книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

Рис.3.8. Электрические диаграммы блоков из­ мерителя скорости ультразвука методом А М К

лятору в схеме НК-метода с более широким значением Ас ступеней ФР. Прямоугольные импульсы Vyor и Vyon сдвинуты друг относительно друга на

контролируемую величину Асрм фазового сдвига. Формирующие каскады ФКМ и ФКП запускаются фронтами положительных полупериодов прямоугольных напряжений и вырабатывают короткие, соответственно пусковой и стопный, положительные импульсы напряжения, сдвинутые друг относительно друга в фазовом масштабе со/ на величину

А(Р=(Рм-ФФр. (3.20,6)

Пусковой и стопный импульсы воздействуют на входы триггера Т, который выдает прямоугольный импульс напряжения Vv длительность которого Трп про­ порциональна разности фаз Лфм. Последовательность выходных импульсов Т подается в регистрирующий прибор РП, выполненный по аналогии с фазо­ вым методом НК.

Погрешность АМК метода определяется в основном амлитудно-фазовой по­ грешностью усилителей-ограничителей вследствие фазового сдвига 8ф точек перехода через нуль полупериодов прямоугольного напряжения по сравнению с выходными точками синусоидального напряжения. Это явление выражается в том, что длительности положительного и отрицательного полупериодов ста: новятся одинаковыми и отличаются друг от друга на сумму сдвигов УОП и УОГ в фазовом масштабе со/. При симметрировании усилителей-ограничите­ лей и использовании калиброванного ФР (со ступенями, соответствующими Ас = 100 м/с) относительная погрешность, с учетом (3.20) для частоты F, изме­ рения скорости УЗ-колебаний не превышает 0,01%.

3.5. Время-импульсные исследования скорости ультразвука

Рассматриваемые время-импульсные исследования базируются на опреде­ лении скорости импульса УЗ-колебаний по времени его распространения в контролируемой среде t = l/с методами:

•геометрического измерения длительности развертки (ИДР);

•ИДР калиброванным напряжением высокой частоты и

•измерения временного интервала (ИВИ).

Метод геометрического ИДР. Первым этот метод применил в 1931 г. В. Якоб [116]. По его схеме излучатель возбуждался коротким импульсом генератора и одновременно импульсом генератора в осциллографе включалась развертка в виде логарифмической спирали. Обрыв спирали (гашение электронного луча трубки) производился детектированным усиленным принятым сигналом. Время распространения импульса определилось по длине спиральной развертки. Точ­ ность измерений была низкой — не лучше 3 %.

Метод ИДР калиброванным напряжением. По данному методу применя­ ли способы измерения длительности развертки: способ калиброванной раз­ вертки (способ калиброванных меток) и способ наложения калиброванного высокочастотного напряжения на принятый импульс.

Если калибровочное напряжение синусоидальной формы подвести к катоду электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), то оно будет управлять яркостью луча труб­ ки, периодически усиливая его яркость или гася. Полное время распростране­ ния т определяется из выражения

т = n/ft2тщ>(3.20, в)

где п — количество яркостных меток от начала развертки до первого полуцикла колебаний принятого импульса;^— частота калибрующего напряжения КН, обычно выбирается на порядок больше рабочей частоты/УЗ-импульса.

При использовании способа наложения КН на импульс обычно применяют­ ся двухлучевые осциллографы. Горизонтально отклоняющие пластинки двух лучей при этом управляются одним и тем же напряжением развертки. На вер­ тикально отклоняющие пластины одного из лучей подается принятый импульс, а на вертикально отклоняющие пластины другого луча— КН. Время %опреде­ ляется по времени прохождения УЗ через протекторы и числу п пиков КН от начала развертки до первого полуцикла колебаний УЗ-импульса.

Точность этого метода несколько выше метода геометрического НДР. Его применили Дж. Галт, Дж. Пеллам и К. Сквайр [117-120] для исследований жидкостей, сжиженных газов и кристаллов; Дж. Фредерик, А. Нолл, С. Маури, У. Овертон [121-124] — для металлов и сплавов; Д. Хьюз, Е. Бланкеншип и Р. Мимс [125] — для пластмасс и каучука.

Метод ИДР с калиброванной задержкой. Метод НДР со ступенчатокалиброванной задержкой короткой развертки (лупы времени), который применили для исследований О. Бабиковв 1953 г. [126]— жидкостных растворов, Н. Браж­ ников в 1956 г. [127] — цветных металлов и И. Защук в 1956 г. [128] — бетона, дал на порядок более высокую точность, чем другие методы ИДР.

Схема прибора, реализующего данный метод, приведена на рис. 3.9. Диаг­ раммы импульсных напряжений отдельных узлов схемы показаны на рис. 3.10. Собранный по схеме тиратронного ключа или блокинг-генератора ИГ выраба­ тывает короткий импульс двумя-тремя полупериодами затухающих высокоча­ стотных колебаний (рис. 3.10, а). Этот импульс возбуждает пьезоэлектричес­ кий излучатель И акустического канала преобразователя ИК, в котором нахо­ дится среда. Излучатель И посылает в контролируемую среду импульс УЗ-

Рис. 3.10. Импульсные диаграммы электрических сигналов блоков измерителя скорости УЗ методом ИДР с калиброванной временной задержкой

колебаний. Через время т + 2%^ УЗ-импульс достигает ПЭ приемника Я, пре­ образуется в импульс высокочастотного напряжения (рис.3.10, б) и поступает на высокочастотный усилитель У. После усиления принятый импульс подает­ ся на вертикально отклоняющие пластины ЭЛТ. Одновременно с возбуждени­ ем излучателя И ИГ запускает блок задержки БЗ с регулируемым временем задержки (рис. 3.10, в). Задним фронтом задержки импульса запускаются раз­ вертывающее устройство РУ, вырабатывающее пилообразное напряжение (рис. 3.10, г) для отклонения по горизонтали луча ЭЛТ, и генератор калибровочного напряжения ГАЯ высокой частоты (рис 3.10, д).

Для повышения точности отсчета длительность развертки (рис. 3.10, г) вы­ бирается малой, достаточной лишь для изображения двух-трех полуциклов переднего фронта импульса. Отсчет числа п меток от начала задержанной раз­ вертки до первого полуцикла колебаний (рис. 3.10, е) в импульсе производит­ ся не до целого числа, а при помощи сетки на экране ЭЛТ до десятых долей метки. Расчет скорости ведут по формуле:

I I -►» Ч-

Тз+Тоз-Ъ

Рис. 3.12. Диаграммы напряжений импульсных сигналов на отдельных узлах время-импульсного устройствадляизмеренияскоростиУЗметодомИВИ с акустической(эпюраг)иэлектрической(эпюра в) временной задержкой опорного импульса (эпюра з)

УЗ-импульс, пройдя путь / через контролируемую среду, поступает на прием­ ник Я и преобразуется в импульс электрического напряжения (рис.3.12, д) че­ рез промежуток времени т, с момента начала излучения. Принятый импульс через высокочастотный усилитель Упоступает в амплитудный аттенюатор А1.

Формирование пускового импульса выполняется по способу Н. Бражникова [139], заключающемуся в следующем. Усиленный недектированный ВЧ-им- пульс с выхода А1 подают непосредственно в точку запуска блокинг-генерато-

ра БГ (используемого в качестве ФК), собственный период колебаний которо­ го устанавливают близким к периоду Т следования возбуждающих импульсов (рис.3.12, б).

Полярность ВЧ-импульса устанавливают в У (рис. 3.12, д) таким образом, чтобы первый полуцикл колебаний импульса был обратен по знаку импульсу генерации БГ. При этом посредством А1 амплитуду второго полуцикла ВЧимпульса устанавливают равной постоянной величине Узп, на порядок превы­ шающей порог ^срабатывания БГ.

С выхода БГ сформированный короткий пусковой импульс (рис.3.12, е) дли­ тельностью 0,05-0,1 мкс поступает в блок БИПИ, который начинает формиро­ вание ИЛИ (рис.3.12, и) в момент времени, определяемый выражением:

тш— длительность первого полуцикла колебаний импульса (рис.3.12 б); т — время прохождения УЗ-импульса через исследуемую среду; тк— время про­ хождения УЗ-импульса через контактный слой (только для твердых сред); тф

— задержка срабатывания БГ относительно нулевого перехода: первый - вто­ рой полуциклы ВЧ импульса, зависящая от отношения VJV2IJ. Задержка тф сра­ батывания £Гпри отношении VJVm<0,1 не превышает 0,02 периода несущей частоты/УЗ-колебаний.

Созданный в твердотельном акустическом БЗ импульс (рис.3.12, г) преобра­ зуется в нормированный импульс (рис.3.12, ж), задержанный относительно начала излучения на время тз, соответствующее моменту поступления на при­ емник П второго полуцикла УЗ-импульса:

Нормированный импульс поступает в блок плавнорегулируемой калибро­ ванной задержки (£/73), где с задержкой тоз (в пределах 0,05-0,1 мкс) форми­ руется импульс (рис. 3.12, з), который прекращает формирование информа­ тивного прямоугольного импульса (рис. 3.12, и) в БИПИ. Длительность ИЛИ при этом составляет величину

или с учетом (3.22) и (3.24)

С выхода БИПИ информативный импульс, пропорциональный по длитель­ ности разности времен распространения УЗ при начальном с0и исследуемом

значении с скорости УЗ-колебаний, поступает на вход время-аналогового пре­ образователя ВАЛ. Второй вход ВАЛ соединен с регулятором нуля PH, подаю­ щим электрическое напряжение, компенсации тоз в Дт. Выходной сигнал ВАЛ через аттенюатор А2 поступает в регистрирующий прибор РП, в качестве ко­ торого обычно используется стандартный цифровой вольтметр на цифровом индикаторе которого напряжению ВАЛ на выходе аттенюатора А в 1 мВ соот­ ветствует время, равное 0,001 мкс. Если регистрирующий прибор РП «зашка­ ливает», то необходим переход в БЗ на другую ступень временной задержки, при которой появляется показание разности Дт на шкале РП. После акусти­ ческой калибровки ВАЛ (с учетом вышеуказанной компенсации тоз) скорость УЗ в жидкости, твердых и газообразных средах, согласно (3.25) определяется формулой:

Акустическая задержка в БЗ осуществляется твердотельным (или жидко­ стным) звукопроводом (ЗП), создающим временную задержку УЗ-импульса в среде с известной скоростью с3(учитывается QC3) по переднему фронту 2-го полуцикла. Длина ЗП измеряется микатором с ценой деления на шкале, рав­ ной 1 мкм или лазерно-оптическим дальномером. Для твердотельных ЗП ис­ пользуют плавленый кварц, скорость с продольной волны в котором по дан­ ным У. Мэзона [145] равна 5968 м/с, чистое железо или его сплав с малым процентным содержанием gc углерода. Для последних динамический модуль упругости У описывается квазипараболической функцией Н. Бражникова:

где Yт— максимум модуля упругости, равный 211,819 ГЛа\ р, св— плотность звукопровода (для чистого железа равная 7889 кг/м3) и стержневая скорость УЗ, соответственно; е,=|0,437 - g j и

Ву = 10'3 {800,1 + 957(1,093 - еу)3 + 7,7[1 + (0,915 - еу)2]'22}. (3.28)

В чистом железе, согласно (3.28), У = 211,608 МПа и св= 5179,11 м/с. При использовании УЗ-колебаний стержня поперечные размеры должны быть на порядок меньше длины волны. Чаще используется продольная волна, скорость которой, по данным Н. Бражникова, в чистом железе (Fe9999) составляет вели­ чину 5950,46 м/с (близкую к скорости в плавленом кварце).

КалибровкаВАЛведется после изготовления измерителя и периодически при его эксплуатации следующим образом. В измерительном канале между И и П с обеспечением плотного акустического контакта устанавливаются два твер­ дотельных ЗП (например из Fe9999) длиной 1Хи lk. При этом время распростра­ нения в контрольном ЗП lk /съравно ступени БЗ, например 2 мкс, а суммарное время (/j + lk)/c3равно задержке х3в БЗ. Затем при среднем положении БПЗ

регулировкой в PH устанавливают нулевое показание РП. После удаления кон­ трольного образца время распространения волны в измерительном канале сни­ жается на время 1к /су длительность импульса БИЛИ увеличивается на вели­ чину этого времени, т.е. на ступень задержки БЗ. Подстройкой аттенюатора А2 устанавливают показание РП в положение 100 % его шкалы. По окончании калибровки ВАЛ регуляторы в БПЗ, А2 и PH фиксируются.

Метод ИВИ с электрической задержкой. Метод предусматривает ступен­ чатое формирование т3 (рис. 3.12, в). При этом импульс (рис. 3.12, з), закрыва­ ющий ИЛИ (рис.3.12, и) задержан относительно момента начала УЗ-излуче- ния на время т3 + т03 и длительность ИЛИ составляет величину (3.25, а). Время т2 превышает измеряемое t на

Для измерения т01 в измерительном канале И и П акустически соединяют напрямую (без исследуемой среды) друг с другом и устанавливают амплитуду второго полуцикла колебаний принятого УЗ-импульса равной указанной выше постоянной величине VQ2. Отсчет т01 проводится по шкале РП. При этом про­ изводят поправку на время хк прохождения волны через контактный жидко­ стной слой толщиной hKмежду Я и Я, который стабилизируют двумя узкими полосками из алюминиевой фольги толщиной йк = 5 мкм. Толщина определя­ ется способом взвешивания квадрата фольги 100x100 лш, из которого выреза­ ют полоски. Такая стабилизация акустического контакта производится при ка­ либровке ВАЛ и при исследовании твердых сред рассмотренными и другими методами.

Скорость УЗ в исследуемой среде по методу электрической задержки, в со­ ответствии с (3.29) и (3.25, а) с учетом компенсации т03 при калибровке ВАЛ, определяется по формулам:

где ск— скорость УЗ-волны в слое контактной жидкости.

Метод измерения полного времени распространения волны. Измерения ве­ дут при минимальной задержке пускового импульса БИЛИ относительно на­ чала излучения волны на время т01, определяемое формулой (3.29).

Функциональная схема реализации метода и ее импульсные диаграммы при­ ведены соответственно на рис. 3.13 и 3. 14.

Синхронизатор СГ с кварцевой стабилизацией периода Т вырабатывает ко­ роткие импульсы (рис. 3.14, а), запускающие генератор ГИ возбуждающих