книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdf
нала на период УЗ-колебаний. Это осуществляется запуском формирователя от 3-го полуцикла несущей УЗ-импульса, который не интерферирует с импуль сом возбуждения.
Сформированный импульс поступает на один из входов время-измеритель- ного блока, на второй вход которого поступает с генератора опорный импульс. Время-измерительный блок создает прямоугольные импульсы длительностью, равной времени распространения УЗ в КС и пропорциональной его толщине. Сформированные импульсы преобразуются в напряжение постоянного тока, пропорциональное контролируемой толщине и поступающее в регистрирую щий блок, в качестве которого используется микроамперметр 5 типа Ml 731А со световой индикацией.
Акустический контакт ПП с поверхностью КС осуществляется через тонкий слой контактной жидкости, в качестве которой при чистоте обработки С6 и выше используется трансформаторное масло, а при худшей чистоте поверхно сти - глицерин. В приборе предусмотрен регулятор 3 шкалы в зависимости от материала КС (сталь, Ti, Al, Си и др.) Прибор обеспечивает контроль листово го и полосового металлопроката и стенок резервуаров и труб диаметром более 100 мм.
Техническая характеристика прибора УЗИТ-1 следующая:
Частота УЗ-колебаний, МГц............................................. |
2 |
Частота повторения УЗ-импульсов, кГц........................ |
1 |
Диапазон измеряемых толщин, мм.................................. |
0-5, 0-10, 0-20, 0-50 |
Точность измерения, %..................................................... |
0,5 |
Время единичного замера, с не более.............................. |
3 |
Потребляемая мощность от блока питания, Вт.............. |
0,6 |
Габаритные размеры, мм.................................................. |
140x200x320 |
Масса, кг............................................................................ |
4,5 |
8.1.4. Контактный толщиномер с совмещенным апериодическим пьезопреобразователем
Основной фактор влияния мертвой зоны в измерениях толщины твердого слоя (см. п. 8.1.1) — начальный импульс СПП. Его длительность, определяю щая протяженность мертвой зоны (в мм) уменьшается с увеличением частоты УЗ-колебаний и достигает минимума при равенстве АИм демпфера и ПЭ в СПП. Однако и на высоких (8 МГц) частотах УЗ-колебаний удается умень шить длительность начального импульса А0(эпюра 3 рис. 8.2) лишь до т0 = = 0,4 мкс из-за невозможности устранения реакции ПЭ на электрическое воз буждение его импульсом генератора ГИ (рис. 8.1). Такой минимальной дли тельности т0 соответствует мертвая зона
составляющая, например для стали, величину 1 мм.
Исключение влияния начального импульса и существенное сокращение мер твой зоны в толщиномерах В. Королева [37,377-380] достигнуто им примене нием апериодического СПП собственной разработки и стержневого протекто ра, ранее предложенного Г. Мак-Скимином [71] для эхолокации твердых сред.
Общий вид СПП показан на рис. 8.6. Он состоит из латунного корпуса 1, в который ввинчен стержневой протектор 2, физически представляющий собой УЗ-линию задержки. Протектор выполнен из магниевого сплава MAI7, пред назначенного специально для широкополосных (до 100-150 МГц) линий за держки. К левому торцу линии 2 (рис. 8.6) эпоксидной смолой приклеен тол стый ПЭ 3, к которому с другой стороны приклеен демпфер 4, выполненный из латуни марки ЛС-59-1.
Узел, состоящий из линии задержки (протектор 2), ПЭ 3 и демпфера 4, узел, состоящий из линии задержки (протектор 2), ПЭ 3 и демпфера 4, стянут изоля ционной капролоновой втулкой 5, через которую корпус ПП дополнительно, при ввинчивании в него протектора 2, стягивает между собой латунный стер жень 4 демпфера, ПЭ и протектор, фиксируя полученную при помощи втулки 5 степень сжатия ПЭ. К левому торцу латунного демпфера 4 припаян гнездо вой контакт 6. После сборки ПП для повышения механической прочности кон струкции все полости внутри корпуса и втулки 5 заливаются эпоксидным кле ем 7, им же фиксируется центральное, относительно отверстия в левом конце корпуса, положение гнездового контакта б, который вместе с левой частью корпуса образует коаксиальный ВЧ-разъем.
Особенность ПП в том, что ПЭ с тыльной стороны граничит с демпфером из латуни ЛС-59-1 с АИм, равным АИм керамики (ЦТС-19) ПЭ. Это позволило сократить до нуля коэффициент отражения импульса УЗ-колебаний, излучен ных рабочей поверхностью ПЭ (правой на рис. 8.6). Поскольку плоская повер хность латунного демпфера, противоположная ПЭ, является хорошим отра жателем акустических импульсов, излучаемых в него ЯЭ, то спустя интервал
Рис. 8.6. Общий вид конструкции контактного апериодического П П
времени (тд+ тго) после возбуждения ПЭ (хд— удвоенное время пробега акус тического импульса по латунному стержню, %т — тоже, вдоль ПЭ) этот им пульс вновь появится у излучающей поверхности ПЭ, примыкающей к про тектору 2, и даст соответствующий ЭИ на вход усилителя. Если этот интервал превышает удвоенное время распространения УЗ-импульса через твердую КС в поддиапазоне измерений 0,15-10 мм, отражение от торца демпфера 4 не пре пятствует измерению толщины в нем. Для измерений во 2-ом поддиапазоне 3,5-300 мм используется РСП с тонкими пластинными ПЭ, имеющими / = = 2,5 МГц.
Блок-схема толщиномера УТ-31МЦ с апериодическим СПП приведена на рис. 8.7, а эпюры импульсов его блоков на рис. 8.8.
Принцип действия толщиномера следующий. Задающий БГ (рис. 8.7) запус кает (эпюра 1, рис. 8.8) ГВИ двуполярных зондирующих импульсов (эпюра 2) общей длительностью 40 нс, расположенный в выносной искательной головке вместе с апериодическим СПП. Последний излучает УЗ-импульсы в КС тол щиной h0с выхода искательной головки эхо-сигналы, отраженные от внутрен ней и внешней поверхностей КС, они идут на вход широкополосного усилите ля У, который находится в корпусе электронной системы толщиномера. С вы хода У полезные эхо-сигналы (эпюра 36) и неизбежный импульс электричес кой наводки (эпюра За) ГВИ поступают на вход временную селектора ВС1, которым управляет одновибратор ОВ, определяющий интервал пропускания селектора (эпюра 4). Временная задержка осуществляется задающим БГ (эпюра 1), задним фронтом импульса которого запускается ОВ. При этом на выход
Рис. 8.7. Функциональная схема контактного импульсного У3-толщиномера УТ-31МЦ с уменьшен ной мертвой зоной измерений
Рис. 8.8. Импульсные диаграммы блоков толщиномера УТ-31 М Ц
селектора приходят только полезные эхо-сигналы, которые после нормализа ции по амплитуде усилителем-ограничителем У01 положительных (на эпюре 3) полуциклов имеют вид, показанный на эпюре 5. Первый из них запускает одновибратор ОВ1, вырабатывающий прямоугольный импульс (эпюра 6). Его длительность выбирается на 30-50 % булыней временнуго интервала между эхоимпульсами от поверхностей измеряемого изделия с наибольшей толщи ной, на которую рассчитан прибор. Этот импульс поступает на стартовый вход КАС и БЗ (дающий задержку т, = 50 нс). Задержанный импульс 7 поступает на управляющий вход временнуго селектора ВС2.
Из вышеуказанных нормализованных импульсов (эпюра 5) во временнум селекторе ВС2 первый из импульсов 5 блокируется и оставшиеся импульсы (эпюра 8) поступают в одновибратор ОВ2. Последний формирует прямоуголь ный импульс (эпюра 9) по фронту первого селектированного импульса 8. Им пульс 9 поступает на стопный вход КАС, прекращая формирование в нем ин формативного прямоугольного импульса ИЛИ (эпюра 10). ИЛИ с выхода КАС поступает в измеритель временных интервалов, состоящий из расширителя
длительности импульса РДИс соединенным с ним временным селектором ВСЗ и одновибратором ОВЗ, кварцевого генератора КГИ и цифрового регистриру ющего прибора ЦРП.
Длительность импульса 10, поступающего в РДИ изменяется, для стали на пример, от 50 нс до 100,5 мкс, что соответствует диапазону измеряемых тол щин 0,1-300 мм. Этот импульс в РДИ подвергается расширению (эпюра 11) в Крраз. Импульс 11 с выхода РДИ, воздействуя на управляющий вход ВСЗ, от крывает последний на время действия импульса, обеспечивая прохождение пакета счетных импульсов КГИ в цифровой РП (эпюра 12). Поскольку для апериодического СПП длительность т информативного импульса 10 превы шает время двукратного прохождения через КС толщиной h на 20 нс, то в одновибраторе ОВЗ формируют компенсирующий прямоугольный импульс 13 длительностью т2= 20Кр нс. Импульс 13 на время т, блокирует в РП счет числа импульсов КГ. Это беспечивает линейность цифрового отсчета толщины h в РП.
При измерениях толщин, булыиих 10 мм, вместо СПП используется РСИ с ИПчастоты 2,5 МГц, возбуждаемым полупериодным (относительно ПЭ в РСИ) импульсом 14 длительностью 200 нс. Короткий импульс, излученный ИП, че рез звукопровод проходит в КС и после отражения от его противоположной поверхности через раздельный (относительно ИП) звукопровод поступает в приемный ПЭ. Последний преобразует УЗ-эхоимпульс в электрический им пульс УЗ-частоты (2,5 МГц), поступающий через У и ВС1 в усилитель-ограни читель.
При работе с РСИ блоки ВС2 и БЗ отключены и одновибратор ОВ2 запуска ется (по заднему фронту импульса 1БГ) импульсом 15 через время т3 с момен та УЗ-излучения. С выхода ОВ2 прямоугольный импульс 17 поступает на стар товый вход КАС. В случае использования РСП (содержащих в конструкции ЗП, как правило, из оргстекла), временные интервалы, пропорциональные тол щине измеряемых изделий, равны разности между суммарным временем рас пространения УЗ-импульсов в ЗП и измеряемом изделии и временем только в РСИ. Поскольку время распространения УЗ-колебаний имеет технологичес кий разброс порядка 10-20 %, задержка т3 импульса (эпюра 75), являющегося началом отсчета измеряемых временных интервалов относительно зондирую щего импульса 14, выбрана на 20-30 % мйньшей задержки в РСИ.
С выхода У01 селектированный импульс (эпюра 16) приемника РСИ посту пает в одновибратор ОВ1, формирующий импульс (эпюра 18) по фронту се лектированного импульса 16. Импульс 18 поступает на стопный вход КАС, прекращая в нем формирование прямоугольного импульса длительностью т, равной разности между суммой времен распространения УЗ (в ЗП и КС) и величиной электрической задержки т3. Работа ИВИ аналогична схеме с СПП.
Блок-схема толщиномера по методу УЗ-просвечивания [381-383] контроли руемого листового или полосового материала приведена на рис. 8.10. Прин цип действия толщиномера следующий. Импульсный генератор 1 возбуждает с постоянным периодом следования импульсов акустическую излучающую го ловку 2, которая посылает в иммерсионный слой 3 короткий монохроматичес кий и узкоспектральный УЗ-импульс. Он проходит КС 4 толщиной h (<ХУ4), нормально к его поверхности. При этом УЗ-импульс испытывает амплитудное ослабление, пропорциональное толщине h. Через жидкостный слой 5 на про тивоположной стороне изделия, УЗ-импульс поступает на приемную акусти ческую головку 6, которая преобразует его в ЭИ УЗ-частоты. Принятый им пульс усиливается усилителем 7 и подается на пиковый детектор 8, которым вырабатывается постоянное напряжение, равное амплитуде его огибающей. Напряжение поступает в измерительный блок Р, шкала которого градуирована в единицах толщины. Теория прохождения УЗ-волны через твердый слой рас смотрена в п. 8.3.1.
Для устранения влияния многократных отражений расстояние между голов ками выбирается превышающим протяженность зондирующего пакета УЗколебаний в направлении излучения. При этом отраженные импульсы не ин терферируют с прошедшим изделие основным импульсом. Поскольку детек тор 8 вырабатывает напряжение, равное амплитуде огибающей принятого ре зультирующего импульса, то на показаниях РП не сказывается наличие мно гократных отражений.
Рис. 8.10. Функциональная схема иммерсионного толщиномера по методу УЗ-просвечивания
Блок-схема эхоимпульсного иммерсионного толщиномера [384] и эпюры импульсов его блоков представлены на рис. 8.11 и 8.12.
Компенсированный генератор зондирующих импульсов (ЗИ) 1 ГИ возбуж дает ПЭ СПП двухступенчатым импульсом напряжения (эпюра 1, рис. 8.12), в результате чего ПЭ излучает в иммерсионную среду ИС, в воду в частности, короткие акустические импульсы (эпюра 2). Длительность этих ЗИ 1 состав ляет примерно один полный период резонансной частоты ПЭ. В генераторе применены импульсные ВЧ-транзисторы, что позволило возбуждать СПП с ВЧ-резонансной частотой/ При этом длительность ступени ЗИ равна 0,5f ПЭ в СПП выполнен из керамики ЦТС-19 с резонансной частотой 10 МГц. С внут ренней стороны ПЭ искательного СПП демпфирован столбиком эпоксидной смолы, заполненным мелкими (00,5-1,0 мм) стальными шариками, на кото рых за счет рассеяния подавляются ложные эхоимпульсы, отраженные от про тивоположной ПЭ стороны демпфера. Акустические импульсы, отраженные от КС, принимаются тем же ЯЭ, с электродов которого они попадают на вход широкополосного усилителя У. Для обеспечения нормальной работы прибора особое внимание было уделено правильному выбору полосы пропускания У. Это объясняется тем, что усиливаются весьма короткие импульсы и для того, чтобы передать их без искажения, У должен иметь полосу пропускания, бульшую или равную определенному минимуму. Полоса пропускания усилителя выбрана равной 16 МГц (f = 2-18 МГц). Коэффициент усиления составляет 350-400.
Рис. 8.11. Функциональная схема эхо-импульсного иммерсионного толщиномера
Рис. 8.12. Импульсные диаграммы блоков эхоимпульсного иммерсионного толщиномера
На выходе У появляется несколько серий эхоимпульсов: Ау Ву А2, В2,..., А^ Вп(эпюра 3). Они являются следствием многократных отражений в иммерси онном столбе эхоимпульсов от передней (Ап) и задней (BJ границ КС. Времен ной интервал между импульсами Ап и Вппропорционален толщине h КС. С учетом эффекта псевдоусиления [37], в результате которого при многократ ных отражениях в иммерсионном столбе ВС уменьшается отношение ампли туд AJBn,, введено выделение ВС импульсов А, и Вп(эпюра 3). Управление ВС ведется импульсом 5 одновибратора ОВ, запускаемого задним фронтом им пульса 4 БЗ (эпюра 4\ длительность которого устанавливают несколько мень шей времени поступления 2-го эхо-сигнала А, в иммерсионной среде. С выхо да ВС импульсы А, и В2(эпюра 6) поступают на входы ВС1 и ВС2, управляе мых импульсами, соответственно 7 и 9 OBI и 0В2. Длительность последних установлена такой величины, чтобы их задний фронт соответствовал оконча нию эхо-сигнала А2от верхней (на рис. 8.11) поверхности КС.
Селектированные эхоимпульсы А0 от верхней и В2 от нижней поверхности (эпюры 8 и 10), поступают соответственно на стартовый и стопный входы Трг I