литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 15. Преобразователи для неразрушающего контроля

Рис. 15.10. УЗ поле поршневого пьезопреобразователя: а— распределение давления вдоль акустической оси преобразователя; б — общая картина поля; сплошная кривая — непрерывный режим работы излучателя; штриховая — импульсный

Граница ближней зоны определяется выражением

В дальней зоне преобразователя амплитуда акустического давления монотонно уменьшается с увеличением z (см. рис. 15.9 и 15.10, а).

Распределение поля в дальней зоне характеризуют с помощью понятия диаграммы направленности

где J1 — функция Бесселя 1-го порядка.

Пример диаграммы направленности в полярных и декартовых координатах представлен на рис. 15.11 и 15.12.

На перечисленные выше основные характеристики пьезопреобразователей оказывают влияние различные факторы. Наибольшее значение среди них имеют параметры пьезоматериала, из которого изготовляется пьезоэлемент. Эти параметры влияют на коэффициент электромеханического преобразования и на АЧХ пьезопреобразователей (см. гл. 9).

15.11. Пьезоэлектрические преобразователи для неразрушающего контроля

Резонансные объемные пьезопреобразователи

До настоящего момента рассматривались пьезопреобразователи, имеющие широкий непрерывный спектр рабочих частот, позволяющие излучать и принимать короткие УЗ импульсы.

В подавляющем большинстве современных УЗ приборов используются резонансные (объемные) пьезопреобразователи (ОП), эффективно работающие лишь на основной собственной частоте. Такие преобразователи имеют большой коэффициент электромеханического преобразования и обеспечивают очень высокое отношение сигнал/помеха (около 100 дБ), в то время как у лучших типов широкополосных преобразователей это отношение не превышает 50 дБ. Часто возникает необходимость в применении ОП на высоких частотах в диапазоне 20—50 МГц. Такие ОП отечественная промышленность серийно не выпускает. В принципе для этой цели можно использовать низкочастотные ОП (на 2—5 МГц) при их работе на высших гармониках, однако такая работа крайне неэффективна: амплитуда сигналов на гармониках по сравнению с амплитудой сигнала на основной собственной частоте убывает примерно обратно пропорционально номеру гармоники и даже быстрее. Поэтому такой режим работы ОП не нашел применения на практике [10—14, 25].

Если при работе ОП в режиме приема УЗ волн в качестве выходного сигнала снимать с преобразователя электрический ток, а не напряжение, как обычно, то амплитуда сигнала на гармониках (без учета частотно зависимого затухания) будет равна амплитуде сигнала на основной собственной частоте. Следовательно, такой способ работы значительно расширяет диапазон и спектр рабочих частот ОП и позволяет решить проблему создания высокочастотных преобразователей без использования очень тонких пьезопластин.

Стремление еще больше расширить диапазон и спектр рабочих частот ОП при одновременном сохранении всех их достоинств привело к созданию поверхностно возбуждаемых объемных пьезопреобразователей (ПВОП). Эти преобразователи могут эффективно работать на основной собственной частоте и на четных и нечетных гармониках, т.е. по сравнению с ОП число их фиксированных рабочих частот расширяется вдвое.

Кроме того, при механическом демпфировании таких преобразователей их АЧХ гораздо более равномерна, чем АЧХ ОП, следовательно, ПВОП являются более широкополосными преобразователями. Наконец, такие преобразователи интересны еще и тем, что они, как и поверхностно возбуждаемые толстые пьезопреобразователи (ПВТП), формируют узкие, слаборасходящиеся УЗ пучки.

нических волн и формировании излученных и принятых УЗ радиоимпульсов, так как в процессе излучения или приема

деформируется весь объем преобразователя (см. также гл.9).

15.11. Пьезоэлектрические преобразователи для неразрушающего контроля

мерно поляризованных поверхностно возбуждаемых толстых пьезопреобразователей (НПВТП), путем сравнения характеристик ПВОП, склеенного из двух частей, и ПВОП, выполненного на монолитном пьезоэлементе.

Результаты исследований таких преобразователей приведены в [10—14, 25].

Нерезонансное возбуждение пьезоэлементов

В работе [13] сформулированы два основных условия, при которых принципиально возможно создание широкополосного апериодического пьезопреобразователя продольных УЗ волн. Во-первых, в объеме пьезоэлемента должно существовать только одно его сечение (оно в частном случае может совпадать и с его поверхностью), в котором претерпевают достаточно резкий скачок или напряженность возбуждающего электрического поля, или уровень пьезоактивности (d33), или и то и другое одновременно. Во-вторых, пьезоэлемент должен иметь такую форму или размеры, при которых в нем будет исключено возникновение стоячих волн, генерируемых в рабочем сечении или на рабочей поверхности.

Эти два принципа обеспечивают широкополосность и апериодичность пьезопреобразователя в режимах излучения и приема. Но кроме них существует еще один (третий и последний) принцип, который необходимо учитывать в режиме приема. Только импульсы выходного электрического тока (а не напряжения), снимаемого с пьезопреобразователя при его работе в режиме приема, повторяют по форме и длительности импульсы акустического давления, воздействующего на преобразователь. Следовательно, при работе с широкополосным пьезоприемником необходимо использовать усилитель тока с малым (порядка единиц Ом) входным сопротивлением. Такой усилитель практически обеспечивает режим короткого замыкания преобразователя при приеме УЗ импульсов, в результате чего с преобразователя снимаются импульсы тока, повторяющие по форме приходящие акустические сигналы, в то время как импульсы электрического напряжения определяются интегралом по времени от импульсов УЗ давления [13].

При работе пьезоэлемента в режимах излучения и приема электромеханическое преобразование происходит в основном в тонком слое пьезовещества. Объем же пьезоэлемента при этом в значительной степени пассивен и является лишь волноводом — средой, в которой распространяются УЗ волны [13].

К первому типу широкополосных апериодических преобразователей УЗ волн относят неравномерно поляризованные толстые пьезопреобразователи (НТП), отличающиеся от обычных толстых пьезопреобразователей (ТП) тем, что степень поляризации плавно убывает в их объеме от максимального значения у передней поверхности (излучающей в полезную акустическую нагрузку) до нуля у противоположной (задней) поверхности.

Электромеханическое преобразование в них происходит в основном на одной поверхности пьезоэлемента.

Неравномерная поляризация в НТП достигается частичной деполяризацией стандартных равномерно поляризованных пьезоэлементов в результате кратковременного нагревания части их объема до температуры, превышающей точку Кюри пьезокерамики (см. авт. св. 381021, СССР).

Глава 15. Преобразователи для неразрушающего контроля

В практике УЗ контроля представляет интерес НТП с твердотельной УЛЗ (рис. 5.16, а) между передней поверхностью пьезоэлемента и внешней средой (контролируемым изделием), в которую он излучает УЗ волны.

Рис. 15.16. Различные типы НТП: а — с УЛЗ; б — график изменения в нем степени поляризации; в — НТП, в котором УЛЗ служит тело пьезоэлемента; г — график изменения в нем степени поляризации

Конструкция НТП, показанная на рис. 5.16, а, значительно сложнее показанной на рис. 5.16, в. Однако вторая конструкция, где роль УЛЗ играет само тело пьезоэлемента, поляризованного так, как показано на рис. 5.16, г, практически пригодна лишь в тех случаях, когда требуется небольшое (1—2 мкс) время задержки.

Ко второму типу широкополосных апериодических УЗ преобразователей относят пьезоэлектрические преобразователи, в которых пьезоэлемент возбуждается неоднородным электрическим полем (Авт. св. №№ 539265, 590662, 595880, 658408, 658469, СССР), создаваемым, например, планарными электродами, расположенными на одной из его поверхностей, у которой пьезоэлектрические свойства претерпевают разрыв.

Впервые подобный метод возбуждения УЗ волн, предложенный еще в 1948 г. С.Я. Соколовым и Г.Е. Грачевым, был использован для генерирования гиперзвука в образцах пьезоэлектрического кварца и для создания монолитной твердотельной УЛЗ. В описываемой разновидности толстых пьезопреобразователей УЗ волны в режиме излучения возбуждаются в основном только у одной поверхности. С этой же поверхности с помощью расположенных на ней электродов снимаются электрические заряды максимальной величины, генерируемые на ней в режиме приема УЗ волн. Этот тип преобразователей назван [13] поверхностно возбуждаемыми толстыми пьезопреобразователями (ПВТП).

Рассмотрим подробнее работу ПВТП в сравнении с обычным ТП тех же размеров. Если ТП (рис. 15.17) возбудить по электродам 2, 3 коротким электрическим импульсом, то у каждой из его поверхностей возникнут короткие УЗ импульсы. Они будут распространяться в объеме между основаниями ТП, попеременно отражаясь от них и постепенно за-

15.11. Пьезоэлектрические преобразователи для неразрушающего контроля

на рис. 15.20 [13]. Конструкция этого преобразователя представляет собой монолитный блок из пьезокерамики. Форма его такова, что напротив возжженного серебряного электрода 1, расположенного на его передней (излучающей в полезную нагрузку) поверхности, имеется акустическая ловушка 3 в виде ко-

Глава 15. Преобразователи для неразрушающего контроля

нуса. Второй электрод 2 расположен на задней (не излучающей в полезную нагрузку) поверхности.

При возбуждении преобразователя по электродам 1 и 2 около них возникают продольные УЗ волны. Часть энергии УЗ волн, возникших у электрода 1, уходит в полезную акустическую нагрузку преобразователя (вниз на рис. 15.20), другая часть, распространяясь внутрь пьезоэлемента, попадает в акустическую ловушку 3 и затухает в ней. УЗ волны, возникшие у электрода 2, распространяются внутрь преобразователя и, отразившись от наклонной кромки вокруг электрода 1, также уходят в акустическую ловушку, не попадая на переднюю поверхность пьезоэлемента.

Информацию о серийно выпускаемых дефектоскопах можно найти, например, в [29—34].

Литература

1.Бобренко В.М., Куценко А.Н., Малахов В.П. Акустический контроль механических напряжений. — Одесса: Астропринт, 1997. — 272 с.

2.Боровиков А.С., Прохоренко А.П., Дежкунов Н.В. Физические основы и средства капиллярной дефектоскопии. — Минск: Наука и техника, 1983. — 256 с.

3.Викторов И.А. Ультразвуковые поверхностные волны в твердых телах. — М.: Наука, 1981. — 288 с.

4.Вопилкин А.Х., Ермолов И.Н., Стасеев В.Г. Спектральный ультразвуковой метод определения характера дефектов. — М.: Машиностроение, 1979. — 60 с.

5.Выборнов Б.И. Ультразвуковая дефектоскопия. — М.: Металлургия, 1974. — 240 с.

6.Голубев Б.П. Дозиметрия и защита от ионизирующих излучений. — М.: Атомиздат, 19776. — 504 с.

7.Гурвич А.К., Ермолов И.Н. Ультразвуковой контроль сварных швов. — Киев: Техника, 1972. — 460 с.

8. Дефектоскопия деталей при эксплуатации авиационной техники / Под ред. П.И. Беды. — М.: Воениздат, 1978. — 231 с.

9.Домаркас В.И., Кажис Р.-Й.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. — Вильнюс: Минтис, 1975. — 258 с.

10.Ермолов И.Н., Останин Ю.Я. Методы и средства неразрушающего контроля качества. — М.: Высшая школа, 1988. — 368 с.

11.Ермолов И.Н. Теория и практика ультразвукового контроля. — М.: Машиностроение, 1981. — 240 с.

12.Королев М.В. и др. Ультразвуковые импульсные приборы контроля прочности материалов. — М.: Машиностроение, 1987. — 112 с.

13.Королев М.В., Карпельсон А.Е. Широкополосные ультразвуковые пьезопреобразователи. — М.: Машиностроение, 1982. — 160 с.

14.Королев М.В. Эхо-импульсные ультразвуковые толщиномеры. — М.: Машиностроение, 1980. — 112 с.

15.Ланге Ю.В. Акустические низкочастотные методы неразрушающего контроля многослойных конструкций. — М.: Машиностроение, 1991.

16.Ланис В.А., Левина Л.Е. Техника вакуумных испытаний. — Л.: Госэнергоиздат, 1963. — 311 с.

17.Методы акустического контроля металлов / Под ред. Н.П. Алешина. — М.: Машиностроение, 1989. — 456 с.

Литература

18.Методы дефектоскопи и сварных соединений/ Под ред. В.Г. Щербинского. — М.: Машиностроение, 1987. — 360 с.

19.Неразрушающий контроль металлов и изделий: Справочник / Под ред. Г.С. Самойловича.— М.: Машиностроение, 1976. — 512 с.

20.Поляков В.Е., Потапов А.И., Сборовский А.К. Ультразвуковой контроль качества конструкций. — Л.: Судостроение, 1978. — 238 с.

21.Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник. В 2 кн. / Под ред. В.В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1986. — Кн. 2. — 352 с.

22.А.Н. Майоров, С.В. Миликянц, Л.И. Косарев и др. Радиоизотопная дефектоскопия (методы и аппаратура). — М.: Атомиздат, 1976. — 208 с.

23.Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. / Под ред. В.В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1980.

24.Румянцев С.В., Добромыслов В.А., Борисов О.И. Типовые методики радиационной дефектоскопии и защиты. — М.: Атомиздат, 1979. — 200 с.

25.Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля / Под ред. И.Н. Ермолова. — М., Машиностроение, 1986, 280 с.

26.Шарапов В.М., Мусиенко М.П., Шарапова Е.В. Пьезоэлектрические датчики / Под ред. В.М. Шарапова. — Москва: Техносфера, 2006. — 632 с.

27.Шкарлет Ю.М. Бесконтактные методы ультразвукового контроля. — М.: Машиностроение, 1974. — 56 с.

28.Шрайбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. — М.: Металлургия, 1965. — 392 с.

29.www.kropus.ru

30.www.encotes.ru

31.www.psb-gals.ru

32.www.pgpribor.ru

33.www.altek.info

34.www.diagnost.ru

ГЛАВА 16

ДАТЧИКИ

ГАЗОАНАЛИЗАТОРОВ

Газоанализаторы — приборы для определения (измерения) качественного и количественного состава газовой смеси, в частности, воздуха [1, 3, 4, 7, 9, 15, 17, 18].

Для построения газоанализаторов используются различные физические и физико-химические эффекты, что отражается на их классификации (рис. 16.1).

Рис. 16.1. Классификация газоанализаторов

Широкий спектр физических явлений, используемых при создании газоаналитических приборов, обуславливает большое разнообразие принципов действия и конструкций газоанализаторов.

Выбор физической величины или явления очень важен для повышения избирательности метода и исключения влияния неизмеряемых компонентов. Неспецифические физические свойства (вязкость, показатель преломления, диффузия и др.) можно использовать, строго говоря, для анализа лишь бинарных газовых смесей, что редко встречается в промышленных технологиях.

Не всегда удается решить вопросы, связанные с созданием и хранением образцовых эталонов, поверкой и градуировкой газоанализаторов, отбором и подготовкой к анализу представительной пробы.

Значителен и диапазон измерения доли анализируемого компонента — от микроконцентраций до 100%. При этом исследуемая газовая смесь в зависимости от специфики технологического процесса может находиться в условиях значительного разряжения или, наоборот высокого избыточного давления, при низких или очень высоких температурах.

16.1. Тепловые газоанализаторы

Следует отметить, что в газовом анализе преобразователи информации о концентрации компонентов газовой смеси называют обычно «газоанализаторами», реже — детекторами или датчиками.

16.1. Тепловые газоанализаторы

Различия в тепловых свойствах газов используются при создании газоанализаторов. Эти различия проявляются через изменение теплопроводности газовой смеси (термокондуктометрические газоанализаторы) и через полезный тепловой эффект химической реакции анализируемого компонента (термохимические газоанализаторы) [4, 7, 9, 15].

Термокондуктометрические газоанализаторы, основанные на измерении теплопроводности газовой смеси

Известно, что количество тепла Q, проходящее по оси l за единицу време-

5ς

ни через площадь S, под действием градиента температуры 5l в стационарном режиме определяется выражением:

где — коэффициент теплопроводности газа.

Теплопроводность пропорциональна произведению длины свободного пробега молекул (от соударения до соударения) на их число в единице объема. Поэтому практически не зависит от изменения давления до тех пор, пока длина свободного пробега не становится соизмеримой с размерами сосуда, в котором находится газ.

Однако теплопроводность зависит от температуры, т.е. кинетической энергии молекул газа. Эта зависимость с достаточной для практических целей точностью определяется формулой:

где ς и 0 — теплопроводности газов при температуре ς и ς0 , соответственно; % — температурный коэффициент теплопроводности; ς ς ς0 .

Это явление, как будет показано ниже, также используется для построения термокондуктометрических газоанализаторов.

В табл. 16.1 приведены значения и % (в пределах изменения ς от 0 до 100 °C), а также отношения теплопроводностей указанных газов к воздуха при 0 и 100 °C

Для перевода в СИ достаточно умножить приведенные в табл. 16.1 значе-

Вт ния теплопроводностей на 419 и получить коэффициенты в единицах м / К.

Из таблицы следует, что для бинарных газовых смесей измерение их состава с использованием метода теплопроводности, называемого также катарометрическим методом, весьма перспективно. Это относится и к псевдобинарным смесям, в которых анализируемый компонент значительно отличается по теп-