книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

Трг Т формирует прямоугольные импульсы (эпюра 11) длительностью, равной интервалу времени между селектированными эхо-сигналами А2и В2 Этот ин­ тервал равен удвоенному времени прохождения УЗ в КС, т.е. пропорционален его толщине h. Последовательность импульсов триггера поступает в времяаналоговый измеритель временных интервалов ИВИ, шкала которого градуи­ рована в единицах толщины.

8.3. Методы и системы бесконтактного измерения толщины твердого слоя

В эхолокационном и биэхолокационном контроле уровня сред и размеров акустическая связь И и Я УЗ-колебаний с КО осуществляется через воздух отражением от поверхности КО. Бесконтактный же контроль толщины и каче­ ства тонколистового проката требуют ввода УЗ-колебаний внутрь КО (напри­ мер металла) от И через воздух. Потери УЗ-энергии при этом определяются огромной разницей удельных импедансов воздуха zQ= 415 Нс/м и металла, например меди z0/= 41,8 МНс/м. Для обычных условий, когда толщина медно­ го листа на порядок больше X, давление УЗ-импульса, прошедшего в медный лист, ослабляется в 25000 раз. В результате давление принятой УЗ-волны ста­ новится одного порядка или ниже производственного шумового фона в про­ катном цехе.

Открытие Н. Бражниковым в 1968 г. [46-49, 385, 391-393] возможности эф­ фективного ввода УЗ-импульса из воздуха в твердый слой и приема его в воз­ духе после выхода из слоя (на фоне шумовых помех), а также аэролокации слоя с выявлением информативного параметра — толщины слоя расширяет область УЗКР ТП на прокатку фольги и твердых полимеров непосредственно

втехнологическом потоке.

8.3.1.Метод измерений по степени аэроакустической прозрачности

Импульсный метод Н. Бражникова измерения толщины твердого слоя (на­ пример, фольги) по степени его аэроакустической прозрачности заключается в следующем. В воздушных средах 7 и 2 (рис. 8.13) по сторонам контролируе­ мого твердого слоя 3 ИП, возбуждаемым импульсами электрического генера­ тора 4, создается УЗ-поле с давлением р хволны у входной поверхности слоя 3. Выходящий из валков прокатного стана на высокой скорости слой 3 пересека­ ет поле, ослабляя давление р хдо значения р2= Dpv где D — коэффициент аэро­ акустической прозрачности фольги. Поступившая в приемный /7/7, соосный ЯЯ, УЗ-волна преобразуется в импульсный ЭС, передаваемый в электронный измерительный блок. Для определения и оптимизации величины D рассмот­

Из суммирования (8.5) с (8.6), умноженным на zQ1, следует:

Значения р1и р{ в функциях от р2 определяются, соответственно, из сумм (8.7) с (8.8), умноженным на z0/, и «-» из (8.7) с (8.8), умноженным на -z0/. Их подстановка в (8.9) и перегруппировка слагаемых с одинаковыми множителя­ ми при экспонентах с учетом ехр(/ср0/) + ехр(-/ф0/) = 2cos(p0/ и ехр(/ф0/) - ехр(- /ф0/) = 2 sin<pQl приводит к выражению для искомого давления р2в среде 2 на выходе из слоя:

P-JPx = 2[(1 + z01/z02)coscp0( - î(z0/z02 + z01/z0()sin(p0/]''exp(-i(p02). (8.10)

Определение модуля (8.10) с заменой в нем соз2ф0/= 1 - sin ^ 0/ дает выраже­ ние

не только для вывода формулы коэффициента аэроакустической прозрачнос­ ти твердого слоя, но и для расчета коэффициента акустической прозрачности тонких стенок резервуара и трубопровода при контроле концентрации, давле­ ния и уровня находящихся в них сред.

При скоростной прокатке разогретый слой 3 повышает температуру воздуш­ ных сред 7 и 2 на Л? °С, что снижает их импедансы zQl и z02 на 0,17Àf %. Сами изменения At, и At2сред мало отличаются друг от друга. Термоизменение им­ педанса слоя zQlмало, составляя для меди 0,01ДГ%. Величина z0I/z0/ менее 10-4 для любых твердых сред и ею можно пренебречь. После подстановки в (8.11) z0/ = рс/5 фазового набега ф0/= 2тфг!с1и замены синуса его аргументом (в силу малости ф0/) получим формулу модуля коэффициента аэроакустической про­ зрачности твердого слоя

где р, с{— объемная плотность металла и скорость УЗ-волны в нем (для меди:

р= 8900 кг1мъ, с = 4700 м-с~]) ; / — частота УЗ-колебаний, с"1.

Выбором величины/ можно оптимизировать D. График расчетной по (8.12)

зависимости Z)'1 от произведения толщины на плотность рh слоя из любых металлов и полимеров на частоте 105 Гц в диапазоне 0-0,1 кг-м~2приведен на рис. 8.14. Коэффициент ослабления УЗ волны слоем толщиной h по давлению при этом изменяется в пределах 1-75,7 или 0-37 децибелл (дБ). Это достаточ­ но приемлемое ослабление, т.к. величине 37 дБ например в контроле качества соответствует дифракционное ослабление УЗ-волны на частоте 2,5 МГц при отражении от несплошности диаметром 3 мм в меди на глубине лишь 125 мм для типового ИЛ диаметром 12 мм. При большем значении толщины коэффи-

hp, кг/см2

Рис. 8.14. Зависимость амплитудного ослабления УЗ-волнытвердым слоем от произведения его тол­ щины h на плотность г на частоте 100 кГц

циент аэроакустической прозрачности D пропорционально уменьшается: при ph = 1 кгм еще на 20 дБ.

При оптимальном проектировании И, П и генератора 4 (см. рис. 8.13) мини­ мальная амплитуда импульсного ЭС П составляет десятые доли (или более) милливольт. Сигнал /777, по амплитуде обратно пропорциональный поверхно­ стной плотности, после передачи через усилитель 6 и детектор 7 в блок ин­ формативной обработки 8 сравнивается с сигналом опорного блока 9. Резуль­ тирующий сигнал поступает из блока 8 в регистрирующий блок 10, шкала которого градуирована в единицах толщины КС.

8.3.2. Информативная отражаемость пленок при аэролокации

Применительно к бесконтактной автоматической толщинометрии, находя­ щей применении для контроля толщины пленок непосредственно в техноло­ гическом потоке, рассмотрим реализацию аэролокационной толщинометрии пленок методом Н. Бражникова по их отражаемости, схематично приведенной на рис. 8.15 и заключающейся в следующем.

В воздушных средах / и 2, окружающих пленку 3, посредством ГВИ 4 и излучателя ИП создается УЗ-поле с начальным давлением р0и давлением р {у входной поверхности слоя 3. Последний, после выхода из производственного агрегата на большой скорости пересекает поле 5, вызывая отражение УЗ-вол­ ны с давлением р ' в воздушной среде 1 у поверхности пленки. Поступившая в малогабаритный приемный ПП отраженная волна с давлением рп преобразу­ ется в импульсный ЭС, поступающий в измерительный ЭБ 6, школа которого градуирована в единицах толщины пленки 3.

Рис. 8.15. Функциональная схема УЗ-аэролокационного толщиномера тонких пленок

Для определения отражения волны рассматриваем распространение ее в аку­ стическом тракте: среда 1 — пленка 3 толщиной h — среда 2. Начало системы координат XOZ располагаем на входной поверхности (z = 0) пленки, а ось Z ориентируем по нормали к слою в сторону, обратную излучению. Нормаль­ ные компоненты тензора напряжения Тг и смещения частиц Uz среды являют­ ся функциями ртв среде т, ее удельного импеданса zQmи круговой частоты колебаний со, определяемых выражениями (8.4).

Условия непрерывности этих компонентов на двух границах (z = 0, z = -h) раздела сред записываются уравнениями (8.5)—(8.8). Из суммирования урав­ нения (8.5) с уравнением (8.6), умноженным на z01 и -zQ1, следует:

Делением друг на друга этих уравнений получим, что коэффициент отраже­ ния R падающей волны (с давлением р {) от контролируемого слоя (пленки) 3 определяется выражением:

Выражения для давлений pfи p ' в слое 3 найдем из суммирования уравнения (8.7) с уравнением (8.7), умноженным на z{и на -zf.

Р, = 0,5/72(1 + z0/z02)exp(i(p02)exp(-i<p0(),

P! = 0,5р,(1 - z0/z02)exp(i(p02)expH<p0;).

Подстановка найденных р{и р[ в (8.15) приводит к результату:

д _ (1~ zoi / z oi)(1+ zoi / zo2 )exp(- »(po;)+(1+z01 / ZO;)(1-Zo; /г 02)ехр(/фо;)

(l + z01 / z 0,)(l + z0, / z 02)exp(-;<p0,) + ( l - z 01 / z0()(1 - z0/ / z02)ехр(г'ф0/) ’

откуда после перегруппировки слагаемых с одинаковыми множителями при экспонентах в числителе и знаменателе, с учетом тождеств

Обычно температурное различие импедансов z01 и z02 по сторонам лоцируемого слоя 3 мало и при вычислении модуля коэффициента отражения \R\ вто­ рым слагаемым в числителе (8.17) можно пренебречь, в сравнении с мини­ мальной величиной первого слагаемого для заданного диапазона толщин кон­ тролируемой пленки. С учетом значений удельного импеденса слоя zol = сс1и фазового набега волны в слое ф0/ = соh/ct = 2 njh!cl получим из (8.17) формулу расчета модуля коэффициента аэроакустического отражения пленки в зависи­ мости от ее толщины h:

(8.18)

где Ъ= л/c/z02 — частотно-импедансный коэффициент;/— частота УЗ-колеба- ний; с и с, — объемная плотность среды слоя и скорость продольной волны в этой среде. Величина bf в УЗ-диапазоне частот превышает значение 0,1/мкм. Поэтому аэролокационную толщинометрию тонких пленок целесообразно вести в нижней части диапазона частот (например, на частоте 18 кГц) при од­ ностороннем акустическом доступе к пленке.

Амплитуда импульсного ЭС ПП (рис. 8.15) пропорциональна давлению рп' принятой отраженной волны, зависящему от \R\ (рис. 8.16), среднего давления излучения р0в воздушной среде 1 у поверхности ИП и распределения давле­ ния в УЗ-поле. Это распределение описывается интегралом Г. Гельмгольца -

Рис. 8.16. Зависимость модуля коэффициента аэроотражения \R\ У3-волны твердым слоем от произ­ ведения толщины слоя на УЗ-частоту (кГif) для: 1 — алюминия; 2 — полистирола; 3 — каучука

Н. Бражникова (2.10) [46, 63], из решений которого следуют для давленияp(z) на оси излучателя ИП формула (2.11) Н. Бражникова [63] и на акустическом цилиндре (с Ш ИП, равным 2d) полученное в [65] выражение (2.30). Длину зазора /з между ИП и контролируемой пленкой 3 (рис. 8.15), исходя из условия обеспечения возможности селекции импульсного сигнала во времени от им­ пульсной реверберации, целесообразно устанавливать в пределах 1,5-2,5 про­ тяженностей zBближней зоны поля ИП, где zB= a f c x, с, — скорость УЗ в воз­ душной среде 1.

Графики зависимости модулей осевого p(z) и краевого ра(на акустическом цилиндре) давлений по (2.11) и (2.29) от приведенного расстояния z/zBданы на рис. 2.2 в децибельном отсчете относительно среднего давления излучения /?ср= р0(у поверхности ИП). В конце ближней зоны БЗ (//zB= 1) осевое давле­ ние p(z) превышает р0на 5,85 дБ. В промежуточной зоне ПЗ длительностью 3,5zBосевое давление p(z) опускается к ее концу до значения -1,1 дБ (ниже Уровня р 0).

Давление рана акустическом цилиндре находится ниже уровня р0, испыты­ вая интерференционные минимум -9,55 дБ при z/zB= 1,6 и максимум -5 дБ в конце БЗ при z/zB= 3,5 с последующим равномерным спадом при увеличении расстояния z. Этот минимум сказывается в пределах ПЗ на малом прогибе кри­ вой равномерного ослабления среднего давления рсрс ростом z, приведенной по экспериментальным данным в децибельном относительно уровня pQотсче­ те на рис. 2.2. Для выбранного диапазона рабочего зазора /з среднее давление р ху поверхности лоцируемой пленки незначительно уменьшено относитель­ но уровня излучения р0(на 2,2-2,8 дБ).

К проблемным вопросам аэроакустической толщинометрии относятся еще излучение и прием УЗ. Это вызвано различием удельных АИм воздуха zQXи применяемого в ИП и ПП пьезоматериала zn.

Давление УЗ-излучения ПЭ, к которому приложено переменное электричес­ кое напряжение Vr с частотой f определяется выражением (1.10). Рассматри­

Из (8.19) видно, что давление аэроизлучения недемпфированным ИП не за­ висит от изменений коэффициента механической добротности QMв достаточ­ но широком диапазоне. Это устраняет существующее [41] представление о решающем значении пьезомодуля d33 и добротности QMдля УЗ-излучения. Превалирующее значение для излучения ПП на ПВР имеет пьезоконстанта деформации Изу В УЗКР ТП наиболее часто применяется пьезокерамика титаната бария ТБ-1 и цирконата титаната свинца (ЦТС, PZT). Для ИП с типовыми параметрами ТБ-1 на частоте/ = 18Т03Л / давление излученияр0в воздухе на единицу возбуждающего напряжения V согласно (8.19) составляет величину pJV= 0,028 Н/(м2-В).

Получаемое высокое давление импульсного излучения обеспечивает стабиль­ ный прием (ослабленной дифракцией и отражением пленкой) волны прием­ ным ПП (рис. 8.15) — например, обычным малогабаритным пьезомикрофо­ ном. Для него, при использовании пьезокерамической биморфной “звуковой ячейки” с рабочей поверхностью 1 см2и последовательным соединением пье­ зопластин толщиной 0,5 мм, чувствительность, в зависимости от типа пьезо­ материала, находится в диапазоне 2-10 мВ1(Н1м?).

Зависимости модуля коэффициента отражения R волны пленкой согласно (8.18) при z01 = z02 от произведения к/(мкм кГц) толщины пленки на У3-часто­ ту приведены на рис. 8.16. Зависимости, имеющие нелинейность, достаточно метрологичны в диапазонах: 0-100, 0-250 и 0-300 мкм кГц, соответственно для алюминиевой фольги, полистироловой и каучуковой пленки.

8.3.3. Бесконтактные ультразвуковые толщиномеры

На основе рассмотренного в п.8.3.1 бесконтактного метода Н. Бражникова в СКБ ЦМА (затем НТК СЦМА) и Ассоциации АСК под руководством автора была разработана серия бесконтактных УЗ-толщиномеров [40,47-49,389,393- 397]. Их технические характеристики приведены в табл. 8.1.

В приборе СТАЛЬ-1Б может быть использован [397] серийный УЗ-эхо-им- пульсный дефектоскоп УД2-12. Применение дефектоскопа USK-7 фирмы «Крауткремер» и др. импортных приборов недостаточно эффективно.

Погрешность приборов бесконтактного автоматического контроля толщины твердых сред <1,5 % от верхнего предела диапазона измерений.

Глава 9. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ И РЕГУЛИРОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПРЕССИЗДЕЛИЙ, ПРОКАТА И ПОКОВОК

Повышение качества и конкурентоспособности промышленных полуфабри­ катов, металлопроката, пресс-изделий и другой продукции обработки давле­ нием в большинстве случаев требуют непрерывного неразрушающего контро­ ля их геометрических параметров, структуры, физико-механических свойств

истепени пораженности латентными дефектами.

Открытие С.Я. Соколовым [1] в 1928 г. возможности применения акустичес­

ких колебаний для неразрушающего контроля качества металлов и других твер­ дых сред и достижения быстро прогрессировавшей радиоэлектроники стали базой разработок 1-го поколения эхо-импульсных приборов: «Сперрирефлектоскоп» Ф. Файрстона в 1943г., УЗД-ЛЭТИ С. Соколова в 1948 г., 86ИМ-2 Д. Шрайбера, УЗД-7 А. Матвеева и «Крауткремер» в 1950 г., УЗД-37 Н. Бражни­ кова и НИИМ-3 А. Гурвича в 1956 г., УЗДЛ61 Б. Выборнова в 1961 г. [7, 362, 363, 398-403], структуромеров по УЗ-затуханию ДСК-1, «Кристалл-1» ВНИИНК [40] и импульсно-фазового по УЗ-скорости [7].

В девятой главе рассмотрены УЗ-методы контроля: прессутяжины в прессо­ ванных прутках и трубах, качества кованых изделий, поверхностной плотнос­ ти фольги и полимеров и структуры твердых сред, натяжения и толщины по­ лос на тонколистовых станах.

9.1. Ультразвуковой контроль пресс-утяжины в прессованых прутках из цветных металлов

Визуальный осмотр поступающих для прессования труб шашек, получае­ мых разрезкой прессованного прутка-заготовки, даже в случае использования травления концентрированной серной кислотой не обеспечивает надлежащей их отбраковки. В тоже время метод УЗ-контроля прессованных прутков позво­ ляет выявить протяженность и месторасположение прессутяжины без нару­ шения их целостности и, тем самым, предупредить как потери годного метал­ ла, так и брак (латентные следы прессутяжины) при прессовании труб, осо­ бенно труб ответственного назначения.

УЗ-контроль прессованых прутков-заготовок производится при помощи эхо­ импульсного прибора УЗД-37 СКБ ЦМА [401, 404], снабженного комбиниро­ ванным искателем, предназначенным для посылки и последующего приема отраженных импульсов УЗ-колебаний (рис. 9.1). Электронная система прибо­ ра состоит из 3-х основных блоков: передатчика, приемного и силового. В пе­ редатчик входят: УЗГ и ГС; в приемный — усилитель У, ЭЛТ и развертываю-