книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

имеющие различный характер, определяются конкретными условиями того или иного технологического процесса. В ряде случаев эти отклонения вызы­ вают изменения параметров распространения УЗ-волны. По этим изменениям можно вести контроль структуры материалов.

К отклонениям относятся крупнозернистость и анизотропия кристалличес­ кой структуры в металлических и железобетонных конструкциях, степень по­ лимеризации в пластмассовых изделиях, ослабление пропитки базового мате­ риала связующим и локальные разрушения волокон в волокнистых материа­ лах и др. Важнейшим показателем качества кристаллических материалов, в частности металлов, является главным образом величиа зерна, влияющая на прочностные, пластически и физические характеристики изделия. Величина зерна определена стандартами РФ и Европы как средний диаметр зерна d и оценивается в номерах шкалы (баллах) ГОСТ (табл. 9.6).

На коэффициент УЗ-затухания^ наибольшее влияние оказывает величина зерна при 5 < TJd <15, где X — длина волны УЗ, d — средний диаметр зерна. Распределение величины затухания, полученные при контроле изделия в раз­ личных точках, подчиняется логарифмическому закону и характеризует пара­ метры распределения величин зерен исследуемого металла.

Визмерениях затухания наибольшее применение получил импульсный (эхоили теневой) метод, основанный на сравнении амплитуд двух или нескольких УЗ-сигналов, применяемый в иммерсионном или контактном варианте. Струк­ туру материала оценивают путем сопоставления данных, полученных на кон­ тролируемом изделии и на образцах, с известной средней величиной зерна. Для контроля применяют серийные импульсные дефектоскопы, оснащенные калиброванным аттенюатором, например дефектоскоп УД2-12, в котором пре­ дусмотрено устройство для определения отношений амплитуд двух импульс­ ных донных сигналов в дБ с выдачей результатов на цифровом индикаторе.

Вроссийских и зарубежных структуромерах используется относительный метод контроля структуры, основанный на прозвучивании металла на различ­ ных частотах. При этом одну из частот (опорную) выбирают низкой, для кото­ рой затухание УЗ-колебаний в небольшой степени зависят от структурных

составляющих. Другие частоты (рабочие) соответствуют релеевской области рассеяния. Отношения амплитуд донных сигналов, соответствующих рабочим и опорной частотам, называемые структурными коэффициентами, определя­ ют на исследуемом изделии для различных рабочих частот и сравнивают со структурными коэффициентами, полученными на образцах. Контроль можно проводить используя продольные и сдвиговые волны. В вышеотмеченном при­ боре ДСК-1 на частотах 0,65-10 МГц можно оценить величину зерна от 1 до 7 баллов [40].

Для контроля структуры используется и анализ спектра донных сигналов (спектроскопический метод). Частота заполнения УЗ-импульсов меняется от посылки к посылке и по их амплитуде определяется область релеевского рас­ сеяния. Влияние величины зерна на затухание усиливается из-за многократ­ ного прохождения УЗ-волн через границы зерен. УЗ-контроль величины зерна можно осуществлять при контроле импульсно-резонансным способом: зату­ хание определяется по отношению амплитуды колебаний в стенке изделия на резонансной частоте к амплитуде колебаний при отсутствии резонансных яв­ лений.

Вприборе КРИСТАЛЛ-1 (см. преамбулу гл.9) при автоматическом контроле структуры тонкостенных изделий используют нормальные волны Дж. Лэмба. Волны определенной моды возбуждают и принимают раздельными преобра­ зователями после прохождения через контролируемый участок. Усредняя дан­ ные измерений на определенном участке, например по окружности трубы, получают высокую разрешающую способность в определении структуры (±1 балл).

Вчугуне, как было отмечено Г. Зееманом [421], с увеличением размеров зе­ рен кристаллической структуры скорость УЗ несколько снижается. Аналогич­ ное явление имеет место и для ряда цветных сплавов, где при технологичес­ кой обработке вследствие неравномерного распределения температур образу­ ется различная кристаллическая структура (анизотропия) на отдельных учас­ тках изделия. Анизотропия имеет место в металлоконструкциях, подвергав­ шихся пластической деформации. Изменения скорости УЗ в прокате стали и цветных металлов, выявленные Ф. Файрстоном, Н. Бражниковым и Т. Бениевой [6, 401, 422-423], могут достигать нескольких десятков и даже сотен мет­ ров в секунду.

Для УЗ-контроля структуры стеклопластика значительный интерес представ­ ляют исследования, проведенные Е. Сергеевым [424]. Исследования показа­ ли, что фазовыми УЗ-методами возможен эффективный контроль так называ­ емых слабых и крепких мест в стеклопластике. Ослабление вызывается отно­ сительно слабой пропиткой материала связующим, расслоениями, а также раз­ рушением связующего и обрывом нитей. При локальных ослаблениях скорость

задержанной посредством ЗУ развертке (рис. 9.6, ж). Структурные изменения УЗ-скорости Ас рассчитываются по формуле:

где /, — толщина КИ и начальное расстояние между отражателем О и ПЭ Пэ в эталонном канале после совмещения им-пульсов при размещении искатель­ ной головки на участке с нормальной структурой; /0 — расстояние между пе­ ремещаемым отражателем О и Пэпосле совмещения импульсов при размеще­ нии искателя на контролируемом участке изделия.

9.5. Ультразвуковые автоматические датчики натяжения

итолщины металлопроката

В прокатных цехах, гидрометаллургии и других отраслях промышленности

вУЗРК ТП применяется регулирование [43-46, 359-360] с использованием бесконтактных акустических датчиков регулируемого параметра.

Автоматическое управление удельным натяжением металлопроката осуще­ ствляется посредством бесконтактного УЗ-датчика, основанного на времяимпульсном методе Н. Бражникова [429]. Сущность метода заключается в сле­ дующем. В КС возбуждают УЗ-волну, электродинамическим способом или путем ввода УЗ-колебаний через акустически проводящие среды и направля­ ют волну вдоль слоя КС в направлении ее натяжения. Так как скорость распро­ странения волны в твердой среде определяется модулем упругости и коэффи­ циентом поперечного сжатия среды, которые, в свою очередь, зависят от удель­ ного натяжения, то время распространения волны на фиксированном участке среды является функцией удельного натяжения среды.

УЗ-автоматические датчики толщины [44, 47, 430-432] основаны на эффек­ те зависимости между толщиной проката (меньшей четверти длины УЗ-волны

внем) и степенью акустической прозрачности проката.

Структурная схема датчика толщины приведена на рис. 9.7. УЗ-датчик со­

держит акустические И 1 и 77 2, устанавливаемые вблизи прокатных валков 3 и 4 прокатного стана по разным сторонам прокатываемой тонкой полосы 5, генератор 6 и соединенный с им формирователь 7 регулирующего сигнала, сигнальным входом связанный с чувствительным элементом 8 П 2 посред­ ством коаксиального кабеля 9. В П имеется двухзвенный фильтр в виде двух колебательных контуров, состоящих из конденсаторов 10, 11 и индуктивнос­ тей 12, 13, настроенных на частоту УЗ-колебаний И 1, и соединяющего их терморезистора 14 с отрицательной температурной характеристикой, причем входной контур подключен к обкладкам чувствительного элемента 8 П, а вы­ ходной — к кабелю 9 и, соответственно, сигнальному входу формирователя 7 регулирующего сигнала.

Рис. 9.7. Схема бесконтактного автоматического датчика толщины тонколистового проката в АСУ

Генератор б состоит из формирователя 15 возбуждающих ЭИ и из синхрони­ затора 16, выполненного по схеме БГ\ формирователь 7 регулирующего сигна­ ла — из последовательно соединенных усилителя 17, входом подключенного к выходу приемника 2, селекторного усилителя 18, пикового детектора 19, диф­ ференциального блока 20 и индикатора 21. В этот формирователь входит так­ же генератор 22 стробимпульсов, входом соединенный с выходом синхрони­ затора 16 и выходом — с управляемым входом селекторного усилителя 18, и источник 23 опорного сигнала, подключенный ко второму входу дифференци­ ального блока 20. Выходом формирователя 7 является выход дифференциаль­ ного блока 29.

В процессе регулирования толщины в зоне, находящейся вблизи валков про­ катного стана (например, у нижнего валка 4), по нормали к плоскости выходя­ щей из валков полосы 5 излучают посредством акустического преобразовате­ ля П П I импульсную волну УЗ-колебаний. Возбуждение ПП осуществляется импульсами, вырабатываемыми формирователем 15 из синхроимпульсов, по­ ступающих о большой скважностью из синхронизатора 16.

Приемник 2, в котором в качестве чувствительного элемента 8 использован ПП, аналогичный импульсному ПП акустического И 1, производит прием про­ шедшей через прокатываемую полосу информативной УЗ-импульсной волны в зоне у верхнего валка 3 и преобразует его в импульсный ЭС. Последний имеет активную и реактивную составляющие. Реактивная составляющая компенсируется в настроенном входном контуре, состоящем из конденсатора 10 и индуктивности 12. При этом в суммарную емкость контура входит также собственная емкость ПП, содержащего чувствительный элемент.

Активная составляющая сигнала через делитель, состоящий из терморезис­ тора 14 и выходного контура, состоящего из конденсатора 11 и индуктивности 13, по кабелю 9 через усилитель 17 поступает в селекторный усилитель 18, управляемый стробимпульсами формирователя 22. В селекторном усилителе

18 сигнал, несущий информацию о толщине материала, отделяется от ревер­ берационных помех и электромагнитных «наводок» формирователя 15 и по­ ступает затем через пиковый детектор 19 в дифференциальный блок 20. В пос­ ледний поступает также опорный сигнал из источника 23, по амплитуде рав­ ный сигналу селекторного блока 18 при номинальной толщине прокатывае­ мой полосы.

Разностный сигнал дифференциального блока 20 поступает в индикатор 21 отклонения толщины полосы от номинала и в регулятор 24 для выработки управляющего воздействия 25, налагаемого на валок 3 (или на оба валка). При этом, если толщина уменьшается, то увеличение амплитуды импульсной вол­ ны, поступающей в приемник 2, воздействует через дифференциальный блок 20 и регулятор 24 на управляющее воздействие 25, возвращая толщину выка­ тываемой фольги к ее номиналу. При увеличении этой толщины сверх номи­ нала имеет место обратное воздействие импульсной волны. В источнике 23 предусматривается несколько переключаемых положений, соответствующих требуемым номиналам толщины полосы. В каждом из этих положений опор­ ный сигнал тарируется при настройке системы по образцам полосы с задан­ ными параметрами. Тарировка производится до нулевого показания индика­ тора 21.

При изменении температуры воздуха у прокатываемой полосы 5 в зоне дей­ ствия УЗ-импульсов изменяется акустическое давление в поступающих в П 2 импульсах, обусловленное температурным изменением АИм воздуха, и, соот­ ветственно, ЭС чувствительного элемента 8.

Для компенсации возникающей погрешности толщины в УЗ-датчике исполь­ зуются два контура, во 2-ом из которых конденсатор 11 с емкостью соедини­ тельного кабеля 9 и индуктив-ностью 13, составляет настроенный на УЗ-час- тоту контур с соединяющим их терморезистором 14, температурные измене­ ния сигнала компенсируются температурными изменениями активного плеча Ат, каковым является терморезистор. Другим, пассивным, плечом Атявляется постоянное по величине входное сопротивление усилителя 17. В частности, увеличение температуры вызывает уменьшение АИм воздуха у элемента 8 П 2 и снижение амплитуды информативного УЗ-импульса. При этом активное плечо 14Аттакже уменьшается и коэффициент передачи Атвозрастает, компенсируя уменьшение передаваемого в усилитель 17 информативного сигнала.

9.6. Ультразвуковая САРТ прокатного стана

При модернизации прокатного стана и разработке системы автоматического управления превалирующее значение имеет выбор метода и проектирование датчиков регулирования толщины прокатываемого металла с применением радиоизотопного, УЗ- и других излучений. Использование радиоизотопов ог­

раничивает число модернизируемых станов в действующих цехах вследствие необходимости обеспечения минимально допустимого расстояния до источ­ ника излучения и санитарно-экологической нормы производственной площа­ ди (в кв. м), приходящейся на один стан. Это, во многих случаях, предопреде­ ляет применение безопасного для персонала УЗ.

Метод бесконтактного УЗ-просвечивания листовых материалов непосред­ ственно в технологическом потоке впервые в мире был открыт в 1968 г. осно­ вателем УЗКР ТП Н. Бражниковым [46-49]. В системе автоматического регу­ лирования толщины (САРТ) метод УЗРК ТП [43, 44] первой применила (при участии автора) фирма КЛЕСИМ с успешными испытаниями на фольгопро­ катных станах заводов СКАЛЬ во Франции и КАНАЗ в Армении. Структурная схема УЗ-САРТ четырехвалкового стана прокатки фольги из легких металлов

исплавов, разработанная [46] по данному методу, приведена на рис. 9.8. Рабо­ та стана и САРТ заключается в следующем.

Рулонный полосовой подкат 1 с разматывателя 2 через входной промежуточ­ ный рольганг 3 поступает в зазор между верхним 4 и нижним 5 рабочими валками прокатной клети 6.

До подачи подката в валки УУ по введенным в него данным: марка металла, диаметры рабочих и опорных валков, толщина подката и др. выдает (ранее экспериментально по величине определенные) воздействия: 7 — на гидравли­ ческое нажимное устройство ГНУ, 8 и 9 — на натяжения разматывателя 2 и моталки 10, соответственно, и начальное электрическое напряжение Vn от за­ датчика скорости ЗС прокатки на регулятор скорости PC, управляющий элек­ тродвигателем клети ЭДК. Последний через регулятор РД связан с верхним 11

инижним 12 опорными (приводными) валками прокатной клетки 6, обеспечи-

Рис. 9.8. Структурная схема УЗ-системы автоматического регулирования толщины прокатываемой фольги

вая начальную скорость и = и (м/с) прокатываемой фольги 13, поступающей через промежуточный (выходной) рольганг 14 в моталку 10.

Выходящая из рабочих валков фольга на высокой скорости v пересекает им­ пульсное УЗ-поле, созданное ИП в воздухе вблизи рольганга 14 и ориентиро­ ванное по нормали к поверхности фольги 13. УЗ-волна с давлениием излуче­ ния р0у поверхности ИП при распространении в воздухе испытывает ампли­ тудные потери из-за поглощения в нем, дифракционного распределения дав­ ления в УЗ-поле и ослабления у, вызываемого прокатываемой фольгой. Вели­ чина у несет в себе информацию о толщине фольги 13, используемую в САРТ. Из принятой (после прохождения через фольгу) УЗ-волны с давлением Р^ ПП формируется импульсный ЭС 15 с напряжением F p, пропорциональным Р^. Распределение давления в УЗ-поле в воздухе вблизи рольганга 14 между ИПи ПП описывается интегралом Г. Гельмгольца - Н. Бражникова [61] и рассчитывается по формулам Н. Бражникова в [61, 63].

В разработанной САРТ ИП и ПП сконструированы на основе пьезокерами­ ки ТБ-1 диаметром 2а = 29 мм с частотой^ = 180 кГц на ЭМР, имеющей пьезо­ модуль Н. Бражникова Ь =7,3 мШ(м2 Гц В). При этом в воздушном зазоре между И и П распространяются импульсы УЗ-колебаний со скоростью 343 м/с и дли­ ной волны / = 1,91 мм. Через Тр (ии= 3:1) ИП соединен с коаксиальным кабе­ лем (длиной до 5 м) выхода генератора возбуждающих импульсов ГВИ, пери­ одически (100 раз в секунду) запускаемым видеоимпульсами синхронизации 16 от ГСС. Импульсы ГВИ имеют синусоидальное «заполнение» колебаниями с частотой / = 180 кГц к амплитудой F =100 В. Из анализа выражений в [60, 63] для давления излучения следует, что для не слишком высоких частот/ при­ емлемое дифракционное ослабление волны находится на расстояниях z, соиз­ меримых с протяженностью ближней зоны all в воздухе. При более высоких значениях акустической базы la = z (расстоянии между ИП и ПП) возрастает дифракционное ослабление в воздухе, при более низких — возрастает фон акустических помех, обусловленных многократными отражениями импульс­ ной волны между поверхностями ПП и прокатываемой фольги 13. Коэффици­ ент ослабления волны (излученной с давлением рг), вызванный поглощением

где на применяемой частоте d = 0,6 м~\ Для используемой в САРТ частоты / колебаний, в соответствии с проведенным анализом согласно [60, 63], опти­ мальна /а= 100 мм, составляющая 0,9 протяженности ближней зоны в воздухе. Уровень излучения, рассчитываемый по формуле Н. Бражникова (6.4) при nnVr= =300 В составляет \Рг\ = 39 Н!см2 Он обеспечивает высокую амплитуду ЭС 2,75 В на выходе повышающего Тр Атв отсутствии полосы при отключенном