книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdfВ первых разработках, описанных Г. Пирсом [80], Дж. Хаббардом и А. Лу мисом [81, 82], применялся способ, основанный на реакции генератора. Реги страция резонанса осуществлялась с помощью вольтметра, измеряющего на пряжение на излучающем ЯЭ, в некоторых схемах - по измерению тока гене ратора. При резонансе напряжение на излучателе максимально, а ток генера тора минимален.
Определение скорости распространения УЗ-волны в исследуемой среде про изводят, после отсчета к резонансов, по формуле:
с =2Л1к- Щ к - 1), |
(3.3) |
где 1у 1к— расстояние, соответствующее отсчету 1-го и к-го резонансов. Схемы с использованием реакции генератора применялись в интерферомет
рах рядом других исследователей: П. Прозоровым [83, 84], Е. Ранквистом, Г. Марксом [85, 86], Ф. Вером [87], В. Илгунас, О. Кубилюнене, О. Япертасом
[88].
Приемный ПП вместо отражателя применили У. Фрай [89], М. Гринспан, М. Томпсон [90], Н. Бражников [6, 79], И. Пукас, В. Сукацкас [91].
Для жидких и газообразных сред в интерферометрах с фиксированным рас стоянием резонанс достигается изменением частоты генератора, с которого возбуждающее напряжение поступает на излучатель. Такие интерферометры впервые предложили Дж. Хаббард и И. Цартман [92]. Интерферометры с фик сированным расстоянием применяли также К. Рао, Б. Рао [93], К. Кундротас, В. Сукацкас, Э. Яронис [94] и другие исследователи. Теория интерферометра этого типа разработана Ф. Боргнисом [95], который в частности, показал, что изменение коэффициента отражения на границе жидкости с отражателем и излучателем (вследствие изменения акустических импедансов сред) не влияет на изменение длины УЗ-волны. В действительности это влияние имеет место.
Разность частот Af= J/j - f 2\между соседними резонансами при частотах/j и f 2соответствует изменению на 1/2 числа полуволн, укладывающихся в столбе резонирующей жидкости или цилиндрическом образце твердого тела высотой /. Для повышения точности измерений обычно определяется несколько резо нансных точек, тогда скорость ультразвука в случае ПП с «воздушным» демп
фером определяется формулой: |
|
с=21(/к- Щ к - 1), |
(3.4) |
где к — количество резонансных точек; f vf k— частоты на 1-ми к-м резонан сах.
В твердых телах иммерсионный интерферометрический метод фиксирован ного расстояния между излучателем и приемником также основан на измене нии частоты генератора. При измерениях пластина исследуемого материала ставится между И и Я, погруженными в жидкость. Следует отметить, что для
снижения погрешности измерений должно быть исключено резонирование самой жидкости при измерении частоты. Если при измерении частоты по тол щине пластины твердого тела укладывается целое число полуволн, то пласти на будет обеспечивать максимальное пропускание УЗ-волны. Измеряя часто ты, на которых имеют место максимумы пропускания, можно рассчитать ско рость УЗ в твердом теле. Измерения по этому методу первыми в 1928-1930 гг. провели Р. Бойл, Д.Фроман [96, 97], Р. Бойл и Д. Спроуль [98]. При этом были необходимы ЯЭ, обеспечивающие излучение и прием УЗ в некотором частот ном диапазоне. С. Бхагавантам и Дж. Бхимасенахар [99] применяли для этой цели клиновидные ПЭ из кварца и турмалина. Для кварца излучение обеспе чивалось в диапазоне 1,4-5 Мгц, а для турмалина в диапазоне 3-16 Мгц.
Фазовые методы. Длину волны можно определить [27,72] изменением сдви га фазы между высокочастотным напряжением генератора, возбуждающим излучатель Я, и напряжением на приемнике Я бегущей УЗ-волны, прошедшей через контролируемую жидкость. При измерении расстояния между И и Я изменяются время распространения волны и фаза напряжения на Я. Измене нию расстояния на длину волны X соответствует сдвиг фазы на 2п. Индикация фазовых интервалов 2п производится с помощью ФЧУпо минимуму или мак симуму их показаний. Для повышения точности измерений производится от счет нескольких (к) максимумов или минимумов и соответствующих им рас стояний / между И и Я.
При использовании ФЧУ [7, 100-101] с периодом нулевых показаний, рав ным л, скорость УЗ рассчитывается по формуле (3.3), умноженной на (1 + ©С1 - &Ск), а для устройств, имеющих период экстремальных показаний 2тг, со
гласно выражению |
|
c - / / * - / 1Xi + e cl- e Qy (* - i)e |
(3.5) |
где 0 С1, — дифракционные поправки для расстояний 1Хи 1к(1к> /,)• Впервые фазовая схема измерения длины УЗ-волны была предложена Г. Игли
в 1934 г. [102, 103]. Кварцевый излучающий ПЭ возбуждался непрерывным синусоидальным напряжением стабилизированной частоты, поступающим от генератора. Усиленное напряжение сигнала Я и часть напряжения генератора поступают на вход вольтметра, где происходит их векторное сложение. Также, как в небалансных фазовых детекторах [7], при равенстве напряжений F , по ступающих на вольтметр, результирующее напряжение следующим обра зом связано с разностью фаз Аср напряжений Я и генератора:
Уд = 2Fcos[(Acp0+ Д<р)/2], |
(3.6) |
где Аф0 — постоянный сдвиг фазы, вносимый усилителем принятого сигнала. Если Д(р = 7С, то получается следующая зависимость:
При сдвигах фаз, равных нулю и кратных 2п, показания вольтметра макси мальны, а при сдвигах, равных п и (2к +1)я — равны нулю. Наибольшая чув ствительность такой схемы имеет место во втором случае, поэтому фазовые интервалы, равные 2п, фиксируются по нулевым (минимальным) показаниям вольтметра. Вместо него для точных измерений необходимо использовать фа зовый детектор ФД с периодом р нулевых показаний, в котором напряжения генератора и П перед подачей на ФЧЭ выравниваются по амплитуде, стабиль ность которой поддерживается автоматически, независимо от уровня сигнала Я, с помощью схем ограничения или автоматической регулировки усиления
[100].
Схема такого фазового детектора представлена на рис. 3.2.
Детектор состоит из трансформаторов Tpi и Тр2, балластных сопротивле ний R1-R4, выпрямительных диодов Д1 иД2, реостатно-емкостных фильтров С1-С5 и С2-С6 и нагрузочной цепи, состоящей из сопротивлений R7, R8 и микроамперметра М.
Высокочастотные напряжения V}и V2, разность фаз которых измеряется фа зовым детектором, поступают на него через оконечные каскады OKI и ОК2 усилительно-стабилизирующих каналов фазометра.
Оба трансформатора для соблюдения симметричности выполняют полнос тью идентичными. Каждый из них содержит нагрузочную и две детекторные
обмотки Wm, Wm, 1КД1'и Wm, Wm, W^', причем: |
|
^н,= ^ш=^н |
(3-8) |
Индуктивность Lm нагрузочной обмотки Wm вместе с емкостью включенно го параллельно ей конденсатора СЗ составляет настроенный резонансный кон тур, являющийся нагрузкой первого оконечного каскада OKI. Соответственно индуктивность Lm нагрузочной обмотки WH2вместе с емкостью параллельно го ей конденсатора С4 составляет настроенный резонансный контур, являю щийся нагрузкой второго оконечного каскада ОК2.
На детекторные обмотки поступают напряжения V и F, с некоторым коэф фициентом трансформации. Так как условия (3.8) и 3(.9) выполнены, то при равенстве выходных напряжений оконечных каскадов OKI и ОК2 по амплиту де амплитуды напряжений всех четырех детекторных плеч будут равны:
у = у '= у = у ' = у |
п Ю) |
*Д1 *Д1 К Д2 КД2 |
|
причем |
|
VR =VJn, |
(3.11) |
где VQ— выходное напряжение оконечных каскадов, стабилизированное по амплитуде; п — коэффициент трансформации, равный отношению витков на грузочной WH— и детекторной WRобмоток, т.е.
n= W JW }x |
(3.11, а) |
Чтобы обеспечить симметрию векторометрических узлов, балансные сопро тивления выбирают одинаковой длины, как и элементы фильтров.
Так как детекторные обмотки ЖД1'и ' включены параллельно друг другу однополярными выходами, то два верхних детекторных плеча вместе с балла стными сопротивлениями R1 и R3 составляют суммовый векторометрический узел детектора. Векторная сумма напряжений этих плеч выпрямляется дио дом Д1 и фильтруется реостатно-емкостной цепочкой C1-R5. Так как величи на балластных сопротивлений обычно на порядок меньше сопротивления R5 фильтра, то выпрямленная величина векторной суммы напряжений V+опреде ляется выражением:
V+= k v 0(l + cosA(p)0,5/(n20,5) |
(3.12) |
где к — постоянный коэффициент диодного выпрямления, близкий к 1, опре деляемый здесь в основном соответствием величин балластных сопротивле ний и сопротивления фильтра R5
Детекторные обмотки 1¥щ' и FF 7 включены параллельно друг другу разно полярными выводами, поэтому два нижних детекторных плеча вместе с бал ластными сопротивлениями R2 и R4 составляют разностный векторометри ческий узел детектора. Векторная разность напряжения плеч выпрямляется диодом Д2 и фильтруется цепочкой С2-С6.
Выпрямленная величина векторной разности V определяется выражением:
V_= kV0(1 - cosÀ<p)0,5/(w20,5). |
(3.13) |
Выходное напряжение фазового детектора, равное разности потенциалов отрицательных электродов диодов Д1 и Д2, измеряется по току нагрузочной цепи микроамперметром М Это напряжение определяется выражением:
Vm = V +- V |
(3.14) |
Чтобы исключить взаимосвязь оконечных каскадов OKI и ОК2 усилителей фазометра, необходимо выдержать следующее соотношение между коэффи циентом трансформации п, балластным сопротивлением Rp внутренним со противлением R. оконечного каскада и максимально допустимой относитель ной погрешности измерений е,:
и ^ о д д ./а д Г 5 |
(3.14, а) |
Трансформаторная связь детекторных входов с выходами оконечных каска дов усилителей фазометра при настройке в резонанс индуктивности нагрузоч ной обмотки трансформатора детектора обеспечивает режим литейного де тектирования практически во всем рабочем диапазоне измерения фазы — от О
Д О 71.
Параллельное включение обмоток позволяет полностью симметрировать схему фазового детектора, исключая погрешности измерений при колебаниях температуры.
Взаимное влияние выходов оконечных каскадов каналов фазометра, а, сле довательно, погрешности исключаются благодаря применению пониженной трансформации нагрузочной обмотки с детекторными обмотками и балласт ных сопротивлений между параллельно соединяемыми детекторными обмот ками.
В акустических приборах, основанных на фазовых методах, необходимо ис ключить возможность образования стоячих волн. Это может быть частично обеспечено установкой между И и П пластин с акустическим сопротивлени ем, близким к сопротивлению контролируемой жидкости, и с большим затуха нием. Наиболее радикальным средством является снижение отражаемости самих И, П.
Для твердых тел и в ряде случаев для жидкостей нет возможности использо вать акустическое устройство с перемещением Я, например, при сильной аг рессивности жидкости и высоких давлениях. Фазовый метод может быть ис пользован и здесь [7, 27] путем изменения частоты генератора и измерения частот f k, соответствующих минимумам или нулевым [100] показаниям ФЧУ. При фиксировании интервалов, равных п (по нуль-показаниям), расчет
Рис. 3.4. Графики импульсных сигналов, иллюстрирующие импульсно-фазовые методы измерения длины УЗ-волны: а — импульсно-модулированное напряжение генератора; б — схематичная карти на поступления на ПЭ отраженных импульсов; в — взаимодействие электрических импульсов, пре образованных ПЭ из отраженных УЗ-импульсов, с напряжением генератора в паузе излучения при сдвиге фаздруг относительнодруга, равномили кратномл; г —тоже, нопри сдвиге фаз, равномили кратном 2к
стояния между И и О на 7J2. Фиксирование минимумов можно производить при изменении расстояния / между ПП и О, наблюдая напряжение на ПЭ по осциллографу. Измерив несколько (к) расстояний при соответствующих ми нимумах, можно рассчитать скорость по формуле (3.4).
Аналогичные устройства применили также: Ю. Трелин, И. Васильев, В. Ро щупкин [105] для измерения скорости УЗ в расплавах щелочных металлов и
С.Икеда [106].
Вслучаях постоянства I между ПП и О в жидкости и газах, а также для твер дых сред используют модификации импульсно-фазового метода Н. Бражнико ва — Г. Феофанова:
• способ Н. Бражникова [7, 79], по которому в паузе излучения (рис. 3.4, в) четное или нечетное число 7J4 между ПП и О устанавливают регулировкой частоты /УЗ-колебаний;
• способ Л. Меркулова - В. Третьякова [107], по которому в противофазе сравнивают смежные отражения импульсов (имеющих длительность, превы шающую величину 2Нс) в образце исследуемой твердой среды с установлени ем по его длине / нечетного числа четвертей длин волн регулировкой частоты
/
Для двух смежных частот антирезонанса (в противофазе) или частот резо нанса (в фазе) скорость УЗ-колебаний в исследуемой среде [7, 79] определяют по формуле (3.4) при к = 2.
3.4. Фазовые методы исследования скорости ультразвука
Исследования ведутся в режиме бегущей волны с измерением фазы непре рывных несущих колебаний (НК) на частоте/ или фазы (рм огибающей на час тоте F амплитудно-модулированных колебаний (АМК). Зависимость фаз от скорости с распространения УЗ-волны в исследуемой газовой, жидкой или твёрдой среде и времени прохождения через протектор определяется фор мулами Н. Бражникова:
ф = 2л/[2тпр+ (1 + ©с)//с], |
(3.16) |
фм= 2л*12тпр+ (1 + 0 с)//с]. |
(3.17) |
В исследованиях скорости с в узком диапазоне измеряют фазу ср [7, 81,108], а в более широких пределах фазу фм [6, 109-114]. Стабильность частот / и F обеспечивают кварцевой стабилизацией генераторов возбуждающего напря жения частоты / и амплитудной модуляции F
Измерения ведутся с обеспечением режима бегущей волны, например чет- верть-волновым просветляющим слоем [7, 115], имеющим акустический им
педанс |
|
z = (0,8-l,2)(zz/5 |
(3.18) |
где z, гд— акустические импедансы соответственно исследуемой среды и дем пфера ЯЭ в УЗ-излучателе и УЗ-приемнике.
При контроле газообразных сред используется полуволновое покрытие ЯЭ, погруженных в естественную среду, которая будет являться “демпфером” не рабочей поверхности ЯЭ, обеспечивая выполнение условия обеспечения бе гущей волны:
ZA= (0,8-1,2)Z. |
(3.19) |
Фазовый метод НК. На излучающий Я Я от генератора Г стабилизирован ной частоты / непрерывно поступает электрическое синусоидальное напряже ние. Прошедшие путь / в контролируемой среде (от излучающего к приемно-
му ПП) УЗ колебания частоты / в приемном ПП преобразуется в электричес кое напряжение той же частоты и фазы <р, определяемой (3.16). Это напряже ние поступает (рис. 3.5) на вход усилителя У1 фазометра [101], снабженного блоком автоматического регулирования усиления (АРУ), Этот блок (рис. 3.6) регулирует усиление в У1 в зависимости от амплитуды электрического сигна ла приемного Я Д которая при непостоянстве затухания УЗ колебаний в ис следуемых средах может изменяться в десятки раз.
В канал усилителя с узлом АРУ входят: входной канал ВК с источником Есо начального отрицательного смещения, выходной каскад ОК с нагрузочным высокочастотным трансформатором Тр, источник Есо опорного напряжения, диодно-транзисторная схема сравнения выходного напряжения с опорным на пряжением.
Рис. 3.5. Функциональная схема фазового измеренияскорости распространенияультразвуковойволны
Для повышения стабильности и предотвращения возможности самовозбуж дения, усилитель на транзисторе #777, входящий в эту схему, гальванически связан по коллектору с управляющим входом ВК.
Утечкой входного каскада ВК является последовательно соединенные со противления R1 и R2, на которые через конденсатор С1 поступает напряжение принятого сигнала.
Вход схемы трансформаторным путем связан с выходом канала. Схема со стоит из последовательно соединенных управляющей обмотки Wÿ трансформаторно связанной с настроенным нагрузочным контуром входного каскада (состоящим из индуктивности нагрузочной обмотки W№и емкости параллель но включенного с ней конденсатора С2), опорного кремневого стабилитрона Д1, вентильного элемента (диода) Д2 и конденсатора СЗ емкостного фильтра, к которому через сопротивление R3, включен базоэмиттерный вход транзис торного усилителя # # 7 . Начальное отрицательное смещение на управляю щем электроде входного канала ВК создается делителем R4-R2 напряжения отдельного источника Есопостоянного смещения. Усиление ВК при этом авто матически уменьшается до такой величины, при которой высокочастотное на пряжение на Wy и опорное стабильны.
Транзисторный усилитель #Я 1 питается от стабилизированного с помощью кремневого стабилитрона ДЗ напряжения постоянного тока и работает по схе ме с общим эмиттером в ключевом режиме, т.е. при отсутствии сигнала на входе (база - эмиттер) ток коллектора равен нулю. Поэтому до тех пор, пока отрицательные полупериоды высокочастотного напряжения на обмотке Wy не превысят опорное напряжение на стабилитроне Д1, на входной каскад посту пает управляющее отрицательное смещение узла АРУ,
Как только напряжение на обмотке W превысит стабилизированное напря жение постоянного тока, поддерживаемое стабилитроном Д \ , разность этих напряжений в виде импульсов пропускается в зарядный конденсатор СЗ и че рез сопротивление R3 поступает в базу транзистора ЯЯ1. Появляется ток кол лектора, который выходит по цепи: коллектор - шасси - сопротивление R2 утечки входного канала ВК - стабилитрон ДЗ питания ЯЯ1 - эмиттер и повы шает отрицательный потенциал управляющего электрода на Д\.
В фазометре применен способ глубокой регулировки усиления только по входным каскадам приемно-усилительных каналов. Так как здесь напряжение входного сигнала сравнительно невелико (порядка десятков мВ), то и незначи тельны фазовые искажения, обусловленные нелинейностью динамической характеристики управляемого усилительного каскада.
Для того, чтобы обеспечить высокую глубину регулировки усиления только по одному каскаду усилительного канала, уменьшить воздействие зоны не чувствительности узла АРУ, и тем самым повысить стабильность фазометра,