книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

В первых разработках, описанных Г. Пирсом [80], Дж. Хаббардом и А. Лу­ мисом [81, 82], применялся способ, основанный на реакции генератора. Реги­ страция резонанса осуществлялась с помощью вольтметра, измеряющего на­ пряжение на излучающем ЯЭ, в некоторых схемах - по измерению тока гене­ ратора. При резонансе напряжение на излучателе максимально, а ток генера­ тора минимален.

Определение скорости распространения УЗ-волны в исследуемой среде про­ изводят, после отсчета к резонансов, по формуле:

где 1у 1к— расстояние, соответствующее отсчету 1-го и к-го резонансов. Схемы с использованием реакции генератора применялись в интерферомет­

рах рядом других исследователей: П. Прозоровым [83, 84], Е. Ранквистом, Г. Марксом [85, 86], Ф. Вером [87], В. Илгунас, О. Кубилюнене, О. Япертасом

[88].

Приемный ПП вместо отражателя применили У. Фрай [89], М. Гринспан, М. Томпсон [90], Н. Бражников [6, 79], И. Пукас, В. Сукацкас [91].

Для жидких и газообразных сред в интерферометрах с фиксированным рас­ стоянием резонанс достигается изменением частоты генератора, с которого возбуждающее напряжение поступает на излучатель. Такие интерферометры впервые предложили Дж. Хаббард и И. Цартман [92]. Интерферометры с фик­ сированным расстоянием применяли также К. Рао, Б. Рао [93], К. Кундротас, В. Сукацкас, Э. Яронис [94] и другие исследователи. Теория интерферометра этого типа разработана Ф. Боргнисом [95], который в частности, показал, что изменение коэффициента отражения на границе жидкости с отражателем и излучателем (вследствие изменения акустических импедансов сред) не влияет на изменение длины УЗ-волны. В действительности это влияние имеет место.

Разность частот Af= J/j - f 2\между соседними резонансами при частотах/j и f 2соответствует изменению на 1/2 числа полуволн, укладывающихся в столбе резонирующей жидкости или цилиндрическом образце твердого тела высотой /. Для повышения точности измерений обычно определяется несколько резо­ нансных точек, тогда скорость ультразвука в случае ПП с «воздушным» демп­

где к — количество резонансных точек; f vf k— частоты на 1-ми к-м резонан­ сах.

В твердых телах иммерсионный интерферометрический метод фиксирован­ ного расстояния между излучателем и приемником также основан на измене­ нии частоты генератора. При измерениях пластина исследуемого материала ставится между И и Я, погруженными в жидкость. Следует отметить, что для

снижения погрешности измерений должно быть исключено резонирование самой жидкости при измерении частоты. Если при измерении частоты по тол­ щине пластины твердого тела укладывается целое число полуволн, то пласти­ на будет обеспечивать максимальное пропускание УЗ-волны. Измеряя часто­ ты, на которых имеют место максимумы пропускания, можно рассчитать ско­ рость УЗ в твердом теле. Измерения по этому методу первыми в 1928-1930 гг. провели Р. Бойл, Д.Фроман [96, 97], Р. Бойл и Д. Спроуль [98]. При этом были необходимы ЯЭ, обеспечивающие излучение и прием УЗ в некотором частот­ ном диапазоне. С. Бхагавантам и Дж. Бхимасенахар [99] применяли для этой цели клиновидные ПЭ из кварца и турмалина. Для кварца излучение обеспе­ чивалось в диапазоне 1,4-5 Мгц, а для турмалина в диапазоне 3-16 Мгц.

Фазовые методы. Длину волны можно определить [27,72] изменением сдви­ га фазы между высокочастотным напряжением генератора, возбуждающим излучатель Я, и напряжением на приемнике Я бегущей УЗ-волны, прошедшей через контролируемую жидкость. При измерении расстояния между И и Я изменяются время распространения волны и фаза напряжения на Я. Измене­ нию расстояния на длину волны X соответствует сдвиг фазы на 2п. Индикация фазовых интервалов 2п производится с помощью ФЧУпо минимуму или мак­ симуму их показаний. Для повышения точности измерений производится от­ счет нескольких (к) максимумов или минимумов и соответствующих им рас­ стояний / между И и Я.

При использовании ФЧУ [7, 100-101] с периодом нулевых показаний, рав­ ным л, скорость УЗ рассчитывается по формуле (3.3), умноженной на (1 + ©С1 - &Ск), а для устройств, имеющих период экстремальных показаний 2тг, со­

где 0 С1, — дифракционные поправки для расстояний 1Хи 1к(1к> /,)• Впервые фазовая схема измерения длины УЗ-волны была предложена Г. Игли

в 1934 г. [102, 103]. Кварцевый излучающий ПЭ возбуждался непрерывным синусоидальным напряжением стабилизированной частоты, поступающим от генератора. Усиленное напряжение сигнала Я и часть напряжения генератора поступают на вход вольтметра, где происходит их векторное сложение. Также, как в небалансных фазовых детекторах [7], при равенстве напряжений F , по­ ступающих на вольтметр, результирующее напряжение следующим обра­ зом связано с разностью фаз Аср напряжений Я и генератора:

где Аф0 — постоянный сдвиг фазы, вносимый усилителем принятого сигнала. Если Д(р = 7С, то получается следующая зависимость:

При сдвигах фаз, равных нулю и кратных 2п, показания вольтметра макси­ мальны, а при сдвигах, равных п и (2к +1)я — равны нулю. Наибольшая чув­ ствительность такой схемы имеет место во втором случае, поэтому фазовые интервалы, равные 2п, фиксируются по нулевым (минимальным) показаниям вольтметра. Вместо него для точных измерений необходимо использовать фа­ зовый детектор ФД с периодом р нулевых показаний, в котором напряжения генератора и П перед подачей на ФЧЭ выравниваются по амплитуде, стабиль­ ность которой поддерживается автоматически, независимо от уровня сигнала Я, с помощью схем ограничения или автоматической регулировки усиления

[100].

Схема такого фазового детектора представлена на рис. 3.2.

Детектор состоит из трансформаторов Tpi и Тр2, балластных сопротивле­ ний R1-R4, выпрямительных диодов Д1 иД2, реостатно-емкостных фильтров С1-С5 и С2-С6 и нагрузочной цепи, состоящей из сопротивлений R7, R8 и микроамперметра М.

Высокочастотные напряжения V}и V2, разность фаз которых измеряется фа­ зовым детектором, поступают на него через оконечные каскады OKI и ОК2 усилительно-стабилизирующих каналов фазометра.

Оба трансформатора для соблюдения симметричности выполняют полнос­ тью идентичными. Каждый из них содержит нагрузочную и две детекторные

Индуктивность Lm нагрузочной обмотки Wm вместе с емкостью включенно­ го параллельно ей конденсатора СЗ составляет настроенный резонансный кон­ тур, являющийся нагрузкой первого оконечного каскада OKI. Соответственно индуктивность Lm нагрузочной обмотки WH2вместе с емкостью параллельно­ го ей конденсатора С4 составляет настроенный резонансный контур, являю­ щийся нагрузкой второго оконечного каскада ОК2.

На детекторные обмотки поступают напряжения V и F, с некоторым коэф­ фициентом трансформации. Так как условия (3.8) и 3(.9) выполнены, то при равенстве выходных напряжений оконечных каскадов OKI и ОК2 по амплиту­ де амплитуды напряжений всех четырех детекторных плеч будут равны:

где VQ— выходное напряжение оконечных каскадов, стабилизированное по амплитуде; п — коэффициент трансформации, равный отношению витков на­ грузочной WH— и детекторной WRобмоток, т.е.

Чтобы обеспечить симметрию векторометрических узлов, балансные сопро­ тивления выбирают одинаковой длины, как и элементы фильтров.

Так как детекторные обмотки ЖД1'и ' включены параллельно друг другу однополярными выходами, то два верхних детекторных плеча вместе с балла­ стными сопротивлениями R1 и R3 составляют суммовый векторометрический узел детектора. Векторная сумма напряжений этих плеч выпрямляется дио­ дом Д1 и фильтруется реостатно-емкостной цепочкой C1-R5. Так как величи­ на балластных сопротивлений обычно на порядок меньше сопротивления R5 фильтра, то выпрямленная величина векторной суммы напряжений V+опреде­ ляется выражением:

где к — постоянный коэффициент диодного выпрямления, близкий к 1, опре­ деляемый здесь в основном соответствием величин балластных сопротивле­ ний и сопротивления фильтра R5

Детекторные обмотки 1¥щ' и FF 7 включены параллельно друг другу разно­ полярными выводами, поэтому два нижних детекторных плеча вместе с бал­ ластными сопротивлениями R2 и R4 составляют разностный векторометри­ ческий узел детектора. Векторная разность напряжения плеч выпрямляется диодом Д2 и фильтруется цепочкой С2-С6.

Выпрямленная величина векторной разности V определяется выражением:

Выходное напряжение фазового детектора, равное разности потенциалов отрицательных электродов диодов Д1 и Д2, измеряется по току нагрузочной цепи микроамперметром М Это напряжение определяется выражением:

Чтобы исключить взаимосвязь оконечных каскадов OKI и ОК2 усилителей фазометра, необходимо выдержать следующее соотношение между коэффи­ циентом трансформации п, балластным сопротивлением Rp внутренним со­ противлением R. оконечного каскада и максимально допустимой относитель­ ной погрешности измерений е,:

Трансформаторная связь детекторных входов с выходами оконечных каска­ дов усилителей фазометра при настройке в резонанс индуктивности нагрузоч­ ной обмотки трансформатора детектора обеспечивает режим литейного де­ тектирования практически во всем рабочем диапазоне измерения фазы — от О

Д О 71.

Параллельное включение обмоток позволяет полностью симметрировать схему фазового детектора, исключая погрешности измерений при колебаниях температуры.

Взаимное влияние выходов оконечных каскадов каналов фазометра, а, сле­ довательно, погрешности исключаются благодаря применению пониженной трансформации нагрузочной обмотки с детекторными обмотками и балласт­ ных сопротивлений между параллельно соединяемыми детекторными обмот­ ками.

В акустических приборах, основанных на фазовых методах, необходимо ис­ ключить возможность образования стоячих волн. Это может быть частично обеспечено установкой между И и П пластин с акустическим сопротивлени­ ем, близким к сопротивлению контролируемой жидкости, и с большим затуха­ нием. Наиболее радикальным средством является снижение отражаемости самих И, П.

Для твердых тел и в ряде случаев для жидкостей нет возможности использо­ вать акустическое устройство с перемещением Я, например, при сильной аг­ рессивности жидкости и высоких давлениях. Фазовый метод может быть ис­ пользован и здесь [7, 27] путем изменения частоты генератора и измерения частот f k, соответствующих минимумам или нулевым [100] показаниям ФЧУ. При фиксировании интервалов, равных п (по нуль-показаниям), расчет

Рис. 3.4. Графики импульсных сигналов, иллюстрирующие импульсно-фазовые методы измерения длины УЗ-волны: а — импульсно-модулированное напряжение генератора; б — схематичная карти­ на поступления на ПЭ отраженных импульсов; в — взаимодействие электрических импульсов, пре­ образованных ПЭ из отраженных УЗ-импульсов, с напряжением генератора в паузе излучения при сдвиге фаздруг относительнодруга, равномили кратномл; г —тоже, нопри сдвиге фаз, равномили кратном 2к

стояния между И и О на 7J2. Фиксирование минимумов можно производить при изменении расстояния / между ПП и О, наблюдая напряжение на ПЭ по осциллографу. Измерив несколько (к) расстояний при соответствующих ми­ нимумах, можно рассчитать скорость по формуле (3.4).

Аналогичные устройства применили также: Ю. Трелин, И. Васильев, В. Ро­ щупкин [105] для измерения скорости УЗ в расплавах щелочных металлов и

С.Икеда [106].

Вслучаях постоянства I между ПП и О в жидкости и газах, а также для твер­ дых сред используют модификации импульсно-фазового метода Н. Бражнико­ ва — Г. Феофанова:

• способ Н. Бражникова [7, 79], по которому в паузе излучения (рис. 3.4, в) четное или нечетное число 7J4 между ПП и О устанавливают регулировкой частоты /УЗ-колебаний;

• способ Л. Меркулова - В. Третьякова [107], по которому в противофазе сравнивают смежные отражения импульсов (имеющих длительность, превы­ шающую величину 2Нс) в образце исследуемой твердой среды с установлени­ ем по его длине / нечетного числа четвертей длин волн регулировкой частоты

/

Для двух смежных частот антирезонанса (в противофазе) или частот резо­ нанса (в фазе) скорость УЗ-колебаний в исследуемой среде [7, 79] определяют по формуле (3.4) при к = 2.

3.4. Фазовые методы исследования скорости ультразвука

Исследования ведутся в режиме бегущей волны с измерением фазы непре­ рывных несущих колебаний (НК) на частоте/ или фазы (рм огибающей на час­ тоте F амплитудно-модулированных колебаний (АМК). Зависимость фаз от скорости с распространения УЗ-волны в исследуемой газовой, жидкой или твёрдой среде и времени прохождения через протектор определяется фор­ мулами Н. Бражникова:

В исследованиях скорости с в узком диапазоне измеряют фазу ср [7, 81,108], а в более широких пределах фазу фм [6, 109-114]. Стабильность частот / и F обеспечивают кварцевой стабилизацией генераторов возбуждающего напря­ жения частоты / и амплитудной модуляции F

Измерения ведутся с обеспечением режима бегущей волны, например чет- верть-волновым просветляющим слоем [7, 115], имеющим акустический им­

где z, гд— акустические импедансы соответственно исследуемой среды и дем­ пфера ЯЭ в УЗ-излучателе и УЗ-приемнике.

При контроле газообразных сред используется полуволновое покрытие ЯЭ, погруженных в естественную среду, которая будет являться “демпфером” не­ рабочей поверхности ЯЭ, обеспечивая выполнение условия обеспечения бе­ гущей волны:

Фазовый метод НК. На излучающий Я Я от генератора Г стабилизирован­ ной частоты / непрерывно поступает электрическое синусоидальное напряже­ ние. Прошедшие путь / в контролируемой среде (от излучающего к приемно-

му ПП) УЗ колебания частоты / в приемном ПП преобразуется в электричес­ кое напряжение той же частоты и фазы <р, определяемой (3.16). Это напряже­ ние поступает (рис. 3.5) на вход усилителя У1 фазометра [101], снабженного блоком автоматического регулирования усиления (АРУ), Этот блок (рис. 3.6) регулирует усиление в У1 в зависимости от амплитуды электрического сигна­ ла приемного Я Д которая при непостоянстве затухания УЗ колебаний в ис­ следуемых средах может изменяться в десятки раз.

В канал усилителя с узлом АРУ входят: входной канал ВК с источником Есо начального отрицательного смещения, выходной каскад ОК с нагрузочным высокочастотным трансформатором Тр, источник Есо опорного напряжения, диодно-транзисторная схема сравнения выходного напряжения с опорным на­ пряжением.

Рис. 3.5. Функциональная схема фазового измеренияскорости распространенияультразвуковойволны

Для повышения стабильности и предотвращения возможности самовозбуж­ дения, усилитель на транзисторе #777, входящий в эту схему, гальванически связан по коллектору с управляющим входом ВК.

Утечкой входного каскада ВК является последовательно соединенные со­ противления R1 и R2, на которые через конденсатор С1 поступает напряжение принятого сигнала.

Вход схемы трансформаторным путем связан с выходом канала. Схема со­ стоит из последовательно соединенных управляющей обмотки Wÿ трансформаторно связанной с настроенным нагрузочным контуром входного каскада (состоящим из индуктивности нагрузочной обмотки W№и емкости параллель­ но включенного с ней конденсатора С2), опорного кремневого стабилитрона Д1, вентильного элемента (диода) Д2 и конденсатора СЗ емкостного фильтра, к которому через сопротивление R3, включен базоэмиттерный вход транзис­ торного усилителя # # 7 . Начальное отрицательное смещение на управляю­ щем электроде входного канала ВК создается делителем R4-R2 напряжения отдельного источника Есопостоянного смещения. Усиление ВК при этом авто­ матически уменьшается до такой величины, при которой высокочастотное на­ пряжение на Wy и опорное стабильны.

Транзисторный усилитель #Я 1 питается от стабилизированного с помощью кремневого стабилитрона ДЗ напряжения постоянного тока и работает по схе­ ме с общим эмиттером в ключевом режиме, т.е. при отсутствии сигнала на входе (база - эмиттер) ток коллектора равен нулю. Поэтому до тех пор, пока отрицательные полупериоды высокочастотного напряжения на обмотке Wy не превысят опорное напряжение на стабилитроне Д1, на входной каскад посту­ пает управляющее отрицательное смещение узла АРУ,

Как только напряжение на обмотке W превысит стабилизированное напря­ жение постоянного тока, поддерживаемое стабилитроном Д \ , разность этих напряжений в виде импульсов пропускается в зарядный конденсатор СЗ и че­ рез сопротивление R3 поступает в базу транзистора ЯЯ1. Появляется ток кол­ лектора, который выходит по цепи: коллектор - шасси - сопротивление R2 утечки входного канала ВК - стабилитрон ДЗ питания ЯЯ1 - эмиттер и повы­ шает отрицательный потенциал управляющего электрода на Д\.

В фазометре применен способ глубокой регулировки усиления только по входным каскадам приемно-усилительных каналов. Так как здесь напряжение входного сигнала сравнительно невелико (порядка десятков мВ), то и незначи­ тельны фазовые искажения, обусловленные нелинейностью динамической характеристики управляемого усилительного каскада.

Для того, чтобы обеспечить высокую глубину регулировки усиления только по одному каскаду усилительного канала, уменьшить воздействие зоны не­ чувствительности узла АРУ, и тем самым повысить стабильность фазометра,