книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdfРис. 3.13. Функциональная схема измерителя скорости УЗ-методом измерения полного времени распространения УЗ-волны в исследуемой среде
» п _____________________________ а
Рис. 3.14. Диаграммы электрических импульсных сигналов блоков время-импульсного измерителя скорости ультразвука
импульсов (рис. 3.14, б) и поступающие в формирующий каскад ФКП пуско вых импульсов. Функционирование преобразователей И, П, усилителя У ат тенюатора Л1 и формирующего каскада ФК аналогично устройствам по мето-
дам акустической или электрической задержки опорного импульса. ФКП, уп равляемый импульсами СГ, с задержкой т01 вырабатывает импульсы (рис. 3.14, в), запускающие БИПИ, который начинает формирование информативного прямоугольного импульса (рис. 3.14, е).
Сформированный по фронту второго полуцикла принятого УЗ импульса (рис. 3.14, г) нормированный импульс (рис. 3.14, д) с выхода ФК поступает на вто рой вход БИЛИ. Под воздействием импульса ФК в БИПИ прекращается фор мирование информативного импульса с длительностью:
для газов и жидкостей
\ г 1/с+\ |
(3.32) |
и для твердых сред |
|
\ =l/c+\ +2hJck- |
(3.33) |
Прямоугольный импульс длительности ти, несущий информацию о скорос ти с в исследуемой среде, с выхода БИПИ поступает в расширитель длитель ности импульсов РДИ С его выхода импульс длительностью, равной 100ти (рис. 3.14, ж) поступает на вход счетчика цифровых импульсов СЦИ, куда подаются сверхкороткие импульсы с частотой 100 МГц из генератора ГСИ. Эти импульсы в СЦИ проходят на счетный блок лишь во время действия пря моугольного импульса РДИ (рис. 3.14, з). Импульсы, заполняющие измеряе мый интервал 100ти, поступают в пятидекадный цифровой РП, имеющий дис кретность регистрации 0,001 мкс и диапазон 0-99,999 мкс.
Время прохождения через стабилизированный слой контактной жидкости hjckопределяется расчетным путем и составляет например при h = 5 мкм для воды (с = 1482,7 м/с) величину 0,0035 мкс. Величину т01, поясняемую форму лой (3.29), как и выше, определяют измерением на цифровом РП времени про хождения волны от Я к Я через контактный слой. Скорость УЗ-волны рассчи тывают по формулам:
для газов и жидкостей
с = / ( 1 - 0 с)/(тн - т 01) |
(3.34) |
и для твердых сред |
|
с = /(1 - ©с)/(ти - т01 - 2hklck). |
(3.34 а) |
Погрешность методов ИВИ и полного времени t в исследуемой среде при среднем его значении 50 мкс на частоте/ = 5 МГц не превышает 0,005 % и может быть снижена повышением частоты и поправкой на асимметрию пер вого полуцикла измеряемого и задержанного импульсов.
3.6. Импульсно-фазовые методы контроля скорости ультразвука
Импульсно-фазовые методы (ИФМ) исследования и контроля различных сред [6, 109, 112-114, 146] впервые применил Н. Бражников в 1958 г.
ИФМ подразделяются на компенсационный с акустической и электричес кой задержками эталонного УЗ-импульса, резонансный и совмещения во вре мени принимаемого импульса с его отражениями. Их применили для исследо вания: флотореагентов, электролизных растворов— Н. Бражников [6,109,112]; металлов и полимеров — Дж. Уильямс, Дж. Лэмб, Н. Бражников, В. Марго лин, П. Голубь, И. Перепечко [147-149]; горно-обогатительных производств
— Н. Бражников, В. Карбачинский, В. Копьев, В. Ямщиков [150,151]; нефти и нефтепродуктов в магистральных трубопроводах и авиагидросистемах — А. Александров, Н. Бражников, А. Полянский, Э. Крылова, В. Сапожников [152, 153].
Компенсационный ИФМ с акустической задержкой. Функциональная схе ма измерителя скорости УЗ колебаний приведена на рис. 3.15, а диаграммы напряжений — на рис. 3.16.
Импульсный генератор ГИ короткими импульсами (рис.3.16, а) возбуждает излучатели Я и Я ИК и ЭК Одновременно запускается задерживающее уст ройство ЗУ, выходной импульс которого (рис.3.16, б и 6j) запускает разверты вающее устройство, вырабатывающее пилообразное напряжение задержанной на время тзр развертки (рис.3.16, д) в ЭЛТ. Период Г следования импульсов ГИ выбран таким, чтобы многократные отражения в ИК и ЭК (рис. 3.16, б и 6J закончились к следующему моменту излучения.
Принятые импульсы однократного прохождения с временами т + 2тпр на Я и тэ1 на Я выравнивают по амплитудам первого полуцикла их ВЧ заполнения посредством аттенюаторов А и Аэи они поступают в смесительный каскад СК Картина векторного сложения импульсов (рис. 3.16, эпюра 61 и рис. 3.16, эпю ра б) в противофазе и фиксация момента совпадения их во времени (рис. 3.16,
Рис. 3.15. Функциональная схема измерителя скорости УЗ импульсно-фазовым методом (ИФМ) с акустической задержкой эталонного импульса
Рис. 3.16. Импульсные диаграммы электрических сигналов блоков измерителя скорости УЗ И Ф М с акустической (эпюра б,) иэлектрической (эпюра в) задержкой эталонного импульса при компенсаци онном (эпюра ж) и резонансном (эпюра е) способах индикации совмещения измерительного и эта лонного импульсов
ж) по минимуму разности амплитуд первого полуцикла наблюдается на ЭЛТ, куда с СК через усилитель У подается результирующий импульс. Выравнива ние времен импульсов П и Я обычно производят изменением акустической базы /э в ЭК. С учетом симметрии протекторов ПП в ИК и ЭК скорость УЗ в исследуемой среде определяется выражением:
с = [с 11(1-2СЛ )] [1 - е с+ 0 сэ/3/(/3- 2cxk)l |
(3.35) |
где хк= 0 для и жидких и газообразных сред.
Чувствительность компенсационного импульсно-фазового метода высока, составляя 0,0001 мкс на частоте УЗ-колебаний 5 МГц.
Прямой отсчет скорости УЗ в м/с для жидких и газообразных сред дает со гласно [154] способ переменной базы / в ИК при постоянстве базы в ЭК (или при использовании в нем стабильной электрической задержки). По этому спо собу для беспротекторного ИК в режиме приема импульса прямого прохожде ния (рис. 3.16 6) задержка тэ= Псэв беспротекторном ЭКустанавливается крат ной 10"”, где п — целое число. Для ИК в эхо-режиме (когда излучение и после дующий прием эхо-сигнала от О в исследуемой среде производится одним и тем же ПП) задержка тэ устанавливается кратной 2-10"” Измерение базы / в ИК (и, следовательно, скорости УЗ) обеспечивается микрометрическим уст ройством в ИК [7, 150] или лазерно-оптическим дальномером.
Компенсационный ИФМ с электрической задержкой. Эталонный канал (рис. 3.15) по данному методу заменяется на последовательно включенные блоки плавной БПЗ и ступенчатой БЗ электрической задержки. В последнем, задержанный на время тэ1 (рис.3.16, в) короткий импульс запускает вспомога тельный генератор колоколообразных импульсов с заполнением УЗ-частоты/ (рис.3.16, el), по фронту первого полуцикла совпадающий с задержанным импульсом. Блок БПЗ имеет калиброван-ную шкалу регулятора задержки tmс диапазоном, равным 0-1,1 временной ступени (равной например 2 мкс) в бло ке БЗ. Таким образом суммарная электрическая задержка тэ7= тоэ+ ту где тэ — задержка в БЗ.
После настройки режима взаимной компенсации первого полуцикла импуль сов (рис. 3.16, ж) — регулировкой электрической задержки, ведется расчет
скорости УЗ волны по формуле |
|
С = [//(тоэ + т ," 2 т пр - 2тк](1 - 0 С). |
(3.36) |
Измерение времени прохождения 2тпр через протекторы производят соглас но способу в методе ИВИ с электрической задержкой с отсчетом 2 ^ + hjckпо шкале регулятора плавной задержки в БПЗ. Время прохождения УЗ импульса через контактный слой толщиной Икрассчитывают по известной скорости уль тразвука в контактной жидкости. Погрешность компенсационных ИФМ на ча стоте 5 МГц для среднего t =20 мкс можно снизить до 0,001 %.
Резонансный ИФМ. Метод отличается от компенсационного синфазным смешением в СК импульсов П (рис.3.16 б) и Я (рис.3.16, б{). Момент совме щения импульсов при плавной регулировке времени поступления одного из них в смесительный каскад СК наблюдают по максимуму огибающей резуль тирующего импульса (рис.3.16, е). Расчет скорости ультразвука производят при акустической задержке в ЭК по (3.35) и при электрической задержке в ЭК —
по (3.36). Чувствительность данного метода на порядок ниже компенсацион ного ИФМ. На частоте 5 Мгц при среднем т = 50 мкс погрешность измерений не более 0,005 %.
ИФМ совмещения принимаемого импульса с его отражениями. Метод подробно описан в [6, 154]. Схема его реализации приведена на рис. 3.17 и импульсные диаграммы ее блоков — на рис. 3.18. Генератор ГИ со стабиль ным периодом Т запускается задающим генератором ЗГ и вырабатывает ко роткие РЧ-импульсы с несущей частотой/(рис. 3.18, а).
Импульс ГИ возбуждает пьезоэлектрический И акустического измеритель ного канала ИК. Через время т +21^ на ПЭ приемника П поступает импульс однократного прохождения (рис. 3.18, б). Здесь т, тпр — время прохождения соответственно через исследуемую среду и протекторы. После отражения от П и затем И через промежуток времени 2т он снова поступит на Я в виде отраженного импульса, но уже в последующем периоде излучения-приема. Дальнейшая картина поступления импульсов однократного прохождения и от раженных (в исследуемой жидкой или газообразной среде) в последующих втором и третьем периодах показана на рис. 3.18, в и г. Так как периоды излу чения следуют один за другим с постоянным интервалом Т (рис.3.18, а), то на приемнике Я, начиная со второго периода с импульсом однократного прохож дения будет совмещаться двукратно отраженный импульс предыдущего пери ода излучения. Синфазное совмещение будет иметь место при регулировании времени распространения т = Нс в исследуемой среде до величины, равной половине периода Т посылки УЗ-импульса.
Чтобы точнее производить установку т = 0,5Г и регулировку акустической базы / по совмещению импульсов, картина совмещения наблюдается на корот кой развертке. Развертывающее устройство РУ, вырабатывающее пилообраз ное напряжение (рис. 3.18, е), запускается импульсом (рис. 3.18, д%задержан ным на Тзотносительно момента излучения с помощью ЗУ.
Чувствительность совмещения импульсов (рис. 3.18, ж) зависит от частоты и соотношения амплитуд импульсов, которые определяются затуханием в кон-
Рис. 3.17. Функциональная схема измерителя скорости УЗ импульсно-фазовым методом (ИФМ) со вмещения импульса прямого распространения с его отражениями в исследуемой среде (ИС)
Рис. 3.18. Импульсные диаграммы электрических сигналов блоков измерителя скорости УЗ И Ф М совмещения импульса прямого распространения с его отражениями в исследуемой среде
тролируемой среде и коэффициентами отражения излучателя и приемника. Чем больше частота и коэффициенты отражения и чем меньше затухание, тем чувствительнее данный метод. Анализ и экспериментальные исследования показывают, например, что на частоте 5 МГц и отношении отраженного им пульса к прямому, равному 0,3, при использовании ЭЛТ со шкалой 100 мм чувствительность определения момента совмещения составляет около 0,002 мкс.
Скорость УЗ определяется по формуле:
с = 2(1 - 0 С)//Г. |
(3.37) |
При использовании ГИ с кварцевой стабилизацией периода следования Т возбуждающих импульсов, кратным 2(1 - 0 С)1О"Я, отсчет скорости УЗ-волны производится непосредственно по шкале лазерно-оптического индикатора рас
стояния / между протекторами Я и П. Погрешность измерения скорости для т = 50 мкс не превышает 0,005 %.
Аналогичны измерения с определением скорости согласно выражению (3.37) и при использовании акустического ИК в эхо-режиме
т = 2//с, |
(3.38) |
где / — расстояние между И и отражателем О.
В обеспечение отсчета скорости УЗ-волны в м/с (по шкале индикатора рас стояния I) период Т устанавливается кратным 2(1 - 0 С)1О~”
3.7. Частотно-импульсные методы
Частотно-импульсные методы (ЧИМ) основаны на измерении частоты F сле дования возбуждающих УЗ излучатель электрических импульсов, имеющей пропорциональную зависимость от скорости сультразвука в исследуемой среде. Методы подразделяются на автоциркуляционный Р. Холбрука-Дж. Критца [155-156] и импульсно-фазовый М. Гринспана, К. Ч игга-Н . Бражникова [127, 154, 157-158].
Автоциркуляционный ЧИМ. Схема измерителя скорости частотно-импуль сным методом (ЧИМ) автоциркуляции (АЦ) импульсов в электронно-акусти ческом тракте приведена на рис. 3.19, а импульсные диаграммы блоков схемы
— на рис. 3.20.
Импульсный генератор ГИ может работать в автоколебательном режиме с периодом следования Г и в режиме синхронизации (повторного запуска). Син хронизация генератора осуществляется принятым УЗ-импульсом, время рас пространения которого определяет частоту синхронизации.
Период автоколебаний Т выбран несколько большим по сравнению с макси мальным временем распространения УЗ-импульса. Тогда, если вследствие ка ких-то помех на некоторый промежуток времени случайно прервется поступ ление УЗ-импульса, то генератор будет продолжать работать, но с периодом собственных автоколебаний Т до тех пор, пока не появится УЗ-импульс.
Рис. 3.19. Функциональная схема автоцирку-ляционного частотно-импульсного метода (ЧИМ) изме рения скорости УЗ-колебаний
Рассмотрим систему самозапуска импульсного генератора в течение 3-х пе риодов запуска. Работа схемы в последующие периоды аналогична.
Первоначальный импульс генератора ГИв режиме автоколебаний (рис. 3.20, а) несущей частоты /возбуждает //измерительного канала ИК. Излученный УЗ-импульс, пройдя исследуемую среду, через время %хдостигнет П и преоб разуется им в импульс электрического напряжения(рис. 3.20, б).
Принятый импульс усиливается ВЧ-усилителем У, регулируется по ампли туде в аттенюаторе А1 и поступает на ФК. Этот каскад вырабатывает короткий пусковой импульс (рис. 3.20, в). Из ФК выработанный импульс поступает в частотомер 4M и в генератор ГИ, который выдаст первый возбуждающий им пульс (рис. 3.20, г) АЦ на излучатель И.
Во втором периоде АЦ излученный импульс через промежуток времени поступает в приемник П, преобразующий его в электрический импульс с не сущей частотой/ колебаний (рис. 3.20, д). Из него ФКвырабатывает 2-й пуско вой импульс (рис. 3.20, е), который поступает в 4M и в ГИ, вырабатывающий второй возбуждающий импульс АЦ (рис.3.20, ж).
В третьем периоде АЦ аналогично происходит УЗ излучение-прием-усиле- ние-формирование третьего пускового импульса (рис. 3.20, ж-к), который снова запускает ГИ, вырабатывающий третий возбуждающий импульс (на рис. 3.20 не показан).
В итоге, устанавливается АЦ импульсов в электронно-акустическом тракте (рис. 3.19) с частотой F, обратно пропорциональной времени и, следова тельно, прямо пропорциональной скорости распространения УЗ-волны в ис следуемой среде. Частота F последовательности пусковых импульсов (рис. 3.20, л), поступивших в 4M, в последнем измеряется с преобразованием, обеспечи вающим непосредственный отсчет скорости УЗ-волны с в м/с:
c = lF(1 - 0 с). |
(3.39) |
Исследования ^/-методом провели К. Чигг, Е. Нейс в морской воде [159]; Н. Бражников, В. Негурица, В. Ямщиков в цветных металлах и горных породах [127, 160-161]; Б. Михалев, Г. Поль-Мари — в жидких средах [162]; М. Гитис, И. Михайлов, А. Химунин в жидких металлах [163].
Как показывает анализ 4ИМ [в, 127], в упрощенном выражении [3.39] не учитывается время распространения УЗ-импульса в протекторах 2т и время запаздывания электрического импульса при формировании пускового импульса тф в электронной схеме. С учетом этого между частотой F и скоростью УЗ существует следующая зависимость для средне-поглощающих сред:
с = {IF/[1 - F(тф + 2тпр+2т4)]}(1 - ©с). |
(3.40) |
Из этого выражения видно, что при точных измерениях скорости УЗ следует учитывать запаздывание пускового АЦ-иыпулъса, вносимое протекторами в ПП и электронной схемой. В противном случае появится относительная по грешность, примерно равная отношению этого запаздывания к времени рас пространения т в контролируемой среде. Например для четвертьволновых про текторов ПП, используемых для газообразных сред [115], при т = 50 мкс и / = = 1 МГц она достигает 1,5 % для (3.39).
Уменьшение запаздывания тф + 2тпр в АЦ-4ИМе, более чем на порядок, дос тигается способами Н. Бражникова: формирования пускового импульса по средством блокинг-генератора [139] по фронту первого полуцикла принятого импульса (рис. 3.20, б) и замены протектора в ПП [164] на титановое покры тие толщиной 2 мкм, наносимое вакуумным напылением на нулевую обклад ку ПЭ в ПП. При этом на частоте 5 МГц для времени т =50 мкс погрешность