Введение к работе
Актуальность темы. Задача определения геометрических параметров цилиндрических тел: наружного и внутреннего диаметров, толщины стенки,- имеет непосредственное отношение к проблемам нсразрушающе-го контроля в процессе производства труб и диагностики технического состояния трубопроводных .магистралей.
В настоящее время для определения геометрических параметров цилиндрических тел наиболее широкое распространения получили акустические методы: эхо-импульсный, резонансный, импульсно-резопансный и волнонодный.
К недостаткам эхо-импульсного метода относятся: ограничение диапазона толщин, доступных измерению, и рост относительной погрешности при уменьшении контролируемой толщины. Это объясняется наличием "мёртвой зоны", которая является следствием конечной длительности зондирующего импульса и наличия переходных процессов в усилителях приёмника.
При использовании резонансного метода с уменьшением толщины стенки контролируемого образца увеличивается погрешность измерения. Кроме того резко возрастает время контроля.
Импульсно-резонансный и волноводный методы, в которых применяются волны лэмбовскоготипа, имеют общий недостаток, обусловленный одновременным возбуждением в стенке трубы нескольких мод, вследствие конечной ширины диалраммы направленности преобразователя. При этом имеются частоты, при которых амплитуда рабочей моды сравнима или даже меньше амплитуд нежелательных мод, что приводит к погрешностям измерения.
Сравнительно недавно были предложены методы контроля, основанные на использовании нормальных волн (мод) кругового цилиндра, распространяющихся вдоль оси контролируемого образца. Для возбуждения измерительного сигнала применяются электромагнитно-акустические преобразователи пространственно-периодического типа, которые обеспечивают бесконтактный ввод измерительного сигнала в контролируемый образец без использования иммерсионной жидкости.
Использование нормальных волн кругового цилиндра позволяет добиться высокой производительности процесса контроля, а также избавиться от ограничений на толщину стенки контролируемого образца и величину его наружного диаметра.
Таким образом дальнейшее развитие методов, основанных на использовании нормальных волн кругового цилиндра, представляется чрезвычайно важной и актуальной задачей. Наибольший интерес представляют исследования по следующим вопросам:
1. Выявление информационных признаков, инвариантных по отношению к изменениям амплитуды измерительного сигнала, что позволит значительно повысить надёжность методов контроля и снизить погрешности измерений;
2.Расширение пределов измерения толщины в сторону меньших значений без повышения частоты по сравнению с пределами измерения традиционных методов. Это позволит повысить точность определения геометрических параметров, поскольку по мере возрастания несущей частоты измерительного сигнала увеличивается влияние неровностей на поверхности образца, а также уменьшается отношение сигнал-шум из-за возрастания затухания акустических волн;
-
Применимость методов в широком диапазоне значений измеряемых параметров, что позволит использовать зги методы для контроля различных типоразмеров труб;
-
Получение интегральных оценок геометричских параметров для контролируемого участка цилиндрического тела, что имеет особенно важное значение .для проведения технической диагностики трубопроводных магистралей, когда доступ ко всей поверхности трубы невозможен.
Цель работы. Разработка и исследование новых методов определения геометрических параметров цилиндрических тел на основе применения теории упругих акустических волноводов.
Задачи исследования.
-
Исследование дисперсионных уравнений упругого акустического волновода в виде полого кругового цилиндра;
-
Численный анализ решений данных уравнений на ЭВМ с целью выявления информационных дисперсионньгх зависимостей для разных мод;
-
Выбор мод, которые наилучшим образом подходят для реализации методов контроля геометрических параметров цилиндрических тел;
-
Получение рабочих характеристик для данных мод и анализ их критичности к изменениям геометрических параметров волновода;
^ Рассмотрение вопроса об однозначности определения геометриче-
ских параметров волновода по рабочим характеристикам ;
-
Определение погрешностей измерения геометрических параметров волновода;
-
Оценка влияние непостоянства геометрических параметров волновода по его длине на дисперсионные характеристики мод;
-
Разработка структурных схем устройств, реализующих предлагаемые методы определения геометрических параметров цилиндрических тел;
9. Экспериментальная проверка предлагаемых методов контроля
геометрических параметров.
Методы исследований. При проведении исследований по теме диссертационной работы использовались методы решения дифференциальных уравнений в частных производных и нелинейных трансцендентных уравнений, дифференциального исчисления вещественных функций нескольких переменных, теории сигналов, математической статистики, вычислительной математики и программирования на ЭВМ, методы экспериментальных исследований.
Научная новизна работы.
-
В результате анализа дисперсионных уравнений для осесиммет-ричных мод упругого цилиндрического волновода в широком диапазоне геометрических параметров получено большое количество численных результатов, отсутствовавших ранее в литературе ;
-
Сделан выбор рабочих мод, т.е. мод упругого цилиндрического волновода, которые целесообразно использовать для оценки геометрических параметров цилиндрических тел;
-
Введено понятие рабочей характеристики - функциональной зависимости, которая служит основой для построения алгоритмов определения геометрических параметров цилиндрических тел ;
-
Получены функции влияния геометрических параметров, которые характеризуют чувствительность алгоритма определения геометрических параметров, основанного на использовании некоторой рабочей характеристики, к изменениям геометрических параметров цилиндрических тел ;
-
Исследованы методы определения геометрических параметров цилиндрических тел, основанные на использовании одной и двух рабочих характеристик. Получены аналитические выражения для относительных погрешностей определения неизвестных геометрических параметров, а также рассмотрен вопрос об однозначности определения геометрических параметров цилиндрических тел;
-
Оптимизированы параметры измерительных сигналов, используемых при реализации предложенных методов.
Практическая ценность работы. Разработаны методы контроля геометрических параметров цилиндрических тел, которые отличаются :
-
Использованием информационных признаков, не критичных к амплитудам измерительных сигналов;
-
Применимостью для оценки геометрических параметров труб малого диаметра и тонкостенных труб;
-
Необходимостью применять при контроле тонкостенных цилиндрических тел меньшие рабочие частоты по сравнению с традиционными методами;
-
Возможностью использования в тех случаях, когда отсутствует свободный доступ ко всей поверхности объекта контроля.
Внедрение результатов работы. Полученные в диссертационной работе результаты нашли применение в учебном процессе на кафедре физических и теоретических основ радиоэлектроники Санкт-Петербургского государственного аэрокосмического университета при чтении курса лекций: ''Акустоэлектронные устройства"', что подтверждено соответствующим актом внедрения.
На защиту выносятся.
-
Результаты численного анализа дисперсионных уравнений для осесимметричных мод упругого цилиндрического волновода в широком диапазоне геометрических параметров;
-
Рабочие характеристики, построенные с использованием дисперсионных характеристик некоторых осесимметричных мод цилиндрического упругого волновода, я функции влияния геометрических параметров для данных рабочих характеристик;
-
Алгоритмы определения геометрических параметров цилиндрических тел с использованием одной и двух рабочих характеристик и результаты исследований однозначности определения геометрических параметров при помощи данных алгоритмов ;
-
Аналитические выражения для относительных погрешностей определения геометрических параметров цилиндрических тел при использовании одной и двух рабочих характеристик;
-
Результаты численного моделирования на ЭВМ прохождения измерительных сигналов через цилиндрическое тело (объект контроля) и выполненной на их основе оптимизации параметров этих сигналов, а также полученные количественные оценки точностных характеристик предлагаемых алгоритмов определения геометрических параметров цилиндрических тел;
-
Результаты экспериментальных исследований, выполненные с целью подтверждения основных теоретических положений данной диссертационной работы.
Апробация работы. Отдельные положения диссертационной работы обсуждались на XXI молодёжной научной конференции "Гагаринские чтения" (Москва, 1995 г.), на 50" научно-технической конференции СПбНТО-РЭС имени А.С.Попова (Санкт-Петербург, 1995 г.), на научно-технической конференции "Физика и техника ультразвука" (Санкт-Пегербург, 1997 г.), а также на заседаниях секции Головного совета по приборостроению "Приборы и системы акустоэлектронной и оптической обработки информации" (Санкт-Петербург, 1996, 1998 гг.).
Публикации . Основные положения диссертационной работы изложены в 6 публикациях, в том числе в 3 статьях и 3 тезисах докладов.
Структура и обт>ём работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 57 наименований, и трёх приложений. Основная часть работы изложена на 157 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 49 рисунков.
