книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

прямого отсчета скорости УЗ по (3.39) и соответственно по автоциркуляционному ЧИМ не превышала 0,01 %.

Импульсно-фазовый ЧИМ. Схема измерителя скорости УЗ ЧИМо,импуль­ сно-фазовой индикацией синфазного совмещения УЗ-импульса однократного прохождения с его отражениями аналогична схеме на рис. 3.17 с заменой в нем задающего генератора синхронизации ЗГ с кварцевой стабилизацией Т на генератор ЗГ с регулируемой частотой следования F пусковых импульсов, со­ единенных с частотомером 4M.

Импульсные диаграммы его блоков приведены на рис. 3.18. Совмещение импульса, имеющего время т + 2%^ однократного прохождения от Я к Я в ИК, с его отражениями (первое из которых поступает на П через время 2т) осуще­ ствляют регулированием частоты F следования возбуждающих импульсов (рис. 3.18, а\ равной 1/Т. Совмещение фиксируется на короткой задержанной раз­ вертке (рис. 3.18, е) по максимуму огибающей результирующего импульса (рис. 3.18, ж).

Расчет скорости УЗ-волны ведут по формулам (3.37) и (3.38) с заменой в них 1/Г на измеряемую 4M частоту F пусковых импульсов ЗГ. Погрешность изме­ рений здесь такая же, что и в резонансном ИФМ.

3.8. Ультразвуковое давление в поле излучения

Ультразвуковое давление измеряется различными методами: механически­ ми, термическими, электрическим, оптическим, магнитострикционным, элек­ тромагнитно-акустическим и пьезоэлектрическим. Получивший к настояще­ му времени наибольшее распространение пьезоэлектрический прием впервые предложил П. Ланжевен для морской эхолокации [165] и С. Соколов для де­ фектоскопии твердых сред методом просвечивания [1, 166].

Давление в отдельных точках УЗ-поля бегущей волны достаточно точно из­ меряют «точечным» приемником с поперечными размерами на порядок мень­ шими длины волны [79, 167]. Измерения среднего давления в поле бегущей волны выполняют обычными ПП, с введением дифракционной поправки, рас­ смотренной в разделе 2.3.

Среднее давление в жидких и газообразных средах определяют также путем измерения скоростей распространений УЗ-колебаний при наличии и при от­ сутствии стоячей волны в среде с определением разности скоростей, по кото­ рой судят о величине давления [167]. Схема устройства [168] для измерения давления приведена на рис. 3.21.

На пьезоэлектрический приемник 7, размещенный в среде с контролируе­ мой стоячей волной, поступают УЗ-колебания излучателя 2, возбуждаемого генератором 3, частота которого устанавливается такой, чтобы длина волны

рывных и импульсных колебаний производится по напряжению Vk электри­ ческих колебаний, преобразованных приемником из УЗ-колебаний. Коэффи­ циент затухания д рассчитывается [169-171] по формуле:

где Vv V2— напряжение сигналов на приёмнике при расстояниях /, и /2.

В 1935 г. П. Бикар [172] предложил излучение на разных расстояниях 1кпро­ изводить при одинаковом уровне принимаемого УЗ-сигнала путем регулиро­ вания величины возбуждающего напряжения VTгенератора и коэффициент

В твердой среде затухание исследуется контактным способом по описанно­ му методу или иммерсионным способом [173], когда изготовленные из иссле­ дуемой среды образцы различной длины 1кпогружаются в жидкость, в кото­ рой от Я к Я распространяется УЗ-волна. Для каждого из образцов длиной 1к измеряется напряжение принятого сигнала Vk и d, затем рассчитывается со­ гласно выражениям (3.41) или (3.42) с учетом степени прозрачности границы твердого образца с жидкостью. Измерение затухания непрерывных УЗ-коле- баний производится на бегущей волне. В противном случае амплитуда УЗволны на различных расстояниях от излучателя будет зависить и от затухания, и от степени резонирования исследуемой среды.

Бегущая волна в жидкостях может быть получена (для непрерывных колеба­ ний) снижением коэффициента отражения R от излучателя и приемника (при­ мерно до уровня 0,1 для каждого) либо повышением частоты/ и минимально­ го расстояния /мин. При этом должно выполняться неравенство:

ехр(-/м||н8)>100Д2. (3.43)

При исследовании твердых сред бегущая волна должна быть и в исследуе­ мом образце, и в жидкости, в которую он погружается. Это требование выпол­ няется лишь для твердых сред с малым акустическим сопротивлением рс — пластмасс, каучуков и некоторых других. В иммерсионной жидкости бегущая волна может быть сравнительно легко получена установкой волокнистых пла­ стин с малым рс и большим затуханием перед П и И под углом к направлению излучения-приема [6].

Практика показала упрощенность формул Н. Отпущенникова и П. Бикара, не учитывающих дифракционное ослабление принимаемой волны (рассмот­ ренное в гл.2). Однако при исследованиях УЗ-затухания в цветных металлах и сталях Н. Бражниковым [127] и при учете дифракционного ослабления были установлены значительный разброс измерений и обусловленная этим необхо­

димость устранения нестабильностей акустического контакта ПП с образца­ ми исследуемой твердой среды. Вместо (3.41) имеет место зависимость:

где Od= pJpo— дифракционный коэффициент, равный отношению среднего УЗ-давления в среде без затухания к начальному давлению излучения в нее, определяемый для расстояний /, и /2 в ближней и промежуточной зонах графи­ чески (рис. 2.2), а в дальней зоне — расчетом по формуле (2.19); Кн, Кп— коэффициенты, учитывающие изменения преобразовательных свойств, соот­ ветственно Я и Я, вызванные влиянием толщин hKконтактного слоя при изме­ рениях в образцах твердой среды длиной /, и /2.

При исследовании затухания в меди и сплавах на ее основе было выявлено, что слой толщиной hK= 0,035Хк контактной жидкости — воды с увеличиваю­ щими смачиваемость добавками снижает произведение КпКпна 6 дБ. Коэффи­ циент отражения от (импеданс димпфера zR= 5 МН-с/м3) пьезопреобразовате­ ля при этом возрос на 2,5 дБ.

Точные измерения затухания УЗ-колебаний в средах требуют: 1) снижения непараллельности поверхностей Я и Я (или отражателя) до единиц мкм; 2) высокую чистоту обработки торцевых поверхностей образца исследуемой твер­ дой среды; 3) учета коэффициентов Rn , Rnотражения Я, Я и изменения их преобразовательных свойств, вызываемых тонким слоем контактной жидко­ сти, наносимой на торцы образца; 4) исключения нарушения «бегущего» ре­ жима отражениями конусно расходящейся волны в дальней зоне УЗ-поля от боковых поверхностей жидкостной камеры или твердотельного образца; 5) обеспечения прецизионности измерений отношения напряжений сигналов.

Первые два требования носят чисто технический характер. Третье требова­ ние реализуется устранением нестабильности акустического контакта, выпол­ нением hK« 0,1А,к и постоянством толщины контактной жидкостной пленки для Я и Я при разнесенных во времени измерениях в образцах длиной /, и 1Г Постоянство жидкостного контакта по методу Н.И. Бражникова обеспечено размещением между ПП и торцом образца двух узких полосок фольги парал­ лельно друг другу на расстоянии а - 0,5 мм от края ПП. Толщина фольги дол­ жна быть в диапазоне (0,01—0,03)Л,к например на частоте 5 МГц для воды (ис­ пользуемой в качестве контактной жидкости) соответствует, в среднем, 6 мкм. При этом Ки =Кл , Кп]= Кп2формула (3.44) преобразуется к виду:

По четвертому требованию влияние боковых отражений устраняют нанесе­ нием звукопоглощающего покрытия на боковую поверхность образца, а внут­ реннюю поверхность жидкостной камеры футеруют фторопластовым (или иным звукопоглощающим) слоем. Для выполнения последнего из вышеука­

занных требований необходимо в электронном канале системы измерения за­ тухания ввести калиброванный Ат и цифровой вольтметр детектированного (после аттенюации и усиления) сигнала, при этом Атустанавливают для каж­ дого из сигналов в положение, соответствующее верхнему пределу шкалы воль­ тметра.

Метод отражений с двумя ПП. В ряде исследуемых технологических сред затухание ультразвуковых колебаний может быть малым, что требует увели­ чения пути прохождения УЗ колебаний. Это может быть достигнуто, в случае импульсных колебаний, использованием многократного эхо УЗ волны между И и П ъ исследуемой среде. Коэффициент затухания будет определяться выра­ жением:

где ÆHl, Rn] — коэффициенты отражения в исследуемой среде, соответственно от Я и Я; 0 rfI, — дифракционные коэффициенты для расстояний, соответ­ ственно (2n + 1)/, и (2n + 1)/2; Vv V2— напряжения эхо-сигнала; п — отраже­ ния в образце среды длиной /, и 12соответственно.

При обеспечении стабильности акустического контакта Kul = Kiü, Knl = Кп2,

Методы переменного расстояния с общим ПП. Измерения этим методом отличаются от метода двух ЯЯтем, что излучение производится в виде корот­ кого пакета (импульса) на несущей частоте /УЗ-колебаний с последующим приемом эхо-сигнала от отражателя одним и тем же ПП.

Расчет коэффициента затухания для первого эхо производят по измененной формуле (3.45) с введением множителя 0.5 к ее правой части и расчетом диф­ ракционных коэффициентов 0^, и 0 ^ для расстояний, соответственно 21хи 2/,.

При исследованиях образцов твердых сред отражающей средой является воздух и с погрешностью <0,0001 % коэффициент отражения R =-1.

Для исследований жидких и газообразных сред часто используется твердо­ тельный отражатель из звукопоглощающего материала с акустическим импе­ дансом Zot. Для него коэффициент отражения

где рс — импеданс исследуемой среды.

В исследованиях химически агрессивных жидких сред авторами применял­ ся отражатель из титановой тонкой ленты (с толщиной h0, на два порядка мень-

шей длины волны в титане) с воздушным демпфером. Коэффициент отраже­ ния здесь составляет величину:

Яот= к , + + (3-47, б)

модуль которой равен 1. Здесь с0 — плотность материала отражателя.

Для измерения затухания с использованием п-кратного эхо-сигнала от отра­ жателя V2при обеспечении стабильности акустического контакта ПП с конт­ ролируемой средой и параллельности поверхностей ПП и отражателя коэф­

где 0 Л, 0 Л — дифракционные коэффициенты, рассчитываемые для расстоя­ ний, соответственно 2nlxи 2nlv

3.9.2. Методы фиксированного расстояния

Методы основаны на сравнении амплитуд УЗ-импульсов прямого прохож­ дения и многократно отраженных (при использовании отдельного приемного ПП) или однократно и многократно отраженных импульсов от отражателя и приемно-излучающего ПП.

Метод общего ПП. Метод заключается в следующем. Генератор коротким импульсом возбуждает ПЭ. Дважды пройдя исследуемую среду (до отражате­ ля и обратно), УЗ-импульс возвращается к ПЭ и преобразуется в электричес­ кий импульс с амплитудой напряжения Vr пропорциональной давлению р х принятой импульсной волны

где 0^, — дифракционный коэффициент для пути прохождения УЗ-импульса в контролируемой среде, равном 21; р0— начальное давление излучения при

# и = 1 в исследуемой среде.

Импульс п-кратного отражения от преобразователя ПП и отражателя преоб­ разуется в электрический импульс с напряжением V2, пропорциональным дав­

где 0 ^ — дифракционный коэффициент для расстояния 2ni.

Отношение напряжений сигналов первого и и-отраженного импульсов, про­ порциональное отношению давлений УЗ-импульсов р х!рп, в соответствии с

При исследовании жидких и газообразных сред целесообразно использова­ ние тонкого металлического отражателя с воздушным демпфером, а для твер­ дых сред отражающей средой является воздух, когда модуль коэффициента^ равен 1. Логарифмирование (3.51) дает формулу для определения коэффици­ ента затухания в исследуемой среде:

Определение коэффициента Rnaотражения от ПП производят после указан­ ных измерений Vxи F2, заменив отражатель на резервный ПП (не подключая его к генератору и усилителю) и точно измерив, используя аттенюатор и циф­ ровой вольтметр, величину относительно ослабления «-кратно отраженного сигнала Vr Эта величина равна Rj*~\ логарифм которого представляет собой третье слагаемое в правой части расчетной формулы (3.52). Для твердых сред (где отражающая среда — воздух) при установке резервного ПП необходимо использовать тот же способ стабилизации акустического контакта, что и для приемно-излучающего ПП. Авторами применялся также способ калибровки ПП по величине Rm(при hc= 0,03XQтитанового отражателя с воздушным дем­ пфером) для сред с импедансом, близким к исследуемым средам.

Метод двух ПП. Измеряя на П напряжения VQимпульса прямого прохожде­ ния и F импульса «-отражения, можно рассчитать коэффициент затухания по формуле:

где « — номер отраженного импульса, поступающего на приемник вслед за импульсом прямого прохождения; Rn, Rn— коэффициенты отражения соответтвенно И и П при акустическом контакте с контролируемой средой (для твердых сред — со стабилизированным слоем контактной жидкости); Qd{, 0 Л

— дифракционные коэффициенты для расстояний, соответственно / и (2« + 1)/. Как и в методе с общим ПП, здесь применяют калиброванные излучатель и

приемник с известными значениями Ruи Rn.

3.9.3. Интерферометрические методы

Как уже отмечалось в подразделе 3.3, в интерферометре при расстояниях / между И и О (или 77), кратных целому числу полуволн, возникает резонанс и соответственно максимум УЗ-давления стоячей волны. Этот максимум дает резонансный пик напряжения электрического сигнала 77. Амплитуда резонан­ сного пика с увеличением / уменьшается по логарифмическому закону, опре­ деляемому коэффициентом 8 затухания в исследуемой среде. Без учета коэф­ фициента отражения Rn, RQ(или Rn), 8 рассчитывается по приближенной фор-

муле (3.41), где /2 - /, кратно ЛУ2. Этим методом первым провел измерения затухания УЗ в газообразных средах У. Пильмейер [174].

Разработкой метода измерения затухания непрерывных УЗ-колебаний в жид­ костях при наличии стоячих волн занимался Дж. Хаббард [175, 176]. Для оп­ ределения коэффициента затухания измеряются интерферометрические ми­ нимумы /мин и максимумы /макс тока генератора при разных расстояниях 1Хи /2. Расчет производится по формуле

где В — постоянная, зависящая от конструкции акустического ПП и частота УЗ, определяемая экспериментально измерениями в жидкости с известным 8.

Метод, предложенный Дж. Хаббардом, экспериментально был проверен Ф. Фоксом [177] на воде, Дж. Хантером [178] на вязких жидкостях и Дж. Куином [179] на бензоле.

Используются также методы измерения 8 по полуширине резонансного пика [91] интерферометров фиксированного или переменного расстояний (см. п.3.3), когда измеряется не амплитуда резонансного пика, а определяют моменты ре­ зонансов и спадания амплитуды резонанса до уровня 0,707 выбранных п резо­ нансов. Изменение Af при фиксированом расстоянии или Al при фиксирован­ ной частоте на 1-ом и «-ном резонансе является мерой величины затухания УЗ-колебаний в исследуемой среде.

3.9.4. Реверберационные методы

Метод объемной реверберации. В замкнутый объем жидкости в течение некоторого промежутка времени излучаются непрерывные ультразвуковые колебания. После выключения генератора, возбуждавшего ЯЭ, УЗ-колебания будут затухать и УЗ-энергия будет с течением времени убывать.

Вслед за прекращением излучения к ЯЭ подключается регистрирующее ус­ тройство и измеряется промежуток времени т, в течение которого интенсив­ ность сигнала от уровня Jx в начальный момент измерений уменьшится до уровня Jr

Измерения коэффициента затухания таким методом впервые провел в 1940 г. Р. Леонард [180, 181].

Если пренебречь потерями УЗ-энергии, обусловленными трением о стенки камеры акустического преобразователя, и излучением через стенки, то d мо­

Импульсный реверберационный метод. Если период излучения выбран достаточно большим, то все многократно отраженные импульсы успеют за­

тухнуть к подаче на Я следующего возбуждающего импульса генератора. Сред­ ний ток этих импульсов после их усиления и детектирования пропорционален коэффициенту затухания S. Для того чтобы исключить зависимость результа­ тов измерений от коэффициента отражения И и П и снять градуировочную характеристику, производятся измерения на нескольких жидкостях с извест­ ными коэффициентами затухания.

Глава 4. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ СКОРОСТИ ПОТОКА И РАСХОДА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД

В практике использования автоматических систем управления технологи­ ческими процессами ряда промышленных производств [2, 7, 11, 43-46, 182, 183] одним из информативно востребованных параметров является скорость жидкостных и газовых потоков.

В данной главе изложены основы теории и практики фазового, импульсно­ фазового, время- и частотно-импульсного контактного и бесконтактного конт­ роля скорости потока и расхода жидкости (в частности, без расстыковки тру­ бопровода).

Рассмотрены также базовые характеристики акустического тракта систем УЗКР ТП при одновременном встречном излучении УЗ накладными ПП с уменьшенной способом демпфирования ЗП эхо-импульсной реверберацией.

Впервые идея использования акустических колебаний для измерения скоро­ сти движущейся жидкости была высказана в немецком патенте О. Рюттена [7, 184] в 1928 г. Разность времен распространения акустических сигналов им предложено измерять, используя погруженные в поток (расположенные на одной оси) один двусторонний И и два П по его сторонам для создания двух акустических каналов.

Вскоре после этого, в 1931 году, в итальянском патенте А. Фиоренци [185] было высказано предложение о возможности измерения скорости потока и соответственно объемного расхода жидкости в трубопроводах с помощью аку­ стических колебаний. За этими предложениями в последующие годы был выс­ казан или запатентован ряд идей, предложений и устройств других исследова­ телей [186-190] для измерений скорости жидкости и скорости воздушных по­ токов [191-192]. Прошло более 25 лет после первого предложения, пока не осуществили, имеющие практическое значение, разработки УЗ-измерителей скорости потока и расхода сред: в 1955 г. Дж. Критц [193-201], М.М. Гордон, Е.Т. Проскуряков, В.В. Шапиро [202] в 1959 г. с #77, контактирующими с контролируемой жидкостью; в 1957 г. Г.И. Биргер, Н.И. Бражников [203, 204] с ПП на внешних торцах «врезных» (в стенки трубопровода) наклонных звукопроводах, обработанных заподлицо с внутренней поверхностью трубопрово­ да и отделяющих ПП от жидкости, и Н.И. Бражников в 1958 г. [11, 12, 205] полностью бесконтактным методом с ПП на звукопроводах, установленных на внешней поверхности трубопровода.

В основных методах, базирующихся на изменении скорости УЗ в движу­ щейся жидкости, разность времен распространения УЗ-волн, распространяю­ щихся по направлению и против потока, измеряются двух- и одноканальными фазовыми, время- и частотно-импульсными методами.