книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

пространяется в стенке по вертикали. Этот импульс имеет постепенно убыва­ ющую с расстоянием амплитуду и, достигнув ЗП 5, трансформируется в нем в УЗ-импульс 26 продольных колебаний, который имеет максимальную ампли­ туду р ]при наличии воздуха на сигнализирующем уровне Я и меньшую в 3-5 раз амплитуду р ' при наличии жидкости или твердой фазы на уровне Я 0.

Кроме того, импульс волны поперечных УЗ-колебаний, образованный в стенке 3 излученным импульсом 25, частично вводится в среду, находящуюся в тру­ бопроводе в данной зоне (воздух, жидкость или твердая фаза в жидкости) в виде импульса 27 продольных колебаний с соответствующим преломлением.

Многократное отражение импульсов в стенке при распространении к ЗП 5 также частично вводится внутрь трубопровода в виде импульсов 27', последо­ вательность продольных колебаний которых достигает противоположной стен­ ки 8 трубопровода и при вводе в нее трансформируется в импульсы сдвиговых колебаний. В ЗП 7 они преломляются в импульс продольных колебаний 28, поступающий в П 6. Импульс 28 имеет максимальную амплитуду р2при нали­ чии жидкости 21 на контролируемом уровне Яо и минимальную р2 (ослаблен­ ную в сотни раз) амплитуду в случае нахождения воздуха или твердой фазы на уровне Я0. УЗ-импульсы 26 и 28, поступившие в Я-ки 4 и 6, преобразуются ими в ЭС 29 и 30, напряжение которых пропорционально амплитуде принято­ го импульса.

Таким образом, изменения параметров УЗ-поля, пересекаемого потоком КС, регистрируются раздельными УЗ-приемниками 4 и 6 в двух зонах: в стенке 3 трубопровода со стороны И, возбуждающего акустическое поле, и в стенке 8 с противоположной стороны. При этом электрический сигнал 29 П 4 импульса 26 имеет три убывающих амплитудных уровня, соответствующих наличию в УЗ-поле воздуха, жидкости или твердой фазы в жидкости, а ЭС 30 П 6 импуль­ са 28 имеет три возрастающих амплитудных уровня, также соответствующих наличию в УЗ-поле воздуха, жидкости или твердой фазы в жидкости.

Импульсный сигнал 29 П 4 поступает на вход усилителя 15 усилительно­ преобразовательного блока 10, где он усиливается в К]раз по амплитуде. При этом запуск формирователя 14 осуществляется импульсом 31, задержанным относительно возбуждающего импульса 32 на величину времени распростра­ нения УЗ-импульса 26. Сформированный стробоимпульс 32, имеющий рав­ ную с сигналом 29 длительность, подается на управляемый вход усилителя. В последнем производится селекция выходного сигнала 33, имеющего напряже­ ние eA’jPj (е — коэффициент преобразования давления УЗ-импульса Я в ЭС) от импульсных помех. Усиленный сигнал 33 подается в формирователь 16, который имеет порог формирования £ н1, превышающий амплитуду минимума этого сигнала (рис. 7.5), соответствующего наличию на уровне Я о жидкости или твердой фазы (когда амплитуда УЗ-импульса 26 равна Р,).

Благодаря пороговой отсечке в блоке 16 формируется нормированный ЭС 34 типа 1, если на уровне # 0 находится воздух и нуль-сигнал (0) при наличии жидкости или твердой фазы. Этот ЭС подается на 1-й вход диагностического блока 72, где он включает 1-е реле сигнализации наличия воздуха на уровне

# 0. Одновременно загорается 1-я индикаторная лампа В (воздух) на табло 39 блока, и подается сигнал в систему управления.

Импульсный сигнал 30 П 6 поступает на вход усилителя 19 усилительно­ преобразовательного блока 77, который функционирует аналогично блоку 10

— с запуском формирователя 18 задержанным импульсом и подачей стробимпульса 36 на управляемый вход усилителя 19. Селектированный от помех им­ пульс 37 с напряжением sK2P2подается в формирователь 20, имеющий порог формирования Е1й(рис. 7.5), превышающий минимальную амплитуду сигнала 37 в момент нахождения твердой фазы или воздуха на уровне HQ.Благодаря пороговой отсечке в блоке 20 формируется нормированный сигнал 38: 1 — жидкость (Ж), 0 — воздух или твердая фаза (Т). Этот сигнал подается на -2-й вход диагностического блока 72, где он включает 2-е реле сигнализации нали­ чия жидкости на уровне Н0. Одновременно на табло 39 загорается 2-я индика­ торная лампочка с индексом Ж . Третья индикаторная лампочка с индексом Т загорается при отключенном состоянии обоих реле, т.е. когда нормированные сигналы 34 и 38 имеют амплитуду 0. С выхода блока 72 выдается в систему автоматики управляющий сигнал 40 наличия ТФ на уровне ее индикации, при­ водящей к отключению трубчатого питателя гидрозакладочного комплекса.

Рис. 8.1. Функциональная схема высокочастотного контактного УЗ-импульсного толщиномераУЗИТ

Принцип действия созданного Н. Бражниковым в 1966 г. прибора на базе СПП и импульсного измерителя скорости УЗК-1Э (п. 5.1.3), заключается в следующем. С блокинг-генератора ГСИвырабатываемые им импульсы 1(эпюра 1, рис. 8.2) синхроселекции длительностью 0,4 мкс с периодичностью 1 мс поступают на вход импульсного генератора ГИ и управляющий вход селек­ торного усилителя СУ. Под воздействием импульсов 1в ГИформируются двухполуцикловые импульсы 2 общей длительностью 130 нс, поступающие на пусковой вход триггера Т и на вход усилителя мощности УМ, соединенного с СПП. Жестко демпфированный ПЭ диаметром 5 мм в СПП возбуждается ЭИ УМ, по форме повторяющим импульс 2 (эпюра 2) на частоте 8 МГц и излучает через тонкий протектор в КС короткий УЗ-импульс из трех полуциклов коле­ баний (в сравнении с возбуждением излучение удлиняется на полуцикл).

Внутри КС излученный импульс испытывает ряд отражений от противопо­ ложной вводу поверхности КС (граничащей с воздухом) и от поверхности, акустически контактирующей с СПП. Модуль коэффициента отражения от воздуха равен 1. Для рассматриваемого толщиномера материалом КС являют­ ся цветные металлы и сплавы, АИм которых одного порядка с АИм демпфиро­ ванного ПЭ со стальным протектором (толщиной 50 мкм). Поэтому коэффи­ циент отражения УЗ-импульса от СПП менее 0,5 и УЗ-отражения имеют резко убывающий характер.

Поступившие в СПП из КС 1 «-отраженные УЗ-импульсы (и — число отра­ жений) преобразуются ПЭ в СПП в ЭИ, поступающие в амплитудный ограни­ читель АО. Последовательность этих (удлиненных ПЭ при приеме еще на по­ луцикл по сравнению с излучением) импульсов (Ar А2,..., AJ на выходе АО приведена на эпюре 3 (см. рис. 8.2).

Вместе с ними на выход АО проходит также начальный импульс А0, пред­ ставляющий собой ограниченный по амплитуде импульс электрического воз­ буждения с «продолжением» в виде короткого ВЧ-импульса пьезореакции ПЭ на электрическое возбуждение видеоимпульсом 2. Длительность и амплитуда пьезореакции обратно пропорциональны степени демпфирования ПЭ. В раз-

работанном толщиномере длительность начального импульса Аона амплитуд­ ном уровне 0,1 Aj составляет менее 400 нс.

В СУ (входом соединенным с АО), под воздействием селектирующего им­ пульса 1, имеющего длительность 400 нс, начальный импульс А0блокируется и на выход СУ (эпюра 4) не поступает. Выходной сигнал СУ представляет собой видеоимпульс 4 с крупным передним фронтом, соответствующим нача­ лу 2-го полуцикла (отрицательного на эпюре 3) первого эхо-сигнала Ау Зад­ ний фронт выходного сигнала 4 имеет экспоненциальный спад до нулевого потенциала. Выходной сигнал 4 поступает на пусковой вход ждущего ВТ, ко­ торый вырабатывает прямоугольный импульс 5 длительностью 100 мкс. По переднему фронту этого импульса в ФК вырабатывается нормированный им­ пульс 6, поступающий на стопный вход триггера Г. Под воздействием импуль­ са 6 триггер переводится в исходное состояние и на его выходе (эпюра 7) об­ разуется информативный прямоугольный импульс 7 длительностью

8.1.2. Метод ультразвуковой эхолокации без мертвой зоны

Обычные методы импульсного УЗ-контроля толщин обладают существен­ ным недостатком — наличием мертвой зоны измерений, из-за чего не обеспе­ чивают контроля толщин, меньше четверти длины волны УЗ-колебаний. Этих недостатков лишен метод Н. Бражникова [364-365], позволяющий обеспечить автоматическое измерение малых толщин КС, т.е. <АУ4 УЗ-волны. Сущность его следующая. Слабо демпфированный СПП создается электрическим ви­ деоимпульсом прямоугольной формы (рис. 8.3, а) длительностью, равной полуциклу резонансных колебаний ПП. Возбуждаясь на резонансной частоте^ ПВР, ПП излучает в КС короткий УЗ-импульс быстро затухающих колебаний. На графике рис. 8.3, б показана импульсная диаграмма свободных колебаний ненагруженного СПП. Так как при этом одной из границ является воздух, аку­ стическое сопротивление которого много меньше акустического сопротивле-

Рис. 8.3. Импульсные диаграммы метода измерений тол­ щины без мертвой зоны

ния материала ПП, то УЗ-импульс имеет по­ лярность, противоположную возбуждающему импульсу. Начало этого импульса пьезореак­ ции СПП показано на рис. 8.3, б пунктиром. Условно этот импульс можно считать отраже­ нием при h =О КС. За начало отсчета времен­ ных интервалов принимается момент 1-го перехода 2-го цикла колебаний через нуль с малой задержкой тз (рис. 8.3, б), раскрытой в (8.2). Следовательно, начало отсчета произ­ водится по 3-му 72-циклу «нулевого отраже­ ния», имеющему полярность, противополож­ ную возбуждающему импульсу. Временная отметка (рис. 8.3, в), соответствующая нача­ лу отсчета в режиме измерений, фиксируется ЗУ. Фиксация может, в случаи необходимос­ ти, для обеспечения требуемой точности пе­ риодически контролироваться при снятой аку­ стической нагрузке установкой шкалы изме­ рительного устройства на нуль показаний

путем подстройки ЗУ. В режиме измерений амплитуда начального импульса «нулевого отражения» уменьшается вследствие нагрузки СПП на КС. Если толщина среды h » X (длины волны), то импульс, отраженный от противопо­ ложной стороны среды и поступающий на СПП через интервал 2/г/с, отделен от начального импульса и не интерферирует с ним. Через промежуток време­ ни 4hic с начала излучения СПП принимает 2-е отражение от противополож­ ной стороны. Период возбуждения импульсами генератора (рис. 8.3, а) уста­ навливается много булыпим максимального времени распространения импуль­ са в КС для того, чтобы в течение периода произошло полное затухание мно­ гократных отражений.

При контроле сред малой толщины импульсы, отраженные от противопо­ ложной стороны, не разделены во времени друг относительно друга и по отно­ шению к начальному импульса. При этом происходит их интерференция с воз­ никновением на СПП результирующего импульса. Форма, амплитуда и нуле­ вые фазовые переходы результирующего импульса определяются в основном импульсом 1-го отражения от противоположной стороны КС, причем наимень­ шим изменениям подвержен нулевой фазовый переход 2-го цикла колебаний

УЗ-импульса 1-го отражения, несущего информацию о контролируемой тол­ щине.

На рис. 8.3, г приведена диаграмма результирующего импульса для толщи­ ны среды, равной АУ8. Из диаграммы видно, что временной интервал между моментами нулевого фазового перехода 2-ой волны начального импульса, за­ фиксированным (рис. 8.3, в) ЗУ, и моментом нулевого фазового перехода 2-ой волны отраженного импульса составляет 2hic. При h = Х/8 этот интервал со­ ставляет четверть периода УЗ-колебаний, равную 0,25If.

Диаграмма для толщины среды, составляющей Х/4, приведена на рис. 8.3, д. Здесь также временной интервал между началом отсчета, зафиксированный ЗУ, и нулевым переходом 2-ой волны отраженного импульса равен 2h!с. При h = À/4 он составляет 72периода УЗ-колебаний, равную 0,5If Аналогичны им­ пульсные диаграммы и соотношения между указанным интервалом и контро­ лируемой толщиной, как и для других значений толщин во всем непрерывном диапазоне от нуля до 74длины УЗ-волны. Измерение этого временного интер­ вала, произведенное каким-либо способом, например триггерным, дает одно­ значный результат для контроля малых толщин КС практически без какихлибо ограничений по минимуму.

8.1.3. Эхо-импульсные толщиномеры без мертвой зоны

Схема толщиномера УИТ-Т9 без мертвой зоны, разработанного СКБ ЦМА и ТНА в 1967 г. [365-373] по вышеописанному методу Н. Бражникова [364], приведена на рис. 8.4. Принцип его действия следующий.

Прямоугольные импульсы генератора 1 длительностью, равной полуциклу УЗ-колебаний 0,2 мкс (рис. 8.3 а \ через УМ2 поступают на акустический СПП 3, который излучает импульс УЗ-колебаний в КС 4. Эхоимпульс, отраженный от противоположной грани КС, принимается головкой 3 и преобразуется в ко­ роткий ВЧ-импульс электрического напряжения, поступающий на вход при­ емно-усилительного блока 5. Одновременно с возбуждением головки 3 им­ пульс блока 2 подается на стартовый вход БИПИ, которым служит триггер 6. В блоке 5 с временной задержкой относительно начала эхоимпульса, близкой к периоду УЗ-колебаний, формируется импульс, который поступает на стопный вход триггера 6. Последний вырабатывает прямоугольные импульсы напряже­ ния длительностью, определяемой выражением (8.1), где время задержки в

где тз = 0,57c"1/ " 1arcsin(F0/F3), VQи V3— напряжения отсечки формирователя в блоке 5 и 3-го полуцикла эхо-сигнала. Импульсы триггера поступают в интег- раторно-запоминающий блок 7. В нем производится преобразование импуль­ сов в напряжение, амплитуда которого пропорциональна их длительности, и компенсируется временная задержка блока 5, что обеспечивает линейность шкалы РП 8.

Вход блока 5 выполнен в виде подключенной параллельно головке 3 емкос­ тно-резисторной цепи 9 и 10 и диодно-резисторного ограничителя 11 и 12, осуществляющего блокирование возбуждаемого генератором прямоугольно­ го импульса. Благодаря наличию цепи 9 и 10 действительный нулевой уровень ограничения сдвинут на зависящую от времени пробега эхо-сигнала величи­ ну, которая минимальна в дальней и максимальна в ближней зонах измерений, что обеспечивает равномерную временную задержку в формировании пуско­ вого импульса.

Ограниченный по нуль-уровню эхо-сигнал через разделительный конденса­ тор 13 поступает на базо-эмиттерный переход транзистора 14 входного усили­ тельного каскада блока 5. К этому переходу подключена резистивная цепь 15 и 16 отсечки V01-го и пропускания 3-го полуцикла V3ограниченного по нульуровню эхоимпульса. После соответствующего усиления передним фронтом F3 формируется стопный импульс для Трг. Для повышения стабильности фор­ мирования междукаскадное соединение в приемно-усилительном блоке про­ изводится посредством Тр 17 с инверсным включением.

Технические характеристики прибора УИТ-Т9 следующие: