книги / Применения ультразвука

Потенциальными областями применения расходомеров явля­ ются неагрессивные или неразрушающие высокоточные техноло­ гии. Измерение времени пробега можно осуществлять с помощью нескольких методов, которые были описаны в главе 4: переднего фронта, измерения фаз, циклического возбуждения, перекрыва­ ния эхо-импульсов и т.д.

5.3.4. Пищевая промышленность

Пища может быть однородной и неоднородной, изотропной и анизотропной по своей природе, содержать фазы твердого состо­ яния, жидкого и газообразного. Химическими составляющими пищи являются протеины, углеводы, жиры, витамины, минералы и вода. В пищевой промышленности для создания высококачес­ твенного продукта производители часто используют ультразвук, который помогает характеризовать сырые материалы на различ­ ных стадиях [20—24]. Применение ультразвука в пищевой про­ мышленности преследует три цели: исследовать основные физи­ ко-химические свойства пищевых компонентов, контролировать свойства пищи во время ее производства, а также во время ее обработки, осуществляя контроль в режиме реального времени. Выбор ультразвукового инструмента зависит от ряда факторов, таких как природа материала, требуемая информация, точность, требуемый режим (реальное время или автономный) и, наконец, доступные финансовые средства.

Принцип действия В пищевой промышленности используется ультразвук как

низкой, так и высокой интенсивности. Ультразвук низкой интен­ сивности применяется для изучения различных свойств: состава, структуры и фазового превращения, в то время как высокая ин­ тенсивность предназначена для частого/постоянного изменения свойств пищевого материала. Мощность ультразвука низкой ин­ тенсивности не превышает 0,1 Вт-см2, а частота варьируется от 0,1 до 10 МГц. Мощность ультразвука высокой интенсивности составляет более1 Вт-см2, а частота — менее 0,1 МГц.

В процессе производства сока звуковая волна передается в овощи или сахарный тростник через жидкую среду. Волокна и сок в овощах вследствие воздействия ультразвуковой энергии колеблются неодинаково. Колебания волокон и сока различа-

ются по частоте, размаху и фазе из-за различий в плотности, эластичности и сопротивлении трению. Следовательно, волок­ на и сок должны иметь разную амплитуду колебаний и разные временные фазы относительно падающей ультразвуковой энер­ гии, так как скорость ультразвука в волокнах и соке отличает­ ся. Движения волокон и сока происходят периодически. Это приводит к тому, что сок движется периодически относительно волокон и переходит через них туда и обратно, вокруг и между них. В данном эксперименте частота варьируется от 20 кГц до сотен герц.

Импульсный генератор и самописец, регистрирующий время пробега

Рис. 5.10. Схема определения физических свойств материалов

Одним из наиболее важных характерных применений ультра­ звука в пищевой индустрии является датчик, работающий в режи­ ме реального времени и отслеживающий свойства пищевых мате­ риалов в процессе производства. На рис. 5.10 изображена простая экспериментальная установка, используемая для измерения фи­ зических свойств пищи, проходящей по трубе. Ультразвуковая импульсная энергия, генерируемая преобразователем, посту­ пает в образец, который движется по трубе. Она отражается от внутренней стенки трубы и снова поступает в преобразователь. Отраженный сигнал обнаруживается с использованием электри­ ческого счетчика времени, который показывает время прохож­ дения /туда и обратно. Зная внутренний диаметр трубы d, можно определить скорость ультразвука:

Частота датчика, используемого в этом эксперименте, состав­ ляет 2,5 МГц. Аналогичный принцип применяется при определе­ нии состава пищевых материалов и степени их кристаллизации. Наиболее распространенные способы применения ультразвука в пищевой промышленности приведены в табл. 5.3.

Табл. 5.3 Применение ультразвука в пищевой промышленности

5.3.5. Испытания бетона

Бетон представляет собой композиционный материал, который состоит из связующей среды с частицами гравия, песка и т.д. Необходимо критически оценивать структуру бетона во время его эксплуатации, дабы убедиться, что он не разрушается и в нем отсутствуют дефекты. Для неразрушающего контроля структуры бетона широко применяются два важных метода: тестирование с помощью ультразвука и анализ эхо-отклика на механическое воз­ действие [25—27]. Тестирование толстого бетона посредством уль­ тразвукового метода зачастую представляется затруднительным, что обусловлено сильным рассеянием и затуханием звуковой энергии в среде и, как следствие, низким отношением сигналшум для отраженных сигналов. Кроме того, в толстых образцах предполагается, что при распространении ультразвука использу­ ется техника сквозного прозвучивания. Для этого требуется до­ ступность обеих поверхностей, а также нормальное выравнива­ ние преобразователей по отношению к поверхностям образца и друг к другу, чего достигнуть достаточно сложно, если не сказать,

невозможно. Чтобы преодолеть вышеназванные ограничения и достоверно исследовать структуру бетона, в середине 1980-х гг. был изобретен метод неразрушающих испытаний [28], известный как метод тестирования с помощью эхо-отклика на механическое воздействие.

Данный метод подразумевает возбуждение кратковременных ударных импульсов в тестируемом образце путем механическо­ го воздействия и отслеживание поверхностных смещений, вы­ званных отражениями такого импульса от внутренних дефектов и внешних границ образца. Импульс состоит из продольных Р и поперечных S волн, которые распространяются в объекте в виде сферических волновых фронтов, а также рэлеевской волны R, дви­ жущейся вдоль поверхности. Эти волны отражаются, наталкива­ ясь на внутренние дефекты и границы, и отраженные волны воз­ вращаются к поверхности. На передней поверхности волны снова отражаются и распространяются в тестируемом объекте. Таким образом, устанавливается резонансное состояние, формируемое многократными отражениями волн между передней поверхностью и внутренними дефектами или внешними границами образца. Для отслеживания поверхностных смещений, вызванных появлением отраженных волн, используется датчик перемещений, располо­ женный вблизи точки воздействия. Главную роль в испытаниях пластин этим методом играют P-волны, потому что вызванные ими смещения намного больше, чем смещения, образуемые S- волнами в точках, близких к точке воздействия [29—31]. Амплитуда отраженной P-волны (Are/leMd) определяется по формуле:

(5.7)

где ZjViZ2—соответственно акустический импеданс областей под и над поверхностью образца, А —амплитуда движения частицы в падающей волне.

Фаза отраженной волны зависит от соотношения ZJZr Если ZJZt меньше единицы (на границе бетон/воздух; Z/Z, = 107), то на поверхности имеет место опрокидывание фазы. В результа­ те опрокидывания фазы на обеих поверхностях образца волны, отраженные от двух границ бетон/воздух, воспроизводят на воз­ буждаемой поверхности последовательный цуг волн растяжения (внутренние смещения). Принимая во внимание то, что волны, отраженные попеременно от границы бетон/воздух и бетон/сталь,

Для генерации волн различной частоты можно использовать стальные шары различных размеров. Шары меньших диаметров производят высокочастотную волну с малой энергией, которая полезна для обнаружения дефектов вблизи поверхности. Шары, имеющие больший диаметр, генерируют волны низкой часто­ ты и большей энергии, что позволяет проникать более глубоко. Правильный выбор частоты оцифровывания, объема порции дан­ ных и диаметра стального шара играет большую роль. Например, когда главная задача заключается в том, чтобы проникнуть во всю толщину структуры, следует остановить свой выбор на низкой частоте оцифровывания, большем объеме порции данных и боль­ шем диаметре шара. Что касается обнаружения трещин вблизи поверхности, в этом случае приемлемыми являются высокая час­ тота оцифровывания, маленький объем порции данных и шары меньшего диаметра.

Схема системы тестирования посредством механическо­ го воздействия и анализа эхо-отклика приведена на рис. 5.11. Основными компонентами системы являются: (I) модуль, кото­ рый включает воздействующий прибор (стальной шар) для ге­ нерации низкочастотных волн напряжения (звуковых волн) и пьезоэлектрический преобразователь, обнаруживающий повер­ хностные смещения, вызванные отраженными волнами; (II) вы­ сокоскоростная аналого-цифровая система сбора информации, которая получает и оцифровывает аналоговый сигнал напряже­ ния с выхода преобразователя, и передает его в компьютер; (III) портативный компьютер; (ГУ) компьютерная программа, которая следит за ходом каждого тестирования и управляет обработкой информации, выводя на экран сведения о тестируемой структуре (сигналы меток времени, частотный спектр, амплитуда частот как функция процента глубины).

Экспериментальную установку и сигнал, получаемый при измерениях скорости ультразвука, можно увидеть на рис. 5.12. Различия во времени поступления /î-волн надва преобразователя можно измерить с помощью передвижения курсора (рис. 5.12Ь). Расстояние между преобразователями является постоянной ве­ личиной (300 мм). Зная его, можно рассчитать скорость Л-вол- ны, а скорость Р-волны вычислить по формуле (5.9). Скорость Р-волны, рассчитанная по сигналам на рис. 5.12Ь, составляет 3950+100 м/с.

194 Глава 5. Общие и прогрессивные способы примененияультразвука

Рис. 5.11. Тестирование посредством анализа эхо-отклика на механичес кое воздействие —экспериментальная установка

Преобразующие модули

(а) Экспериментальная установка

Рис. 5.12. Измерение скорости ультразвука—метод эхо-отклика на механическое воздействие

Важными направлениями применения эхо-методов импульс­ ного воздействия являются:

(I) Измерение толщины дорожного покрытия. (II) Измерение толщины бетонных структур. (III) Определение прочности.

(IV) Определение расслоений в железобетонных мостах и па­ нелях, используемых в строительстве автостоянок.

(V) Обнаружение дефектов.

5.3.6. Датчик для замеров температуры и давления

Ультразвуковые термометрышироко применяются для замеров температуры и давления [32—36]. В основу ультразвукового тер­ мометра заложены принципы резонанса и импульсного метода. Ультразвуковые термометры более чувствительны к температур-

ной зависимости скорости звука. При температуре от 233 до 393К для измерений используется резонансный метод. Частота собс­ твенного резонанса изгибных колебаний маленького дискового кварцевого резонатора изменяется при изменении температуры или давления. Соответственно изменение резонансной частоты отмечается на шкале ее зависимости от температуры или давле­ ния.

Импульсный метод широко применяется для высокотемпера­ турных замеров. В данном методе ультразвук излучается в резона­ тор с помощью магнитострикционного преобразователя по пере­ дающей линии, которая сделана из тонкой проволоки. Состояние резонанса, фиксируемое звукоснимателем, отображается на эк­ ране электронно-лучевой трубки (CRT) в процессе постоянной подстройки частоты возбуждающего генератора. Температура оп­ ределяется по калибровочной кривой, отражающей зависимость резонансной частоты от температуры. Частота осциллятора со­ ставляет 136 кГц. Важно то, что данный метод можно применять в ядерной промышленности для измерения температур внутри ура­ новых стержней, находящихся в ядерном реакторе (1473 К) [33].

В газах измерять температуру очень легко. Для этого исполь­ зуется простое соотношение:

(5.11)

где у —удельная теплоемкость, R - молекулярная газовая посто­ янная, Т —абсолютная температура, М —молекулярная масса.

Вданных измерениях применяется импульсный метод.

Измерение давления Распространение звука в газах, жидкостях и твердых телах

зависит от давления. К примеру, скорость звука в морской воде повышается с глубиной из-за гидростатического давления (более подробно данное явление рассмотрено в главе 10). В твердых те­ лах скорость зависит от так называемой анизотропии, вызванной давлением. В газах с увеличением давления скорость звука повы­ шается, а поглощение уменьшается. Существуют два метода из­ мерения давления с помощью ультразвука: использование кварца в качестве датчика, принимающего сигналы, и измерение высоты ртутного столба. В первом методе кварцевый кристалл, реагиру­

ющий на давление, снабжается термокомпенсаторами. Давление регистрируется щупом, прикрепленным к кварцевому осциллято­ ру. Частота осциллятора варьируется от 0,5 до 1 МГц. Давление в этом методе составляет от 0до 84 МПа с разрешением 70 Па.

Во втором методе пьезоэлектрический преобразователь уста­ навливают под ртутный столб. Преобразователь посылает в ртуть ультразвуковые импульсы и принимает эхо, отраженное от поверх­ ности ртути. В таком устройстве один цилиндр с ртутью поме­ щают в среду, давление которой нужно измерить, в то время как другой цилиндр находится в стандартной атмосфере окружающей среды. Если скорость распространения ультразвуковой волны в среде постоянна, различие во времени дает различия высот двух столбов. Таким образом, результаты можно считывать в любых единицах, регулируя частоту счетчика генератора. При использо­ вании данного метода величина давления составляет от 0 до 104 МПа. Точность измерения давления ±1,625 Па.

5.3.7. Эхолот

Одним из старейших способов применения ультразвука является исследование морского или речного дна. Принцип действия эхо­ лота показан на рис. 5.13. Импульс звуковой энергии, испускае­ мый преобразователем, движется вниз и проходит в море/реку. Импульс, отраженный от дна моря/реки, обнаруживается, обра­ батывается и выводится на экран CRT. Замеренное время прохож­ дения прямо пропорционально глубине. В главе 10 подробно рас­ сматриваются различные виды гидролокаторов и их применение.

Частота ультразвукового эхолота варьируется от 10до 500 кГц, а мощность — от 5 до 50 кВт.

5.3.8. Дальномер

Ультразвуковой дальномер является одним из новейших способов применения ультразвука с учетом очень хорошего распростране­ ния его в воздухе. Принцип, лежащий в основе данного метода, заключается в измерении времени распространения ультразвуко­ вого импульса от передающего/принимающего преобразователя к препятствию и обратно. Оцифровывание сигнала позволяет из­ мерять расстояние от 0 до 20 метров с точностью до 1 сантиметра. Микропроцессор, встроенный в этот инструментарий, переводит измеренное время в длину, а также измеряет другие параметры,