. Через Тр (ии= 3:1) ИП соединен с коаксиальным кабе лем (длиной до 5 м) выхода генератора возбуждающих импульсов ГВИ, пери одически (100 раз в секунду) запускаемым видеоимпульсами синхронизации 16 от ГСС. Импульсы ГВИ имеют синусоидальное «заполнение» колебаниями с частотой / = 180 кГц к амплитудой F =100 В. Из анализа выражений в [60, 63] для давления излучения следует, что для не слишком высоких частот/ при емлемое дифракционное ослабление волны находится на расстояниях z, соиз меримых с протяженностью ближней зоны all в воздухе. При более высоких значениях акустической базы la = z (расстоянии между ИП и ПП) возрастает дифракционное ослабление в воздухе, при более низких — возрастает фон акустических помех, обусловленных многократными отражениями импульс ной волны между поверхностями ПП и прокатываемой фольги 13. Коэффици ент ослабления волны (излученной с давлением рг), вызванный поглощением
в воздухе, на расстоянии z составляет величину: |
|
Kd~ exp(-zcO. |
(9.8) |
где на применяемой частоте d = 0,6 м~\ Для используемой в САРТ частоты / колебаний, в соответствии с проведенным анализом согласно [60, 63], опти мальна /а= 100 мм, составляющая 0,9 протяженности ближней зоны в воздухе. Уровень излучения, рассчитываемый по формуле Н. Бражникова (6.4) при nnVr= =300 В составляет \Рг\ = 39 Н!см2 Он обеспечивает высокую амплитуду ЭС 2,75 В на выходе повышающего Тр Атв отсутствии полосы при отключенном
ПУ). Ослабление, вызванное поглощением УЗ в воздухе мало, не превышая нескольких процентов, как и общее ослабление давления Рг волны (с учетом дифракции) при отсутствии фольги 13.
В процессе прокатки прохождение импульсной УЗ-волны через прокатывае мую фольгу 13 толщиной А по нормали к ее поверхности описывается услови ями непрерывности нормальных компонент тензоров механического напря жения и смещения на входной поверхности фольги (8.4). Ослабление у волны материалом фольги зависит от ее толщины и плотности р, удельного АИм воз духа zBчастоты УЗ и вычисляется по формуле Н. Бражникова [46,417]:
y=nfph/zb. |
(9.9) |
Одним из блоков управляющего устройства УУ в САРТ является задатчик толщины ЗТ. Задаваемыми толщинами Аз являются 5,10,20, 50, 80,100 мкм и др. Расчетные, для прокатываемой алюминиевой (р = 2700 кг/м) фольги, по этим заданиям, ослабления г УЗ-волны приведены в табл. 9.7.
В исследованной САРТ ослабление г импульсной УЗ-волны прокатываемой Al-фольгой при максимальной толщине hm= 100 мкм согласно (9.9) и табл. 9.7 по амплитуде давления достигает 368. Давление принимаемой волны для обеспечения стабильности автоматического регулирования толщины должно на два порядка превышать уровень производственных акустических помех в полосе частот (0,95-1,05}/Х/— частота УЗ). Увеличение/до 180 кГц позволи ло значительно снизить уровень помех. Повышение возбуждающего напряже ния ГВИ посредством Тр до 300 В при этом обеспечивает приемлемое отноше ние сигнал/помеха на ПП. Импеданс воздуха ZB(равный 415 Н-с/м при темпе ратуре 20 °С) имеет температурный коэффициент — 0,17 % на 1 °С САРТ для достижения приемлемого минимума температурных изменений ZB снабжена компрессором 17, обеспечивающим воздушный обдув зоны акустического поля между ПП и ИП.
Импульсные сигналы 15 (с амплитудой V^) с ПП подаются в УУ САРТ по коаксиальному кабелю длиной 5 л* на повышающий Тр (пп=3) входа аттенюа тора Ат, управляемого ЗТ. В Атавтоматически устанавливается ослабление V в соотношении Ка= А /А, где Азт и Аз — максимальная и текущая уставки толщины выкатываемой полосы ЗТ. Поэтому для любой уставки Аз при толщи-
Таблица 9.7 Параметры прохождения УЗ-импульса через Al-фольгу толщиной h в САРТ
при/ = 180 кГц, z =100мм и F = 1000В
h, мкм |
0 |
5,2 |
10 |
2 0 |
48 |
80 |
97 |
|
У |
1 |
19,1 |
36,8 |
73,6 |
176,6 |
29 |
4 ,4 |
357 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
п„ Vnp, м В |
2 7 5 0 |
145 |
74,0 |
37,5 |
15,5 |
9 |
,4 |
7,7 |
Vnp(0)/Vnp |
1 |
19,0 |
37,2 |
73,3 |
177 |
293 |
357 |