Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Ультразвуковая диагностика вращающихся тел 16
1.1 Методы диагностики вращающихся объектов 16
1.2 Система активной ультразвуковой диагностики вращающихся тел 22
1.2.1 Возбуждение и прием акустического сигнала 23
1.2.2 Регистрация и обработка сигнала 27
1.2.3 Результаты динамических испытаний 29
1.2.4 Влияние динамических нагрузок на работу преобразователей ультразвуковых колебаний 35
1.2.4.1 Изменение толщины контактного слоя 35
1.2.4.2 Влияние силы прижатия преобразователя к образцу на результаты измерений 39
1.2.4.3 Оценка чувствительности метода 44
1.2.5 Обнаружение дефектов в динамическом режиме 47
1.2.5.1 Контроль механического контакта 47
1.2.5.2 Контроль рабочего колеса нагнетателя 49
1.3 Методика диагностики подшипникового узла 54
1.3.1 Выбор алгоритма обработки сигнала 59
1.3.2 Амплитудно-частотные свойства системы излучатель-подшипник — приемник 66
1.3.3 Результаты измерений для подшипников с различной степенью износа 69
Глава 2 Измерение виброперемещений вращающихся тел 76
2.1 Оптические методы измерения вибраций и контроля размеров динамических объектов 78
2.2 Измерительная система 86
2.2.1 Метод измерений 86
2.2.2 Лазерный профилометр 92
2.2.3 Чувствительность лазерного профилометра в статическом режиме .96
2.2.4 Чувствительность лазерного профилометра в динамическом режиме .99
2.2.5 Калибровка ИСВ с помощью лазерного виброметра 101
2.3 Обработка сигналов и двухлучевая методика измерений 105
2.3.1 Метод фазовой дискретизации и синхронного усреднения сигнала .106
2.3.2 Работа лазерного профилометра совместно с ИСВ 111
2.4 Исследование динамики вращающихся тел 115
2.4.1 Исследование динамики вращающихся полуколец 115
2.4.2 Исследование динамики электродвигателя КУВ-071В 119
2.4.3 Исследование динамики турбины центробежного насоса 122
Глава 3 Измерение уровня жидкости в резервуарах акустическим эхо-методом 129
3.1 Эхолокационная измерительная система 132
3.1.1 Конструкция измерительной системы 132
3.1.2 Алгоритм обработки информационного сигнала 136
3.2 Точность измерения уровня эхолокационным методом 139
3.2.1 Влияние температуры на точность измерения 139
3.2.2 Погрешность измерения уровня 142
3.3 Экспериментальное определение погрешности 143
3.4 Дополнительные отражения ультразвукового импульса 149
Глава 4 Высокоточная автоматизированная система измерения уровня жидкости в резервуарах 154
4.1 Ультразвуковые поплавковые системы измерения уровня 154
4.2 Автоматизированная система измерения уровня жидкости 160
4.2.1 Метод измерения уровня 160
4.2.2 Системы измерения уровня 167
4.2.3 Основные виды погрешностей 169
4.3 Исследование дисперсионных характеристик волновода 173
4.3.1 Теоретический анализ дисперсионных характеристик стержней 174
4.3.1.1 Симметричные колебания 175
4.3.1.2 Изгибные колебания 178
4.3.1.3 Крутильные колебания 180
4.3.2 Дисперсионные искажения УЗ импульса 182
4.3.3 Экспериментальные исследования 186
4.3.3.1 Определение момента «прихода» УЗ импульса 189
4.3.3.2 Измерение спектральных и дисперсионных характеристик сигнала 195
4.3.3.3 Определение акустической неоднородности волновода 201
4.4 Влияние температуры и режимов работы на точность измерения уровня 206
4.4.1 Зависимость скорости звука от температуры 206
4.4.2 Влияние теплого расширения 210
4.4.3 Применение сплавов с особыми тепловыми свойствами 213
Глава 5 Исследование динамики акустических свойств композиционных составов в процессе полимеризации 217
5.1 Акустические свойства полимерных материалов 218
5.2 Результаты экспериментальных исследований 222
5.2.1 Определение модулей упругости 222
5.2.2 Исследование динамики процесса полимеризации 225
5.2.3 Контроль степени отверждения 233
5.2.4 Автоматизированная система для изучения акустических свойств полимеризующихся составов 235
5.3 Система контроля степени отверждения композиционных составов .238
Заключение 245
Список литературы 250
Приложение 1 277
Приложение 2 286
Приложение 3 288
Приложение 4 299
- Система активной ультразвуковой диагностики вращающихся тел
- Чувствительность лазерного профилометра в статическом режиме
- Конструкция измерительной системы
- Автоматизированная система измерения уровня жидкости
Введение к работе
Общая характеристика работы
Современные экономические условия, увеличение удельной мощности агрегатов, снижение материалоемкости, повышение скоростей движения и нагрузок, ужесточение экологических норм предъявляют повышенные требования к точности и оперативности измерений, к качеству контроля и диагностики различных агрегатов на стадии их проектирования, изготовления, испытаний, эксплуатации и ремонта. Традиционные методы неразрушающе-го контроля (радиационные, акустические, магнитные, капиллярные и другие [1]) широко применяются на стадии изготовления и ремонта, однако, при их применении в условиях работающего оборудования возникают значительные трудности, обусловленные влиянием большого количества дополнительных факторов, резким удорожанием оборудования, а также невозможностью проведения контроля в некоторых случаях. Развитие современной аналоговой и цифровой техники позволяет значительно расширить возможности применения физических методов для проведения измерений в реальном масштабе времени различных параметров и характеристик динамических объектов и процессов. В значительной степени это относится и к акустическим методам, рассматриваемым нами в дальнейшем. Под динамическими объектами или процессами мы подразумеваем, в общем случае, объекты, которые изменяют свои свойства (механические, физические, размеры, координаты, состояние в целом) при поступательном или вращательном движении, а также под влиянием либо внутренних, либо внешних факторов в течение определенного промежутка времени. Акустические методы, являясь одними из наиболее информативных, обеспечивают с одной стороны выявление различных дефектов объекта контроля (дефекты структуры, несплошности, отклонение размеров и т.д. [1-3]), а с другой — проведения оперативных измерений ряда технологических параметров [4-5] и исследования физических свойств материалов [6-8]. Для дефектоскопии статических объектов наиболее хорошо раз-
виты активные ультразвуковые методы, позволяющие во многих случаях с высокой точностью определить тип, размеры и координаты дефекта [9,10]. При этом актуальна задача совершенствования существующих и создания новых методов диагностики, позволяющих осуществлять контроль или оценивать степень износа и остаточный ресурс агрегатов непосредственно в процессе работы. Среди различных объектов контроля следует особо выделить быстровращающиеся детали и узлы трения. Данный вид объектов присутствует практически в любом механизме. Размеры вращающихся деталей могут различаться в очень широких пределах — от нескольких миллиметров до метров, а скорости вращения достигать сотен оборотов в секунду. Возникающие при этом механические напряжения приводят к упругой и неупругой деформациям вращающегося тела, образованию внутренних дефектов в виде нарушения механического контакта, трещин, разрушению сварных соединений, вибрации, изменению формы и размеров деталей, износу подшипников и т. д. В настоящее время контроль состояния подобных объектов в динамике осуществляется в основном методами вихревых токов, шумо- и вибродиагностики [11-16]. Данные методы, несмотря на достаточно широкое применение, обладают рядом существенных ограничений и недостатков. Область использования активных ультразвуковых методов при дефектоскопии движущихся объектов ограничивается контролем изделий простой формы (трубы, листовой прокат и т.д.) [17-19]. При этом поступательное или вращательное движения создается, в этом случае, для ускорения процесса сканирования всей поверхности детали, а не с целью выявления дефектов, которые могут при этом возникнуть [20-21]. Разработка систем, позволяющих проводить активный ультразвуковой контроль определенных частей деталей, вращающихся с большой скоростью, позволит в реальном масштабе времени отслеживать развитие дефектов, возникающих под действием вибрации и центробежных сил, контролировать качество сборки механизмов.
Важным направлением в диагностике различных агрегатов является измерение параметров вибрации вращающегося тела. Выбор диагностических
параметров зависит от типов исследуемых механизмов, амплитудного и частотного диапазонов измеряемых колебаний [23-24]. При этом основными параметрами, которые в большинстве случаев измеряются, являются виброперемещение, виброскорость и виброускорение [25-27]. Используемые наиболее часто для этого контактные датчики имеют ряд недостатков, которые существенно ограничивают возможности используемых методов. Среди бесконтактных можно выделить радиоволновые [27], акустические [28] и голо-графические оптические методы [29]. Во многих случаях при диагностике требуется измерять не только абсолютные значения параметров колебаний вращающегося тела, но также определять динамические смещения и колебания отдельных его частей относительно друг друга. При этом измеряемая величина может быть значительно меньше амплитуды колебаний детали или стенда как целого, а уровень шумов превышать амплитуду полезного сигнала. Среди существующих методов только голографический позволяет проводить подобные измерения с необходимой точностью. Однако, ввиду технической сложности, его применение возможно только в лабораторных условиях для ограниченного набора изделий.
Создание систем диагностики и контроля рассматриваемых динамических объектов требует решения ряда научных и технических проблем: разработки специальных методов активной ультразвуковой диагностики; создания систем возбуждения и приема ультразвуковых импульсов; выделения полезного сигнала на фоне шумов, уровень которых может значительно превышать амплитуду полезного сигнала, а также при значительном динамическом изменении сигнала в процессе измерений; создания специальных алгоритмов регистрации и обработки сигнала. При создании системы измерения вибрационных колебаний и смещений точек поверхности вращающегося тела необходима разработка достаточно простого бесконтактного метода, позволяющего в динамическом режиме проводить измерения с высокой точностью. Особое внимание необходимо уделить достоверности получаемых дан-
ных и метрологическому обеспечению создаваемых систем, так как проверка результатов другими методами часто бывает затруднена или невозможна.
Проблемы, возникающие при разработке методов неразрушающего контроля динамических объектов, в значительной степени аналогичны задачам, решаемым при создании систем технологического контроля и управления процессами, качество протекания которых определяется значениями меняющихся параметров [30]. Пример такой задачи - создание высокоточной системы измерения уровня жидкости. Маркетинговые исследования показывают, что значительный сегмент рынка автоматизированных систем для измерения уровня жидкостей в резервуарах большой вместимости может быть занят относительно дешевыми акустическими уровнемерами, способными составить конкуренцию дорогостоящим радиолокационным приборам [31, 32]. В акустических приборах используются методы на основе регистрации ультразвуковых импульсов, распространяющихся в газовой или жидкой среде (эхолокационные системы [5, 33, 34]) или в металлическом волноводе (маг-нитострикционные поплавковые системы [35, 36]). При измерении уровня тяжелых нефтепродуктов возникает ряд сложностей, связанных с постоянным подогревом жидкости до 40-И00С. При этом внутри резервуаров существуют значительные градиенты температуры, конвекционные потоки и высокая влажность воздушного столба над поверхностью жидкости; присутствуют постоянные технологические шумы в диапазоне частот 20-гЗООО Гц. Происходит достаточно быстрое изменение условий внутри резервуара при наполнении или сливе жидкости из резервуара. Выпускаемые промышленностью уровнемеры во многом не отвечают требованиям потребителей по соотношению цена - качество. Особенно это относится к системам коммерческого учета количества тяжелых нефтепродуктов в резервуарах большой вместимости. Подобные уровнемеры должны определять количество различных жидкостей с высокой точностью (абсолютная погрешность измерения уровня 1-4-5 мм при высоте резервуара 10-5-20 м, относительную погрешность измерения 0,0001-г0,0002). Порог чувствительности должен быть близким к
0,1 мм. Необходима разработка нового метода, позволяющего осуществлять коммерческий учет жидкостей, включая тяжелые нефтепродукты, и на его основе создание автоматизированной измерительной системы. На метрологические характеристики ультразвуковых уровнемеров значительное влияние оказывают изменения амплитудно-частотных характеристик ультразвукового сигнала, связанные с условиями его возбуждения и распространения, а также дисперсионные свойства волновода [37, 38], которые могут существенно изменяться в процессе измерений. В связи с тем, что необходимо достижение высокой точности, учет данных факторов является определяющим при создании подобных систем, требуется анализ их динамики и учет в виде соответствующих поправок.
В качестве динамических процессов можно также рассматривать достаточно быстрое изменение физических свойств материалов во время химических превращений, в частности, процесс полимеризации композиционных составов. При полимеризации состав претерпевает ряд превращений. Можно выделить жидкое состояние, фазу образования эластичного геля и превращение геля в неэластичное твердое состояние [39]. При этом относительные изменения скорости, коэффициента поглощения звука и дисперсионных характеристик среды могут составлять десятки и сотни процентов за достаточно короткий промежуток времени [40]. Акустические измерения позволяют исследовать влияния изменения структуры полимерных материалов при фазовых переходах жидкость - твердое тело на упругие свойства среды. С практической точки зрения подобные исследования позволяют разработать методы автоматизации технологического контроля степени отверждения полиме-ризующихся составов.
Решение данных задач представляет большой интерес для различных отраслей народного хозяйства: авиационного и энергетического машиностроения, топливно-энергетического комплекса и других.
Целью настоящей работы являлась разработка новых акустических методов контроля динамических объектов и сред, изучение возможности их
применения для высокоточных измерений и исследования динамики физических процессов; создание автоматизированных систем измерения. Предполагалось решение следующих основных задач:
Исследование возможности применения активных ультразвуковых методов неразрушающего контроля для диагностики вращающихся тел в динамическом режиме.
Разработка основных электронных блоков и алгоритмов обработки сигнала, позволяющих применить методы активной ультразвуковой дефектоскопии для выявления дефектов изделий и контроля состояния узлов трения непосредственно в процессе вращения с высокой скоростью в реальном масштабе времени.
Создание автоматизированной системы измерения параметров колебаний различных частей вращающегося тела относительно неподвижного основания и определения взаимных смещений или изменений размеров отдельных его элементов с высокой точностью.
Изучение возможностей и метрологических характеристик эхолока-ционного метода для измерения уровня жидкостей при наличии температурных градиентов и конвекции
Разработка нового акустического метода контроля уровня жидкости и создание на его основе высокоточной измерительной системы. Исследование влияния условий измерения на метрологические характеристики системы.
Исследование динамики процесса полимеризации композиционных составов акустическими методами и создание акустической системы контроля отверждения композитов на основе эпоксидных смол.
Методы исследования. В работе использовались методы: экспериментальной акустики, основные положения теории упругости, оптики, математической обработки сигналов, спектрального анализа, компьютерного моделирования. Экспериментальные исследования проводились на оборудовании общего и специального назначения. Был создан программно-аппаратный измерительный комплекс, позволяющий в автоматическом режиме проводить
различные измерения. При создании новых методик измерений и соответствующих систем использовались аналоговые и цифровые методы обработки сигналов, лазерная техника. Достоверность полученных результатов подтверждалась хорошим согласием теоретических выводов и экспериментальных результатов, моделированием ряда процессов, оценками погрешностей измерений и сопоставлением результатов с данными, полученными другими методами. Часть измерений и испытания разработанных систем проводились в производственных условиях.
В диссертации проводится систематизация и критический анализ материалов, близких по тематике к исследованиям автора, на основании работ отечественных и зарубежных ученых: И. Н. Ермолова, В. М. Баранова, В. В. Клюева, А. X. Вопилкина, В. Е. Чабанова, Н. П. Алешина, К. А. Наугольных, В. В. Сухорукова, М. Д. Генкина, А. И. Кондратьева, В. Е. Рядчикова, Н. Е. Никитиной, С. С. Волосова, М. С. Клюева, В. К. Хамидуллина, В. А. Иванова, А. И. Надеева, Н. П. Красненко, И. И. Перепечко, Б.Б. Бадмаева, О. Крамера, И. Вэна, Л. Бергмана, У. Мэзона, X. Хайнца, А. Файса, Д. Франка и др. Научная новизна работы заключается в следующем:
Развиты методологические основы и проведена экспериментальная апробация применения активных методов ультразвукового неразрушающего контроля для дефектоскопии и диагностики динамических объектов, в частности, внутреннего объема вращающихся тел и узлов трения.
Разработаны методы и соответствующие аппаратные средства связи неподвижных блоков измерительной системы и ультразвуковых датчиков, закрепленных на детали, вращающейся со скоростью до 200 об/с, или при линейном перемещении излучателя ультразвука вдоль стержня-волновода.
3. Разработаны аналоговые и цифровые методы приема, возбуждения и обработки акустических сигналов, позволяющие эффективно выделять ультразвуковой импульс, проходящий «сквозь» подшипник при скорости вращения свыше 100 об/с при наличии высокого уровня шумов и динамическом изменении сигнала. Экспериментально доказана возможность активного аку-
стического контроля степени износа подшипников качения в динамическом режиме.
Теоретически и экспериментально исследованы возможности применения оптического теневого метода для измерения виброперемещений и исследования динамики быстровращающихся тел. Разработаны и применены методы фазовой дискретизации и усреднения сигнала, поступающего с датчиков измерительной системы. Создана автоматизированная измерительная система, позволяющая с порогом чувствительности 0,5 мкм проводить измерения колебаний и относительных смещений различных частей тела, вращающегося со скоростью до 500 об/с.
Проведены экспериментальные измерения и теоретический анализ погрешностей эхолокационного метода при измерениях уровня жидкости в реальном резервуаре большой вместимости при наличии в воздушной среде пара, конвективных потоков и градиентов температуры. Обнаружен эффект отражения ультразвуковой волны от границы раздела газовых слоев с различной температурой в резервуаре.
Разработан новый акустический метод измерения уровня жидкости на основе возбуждения ультразвукового импульса в стержневом волноводе активным ультразвуковым излучателем, плавающим на поверхности жидкости. На основе предложенного метода и проведенных исследований создан высокоточный ультразвуковой уровнемер, разработаны соответствующие аппаратные и программные средства.
На основе исследований акустического тракта уровнемера определены оптимальные способы возбуждения и регистрации ультразвукового сигнала. Рассчитаны дисперсионные параметры, позволяющие с высокой точностью учитывать изменение формы сигнала при его прохождении по реальному волноводу в виде стержня большой длины. Исследовано влияние различных факторов на метрологические характеристики созданной измерительной системы.
Получены экспериментальные зависимости динамики изменения акустических свойств композиционных составов на основе эпоксидных смол в процессе полимеризации. Показано, что акустические методы являются эффективным средством изучения динамики процесса полимеризации. Установлено, что сдвиговая компонента УЗ импульса регистрируется раньше завершения процесса отверждения, а трансформация УЗ сигнала за счет изменения дисперсионных свойств среды в процессе полимеризации происходит как в жидком, так и в стеклообразном состоянии.
Предложены параметры, характеризующие степень полимеризации состава, на основе акустических измерений. Создана автоматизированная система контроля отверждения композиционных составов на основе эпоксидных смол.
Практическая значимость. Показано, что методы активного ультразвукового контроля применимы для диагностики динамических объектов - вращающихся тел и узлов трения. Разработаны методы и соответствующие аппаратные средства, позволяющие осуществлять связь между ультразвуковыми датчиками, закрепленными непосредственно на вращающейся детали, и неподвижными блоками измерительной системы. Предложены соответствующие алгоритмы обработки сигналов. Создана высокоточная автоматизированная измерительная система, позволяющая проводить измерения колебаний и смещений различных частей тела, вращающегося с высокой скоростью. Исследованы возможности эхолокационного метода измерения уровня жидкости. Разработан новый акустический поплавковый метод измерения уровня жидкости в резервуарах, на базе которого создан ультразвуковой уровнемер, предназначенный для коммерческого учета количества различных жидкостей, включая тяжелые нефтепродукты. Предложен метод определения степени отверждения составов на основе акустических измерений, создана система технологического контроля отверждения полимеризующихся составов.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы внедрены: СКВ «Ротор» г. Челябинск - автоматизированная система контроля качества сборки электродвигателей; Хабаровская ТЭЦ-2 -автоматизированная система измерения уровня тяжелых нефтепродуктов; ООО «Полином» — освоено опытное производство систем контроля уровня грунтовых вод (регистратор уровня подземных вод «Кедр-2»); завод «Даль-энергомаш» г. Хабаровск — неразрушающий ультразвуковой контроль опытных образцов турбин компрессоров в процессе динамических испытаний; АО «Дальлестехцентр» г. Хабаровск - автоматизированный контроль отверждения композиционных составов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Активные ультразвуковые методы могут эффективно применяться для дефектоскопии, высокоточных измерений и контроля динамических объектов и процессов.
Методы и соответствующие аппаратные средства, позволяющие применить активный ультразвуковой контроль для дефектоскопии деталей, вращающихся со скорость до 200 об/с. Методика возбуждения, приема и обработки акустических сигналов, проходящих «сквозь» подшипниковый узел при скорости вращения свыше 100 об/с.
Автоматизированная система измерений параметров колебаний и величины относительных смещений различных частей тела, вращающегося со скоростью до 500 об/с, с порогом чувствительности 0,5 мкм.
4. При измерении уровня подогреваемых нефтепродуктов акустиче
ским эхолокационным методом через воздушную среду погрешность состав
ляет не менее 10 см на базе 10 м, вследствие высокой влажности, конвекции
и расслоения воздушной среды.
5. Акустический метод измерения уровня жидкости на основе возбуждения ультразвукового импульса в стержневом волноводе активным ультразвуковым излучателем, плавающим на поверхности жидкости. Конструкция высокоточного ультразвукового уровнемера на основе предло-
женного метода, позволяющая проводить коммерческий учет количества различных жидкостей, включая тяжелые нефтепродукты, в резервуарах большой вместимости.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния различных факторов на метрологические характеристики созданного уровнемера.
Экспериментальные зависимости динамики изменения скорости звука и коэффициента затухания композиционных составов на основе эпоксидных смол в процессе полимеризации. Методика контроля степени отверждения полимеризующихся составов на основе акустических измерений.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 46 научных работах, в том числе 12 статьях центральной печати и 8 патентах на изобретения.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на научно-технических конференциях: Всесоюзной конференции «Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле», Хабаровск, 1987 г.; Всесоюзной конференции «Применение лазеров в народном хозяйстве», Шатура, 1989 г.; Всероссийской конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 1995 г.; Международной конференции «СИБКОНВЕРС-95», Томск, 1995 г.; Международной конференции «Прикладная оптика-96», Санкт-Петербург, 1996 г.; Международной конференции «Физика и техника ультразвука», Санкт-Петербург, 1997 г.; XI сессии Российского акустического общества, Москва 2001 г.; XVI Российской конференции «Неразрушающий контроль и диагностика», Санкт-Петербург, 2002 г.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 313 наименований и приложений. Полный объем работы - 306 страниц текста - включает 95 рисунков, 20 таблиц и четыре приложения на 30 страницах.
Система активной ультразвуковой диагностики вращающихся тел
Методы активной ультразвуковой диагностики основаны на регистрации и анализе параметров ультразвуковых импульсов, проходящих область возможного возникновения дефектов, или эхо-сигналов отраженных от дефектов. К данным параметрам относятся амплитуда и форма УЗ импульса, время и скорость распространения. Соответственно при работе измерительной системы, позволяющей применить активные акустические методы к вращающемуся телу, должны сохранятся амплитудные и временные характеристики сигнала. При этом возникает ряд проблем. Во-первых, необходимо передать возбуждающий электрический импульс на преобразователь, установленный на вращающейся детали. Во-вторых, передать без существенных искажений сигнал с приемника ультразвука на неподвижное основание. Третья сложность в реализации метода связана с высоким уровнем шумов, возбуждаемых при вращении и фиксируемых приемником ультразвука. Основным источником шумов являются подшипники, вибрация основания и детали в целом.
Для исследования возможности активной ультразвуковой диагностики вращающихся тел был создан специальный стенд, блок-схема которого приведена на рисунке 1.1. В качестве объекта исследования использовалась турбина компрессора, имеющая максимальный диаметр 30 см. Исследуемое тело (турбина), насажанное на вал (диаметр 45 мм), приводилось во вращение приводом стенда. Вал турбины был установлен на двух подшипниках. Привод стенда имел датчики оборотов и угла поворота (более подробно см. разд. 2.3). Приемный и излучающий преобразователи закреплялись на поверхности турбины. При работе стенда электрический сигнал с генератора на излучатель подавался через специальный щеточный узел (разд. 1.2.1). Ультразвуковые колебания, распространяющиеся в образце, регистрировались приемником, усиливались встроенным внутри вала предварительным усилителем и затем через оптопару передавались на усилитель, расположенный на неподвижном основании. С усилителя сигнал поступал на вход АЦП-контроллера, а затем записывался в память ЭВМ. Для передачи электрического импульса с генератора (Г5-63) на излучатель использовался щеточный узел, собранный на основе щеточного узла коллекторного электродвигателя постоянного тока мощностью 500 Вт-ЭД-25. Щеточный узел имеет четыре симметрично расположенные графитовые щетки размером 10x20 мм. Для обеспечения надежности контакта в обычном режиме использовались две соосно расположенные и параллельно подключенные щетки. При вращении графитовые щетки скользили по поверхности бронзовой втулки диаметром 50 мм и длиной 20 мм. Вал турбины и втулка разделены изоляционной прокладкой. В качестве нулевого провода использовалась линия: основание - подшипники - турбина.
Возможности щеточного узла были определены экспериментально. Прямоугольный импульс с генератора, длительностью 0,1 мкс и амплитудой 70 В, подавался на одну или две щетки, подключенные к излучателю. Вторая пара щеток подключалась к осциллографу.
На рисунке 1.2 приведены осциллограммы сигналов для различных скоростей вращения. Из рисунка видно, что при скорости вращения (/?) 200 об/с, при «работе» как одной, так и двух щеток, существенного изменения формы не происходило у 90-95 % импульсов. При более высоких скоростях происходит уменьшение амплитуды и формы отдельных импульсов, часть импульсов вообще отсутствует. При п = 500 об/с искажается примерно 60-70 % импульсов для двух щеток и 80-90 % для одной. Искажение или полное отсутствие импульсов происходило, прежде всего, за счет нарушения электрического контакта в щеточном узле, а не в подшипниках (нулевом проводе), так как вал турбины, вал привода стенда и вал ротора электродвигателя (все со-единенные электрически) опирались в целом на шесть подшипников. Так как все щетки «работают» независимо друг от друга, то вероятно половина искажений приходится на пару щеток, подключенных к генератору, а половина на пару, подключенную к осциллографу. Соответственно можно сделать вывод, что если для подачи возбуждающего импульса на излучатель использовать две щетки, то при скорости вращения до 200 об/с искажения сигнала фактически не будут наблюдаться, а при 500 об/с будет искажаться примерно 40-50 % импульсов. Такое количество искаженных импульсов вполне приемлемо для предлагаемого метода диагностики, так как алгоритм обработки сигнала включает операцию синхронного усреднения (см. разд. 1.2.3).
Для возбуждения и приема ультразвуковых колебаний использовались пьезокерамические преобразователи. Применительно к поставленной задаче ПЭП обладают рядом преимуществ в сравнении с другими типами: небольшие размеры, простота конструкции, надежность крепления, малое энергопотребление, высокий коэффициент электромеханической связи, возможность изменения амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) путем несложного изменения конструкции. В данном эксперименте нами использовались одинаковые по конструкции излучающий и приемный преобразователи. Преобразователи были собраны на основе пластинок пьезокерамики ЦТС-23 толщиной 0,5 мм, поперечными размерами 4x6 мм2. Пластина помещалась в корпус из латунной фольги толщиной 0,15 мм. Для расширения полосы рабочих частот преобразователей пьезокерамика заливалась композицией на основе эпоксидной смолы с наполнителем из свинцового порошка с диаметром частиц 0,2 мм. Масса преобразователя около 0,5 грамма. Крепление преобразователя к исследуемой детали осуществлялось посредством болтового соединения.
Чувствительность лазерного профилометра в статическом режиме
Как указывалось выше, коэффициент преобразования у = Д/ЯЬ1, /Ах, определяется рядом факторов. Предполагая, что изменение лг находится внутри интервала линейности ±0,4-а, а ось лазерного пучка совпадает с центром диафрагмы, т.е. h\ = h2 = h « ±0,6-я, выражения (2.9) и (2.10) с учетом (2.8) можно представить в виде h + 1_J 1 1L x (x _ x ) (Я. + Я.) ,(2.14) и для чувствительности /получим: ("о + К\) где а « а0 + О (/?і+/?2), т.е /зависит от Jo» параметров электронного тракта Фл jc и геометрических параметров оптической схемы #о, О, R\ и Rj. При частичном перекрытии светового потока, проходящего сквозь диафрагму (х0 - Х[ И), выражение (2.14) можно представить в виде: ивых=и0-ухх1} (2.16) где — U0 = /Г х К х Р0 соответствует напряжению на выходе фотоприемника при полностью открытой диафрагме (Р0 — мощность светового потока, проходящего через открытую диафрагму). Если с точки зрения математики абсолютные значения величины Ро не играет существенной роли, то для электронного тракта Р0 (для выбранной схемы фотоприемника) определяет рабочую точку усилителя и фотодиода. При большом значении Р0 может наступить «насыщение» или возникнуть нелинейности, т.е. Ро непосредственно влияет на ЛфЛ и Кус. Применение других измерительных схем, например компенсационной, было признано нами нецелесообразным ввиду существенного усложнения конструкции и ряда других факторов. Р0 зависит от мощности лазера и размеров диафрагмы d и h. Уменьшение d нежелательно, т.к. приведет к уменьшению у. Значение h можно уменьшить до предельных размеров, позволяющих устойчиво измерять полное изменение „Y при работе всей системы. При этом предварительно необходимо быть уверенными в том, что при достаточно больших амплитудах колебаний вращающегося тела (т.е. больших А\\) чувствительность системы остается постоянной и достаточно большой. Также необходимо экспериментально проверить, как параметры оптической системы реально влияют на у.
На рис. 2.8 приведено изменение U6ba - AU в зависимости от Л\\ при использовании в оптической схеме цилиндрической линзы. Измерения проводились для Rj =74 см и R2 = 31 см в статическом режиме. Перемещение препятствия — стальной пластины задавалось микровинтом и контролировалось стрелочным микрометром с ценой деления 1 мкм. (/ныч измерялось электронным вольтметром Щ1516.
При измерении смещений конкретных деталей расстояние R] может быть различным для первого и второго луча, и может изменятся при перенастройке системы в пределах 50 ч- 120 см. Теоретически, в первом приближении рост /?/ приводит к линейному уменьшению у. На рис. 2.10 приведена экспериментальная зависимость коэффициента преобразования профиломет-ра от /?/. Как видно из рисунка, /изменяется достаточно плавно от 12 до 7 мВ/мкм при изменении Rj от 40 см до 110 см, что является вполне приемлемым для нашей конструкции стенда.
При проведении высокоточных специальных измерений положительная линза может быть убрана, что предусмотрено конструкцией; при этом чувствительность возрастает в 3-6 раз, а диапазон линейности уменьшается. Дальнейшее значительное увеличение чувствительности возможно при использовании фокусирующих линз. В этом случае у может достигать 200 мВ/мкм. При этом значительно уменьшает линейный диапазон и в пределах 10% он составляет 10-15 мкм.
Таким образом, статические измерения показывают, что при использовании основной оптической схемы лазерного профилометра (с цилиндрической линзой) чувствительность /постоянна в пределах 1% при изменении Ах\ от 0 -г 100 мкм и в пределах 5% Лхх = 0-5- 500 мкм. В зависимости от геометрических параметров (/?/ , R2, И) у изменяется в два-три раза, что вполне приемлемо и может быть легко компенсировано подстройкой коэффициента усиления Кус, или учтено при проведении вычислений. В качестве «базового» значения убыло выбрано значение 10 мВ/мкм, и при перенастройке оптической схемы и юстировке системы добивались близких к этому значений.
Для проверки влияния скорости вращения на чувствительность профилометра была изготовлена специальная насадка цилиндрической формы на вал электродвигателя КУВ с эталонными уступами высоты 7, 12, и 14 мкм. Уступы представляли наклеенные полоски тонкой металлической фольги шириной 1, 1.5, и 3 мм.. На рис. 2.11 представлены осциллограммы сигналов с ФП для скоростей вращения вала п = 80 об/с и п = 500 об/с (фотографии с запоминающего осциллографа). Сильная модуляция сигнала на частоте вращения 500 об/с связана с большими биениями вала двигателя как целого. Из проведенных измерений следует, что высота «пиков», соответствующих эталонным уступам, на фоне общей кривой сохраняется в диапазоне скоростей вращения от 0 до 500 об/с. Динамические измерения показали, что для вращающихся объектов, ширина которых не менее 0,5 мм, с помощью профилометра удается правильно определить смещение препятствия при частоте вращения до 500 об/с с порогом чувствительности 0,5 мкм.
Конструкция измерительной системы
Для решения поставленных задач была разработана специальная автоматизированная измерительная система, позволяющая измерять время прихода УЗ импульсов, отраженных от эталонного отражателя и поверхности жидкости, рассчитывать расстояние до поверхности и, соответственно, уровень жидкости. В основе работы системы лежит метод автоматического синхронного накопления и усреднения сигнала по заданному числу реализаций, детектирование, демодуляции сигнала и определения времени прихода УЗ импульсов. Аппаратная часть и алгоритм обработки сигнала, используемые в данном случае, существенно отличаются от методов, примененных при создании систем диагностики вращающихся тел (глава 1).
Блок схема измерительной системы приведена на рис. 3.1. Система состоит из следующих основных узлов: ПЭВМ, ПЛЭТЕЛ специализированного контроллера, блока гальванической развязки, электронного блока, излучателя и приемника УЗ сигналов. Блоки 1, 2 и 3 объединены в единый измерительный блок 7, устанавливаемый на емкости с жидкостью. Система работает следующим образом: в автоматическом режиме вначале каждого измерительного цикла ПЭВМ выдает сигнал «Пуск» на контроллер. Контроллер вырабатывает синхроимпульс и включает АЦП. Синхроимпульс поступает на блок 4, на выходе которого формируется потенциально независимый импульс. Этот импульс поступает по кабелю на измерительный блок. Синхроимпульс, поступая на вход электронного блока, готовит его к работе (см. ниже) и через цепи коммутации поступает на вход излучателя. Генератор излучателя формирует электрический импульс амплитудой 200 В и длительностью 20 мкс. Сигнал с генератора поступает на пьезокерамику излучателя оригинальной конструкции. Ультразвуковой сигнал, отраженный от эталонного препятствия и поверхности мазута, принимается приемником УЗ импульсов. Приемник состоит из собственно преобразователя УЗ сигнала и предварительного усилителя. Сигнал с предварительного усилителя поступает на вход усилителя электронного блока,имеющего зависящий от времени коэффициент усиления. После усиления и фильтрации сигнал по кабелю эталонный отражатель жидкость
В лабораторных условиях в качестве АЦП использовался контроллер АИС (режим цифрового осциллографа, прил. 1). Для измерений на резервуаре был изготовлен специализированный АЦП-контроллер, который имел тактовую частоту АЦП 500 кГц и позволял записывать реализации длиной 32768 точек (передача данных в память ПЭВМ производилась для каждой реализации). Контроллер устанавливался на материнской плате ПЭВМ, которая располагалась в комнате операторов мазутной станции. Расстояние от резервуара до ПЭВМ 150 м.
Измерительный блок состоял из излучателя и приемника УЗ колебаний, электронного блока и основания (рис. 3.1 и рис.1 прил. 2). Основание размером 440x380 мм при измерениях в резервуаре закреплялось горизонтально в специальном технологическом отверстии, а при измерениях в лаборатории -вертикально на специальном штативе. Снизу к основанию прикреплялось два рупора - для излучателя и приемника. По центру между рупорами на тонком стержне на расстоянии //,„,= 1000±0,5 мм жестко прикреплен эталонный отражатель - стальной диск диаметром 2 см. Сверху на основании укреплялись приемник и излучатель, выполненные в герметическом исполнении, и электронный блок в отдельном корпусе. При измерениях в резервуаре вся конструкция сверху закрывалась общим корпусом.
Для повышения чувствительности системы амплитудно-частотные характеристики излучателя и приемника подбирались одинаковыми. Максимум АЧХ находился в области 54-58 кГц. В качестве излучателя использовалась пьезокерамическая пластинка, закрытия фторопластовой пленкой, которая одновременно являлась мембраной излучателя. Мембрана прикреплена к пластинке специальным прижимным устройством и вместе с ней натягивалась с помощью пружины. Внутри корпуса в отдельном, полностью герметичном объеме была установлена плата генератора.
Конструкция приемника УЗ была выполнена аналогично излучателю. В корпусе была установлена подпружиненная пьезокерамическая пластинка, соприкасающаяся с фторопластовой мембраной. Внутри корпуса находилась плата предусилителя. Предусилитель имел коэффициент усиления 200, чувствительность 1 мкВ, напряжение питания 12 В. Для улучшения шумовых характеристик предусилитель был выполнен на основе дискретных элементов. Все соединения, вводы излучателя и приемника, корпуса и электрические схемы были выполнены в соответствие с ГОСТами на пожаровзрывобе-зопасность.
Электронный блок предназначался для фильтрации и усиления сигнала с предусилителя, а также визуального контроля работы измерительного блока в целом. Сигнал с предусилителя поступал на пропускающий активный фильтр, максимум полосы пропускания которого совпадал с максимумом АЧХ системы излучатель - приемник. Затем узкополосный сигнал поступал на вход усилителя с линейно зависящим от времени коэффициентом усиления. Начало работы усилителя задавалось синхроимпульсом. Необходимость в линейной зависимости коэффициента усиления связана с большим ослаблением сигнала в воздушной среде над жидкостью внутри бака - примерно в 10 раз в сравнении с обычным атмосферным воздухом (см. разд. 3.3). Использование усилителя с большим постоянным коэффициентом усиления нежелательно, так как в этом случае при малых hn УЗ импульсы, связанные с переотражением от эталона и основания, будут накладываться на начало УЗ импульса от поверхности жидкости. Коэффициент усиления изменялся от 100 до 500 за время 0,06 с (максимальное время распространения УЗ импульса в резервуаре).
Для обеспечения требований техники безопасности при измерениях на резервуаре был создан блок гальванической развязки, предназначенный для гальванической развязки всех цепей измерительного блока с платой контроллера. Он включал в себя следующие элементы: согласующий усилитель, который через специальный трансформатор подключался к котроллеру ЭВМ; искробезопасный источник питания на 12 В; схему развязки синхроимпульса. Принципиальные схемы блоков системы приведены в отчете [205], краткое описание управляющих программ - в приложении 2.
Автоматизированная система измерения уровня жидкости
Нами было поставлена цель создание системы измерения уровня, которая с одной стороны по своим технико-эксплуатационным качествам превосходила существующие поплавковые системы, а с другой стороны, себестоимость производства которой была бы значительно меньше радиолокационных систем. При этом предполагалось решение следующих основных задач: 1. Значительное упрощение конструкции измерительной части, в сравнении с магнитострикционными системами. 2. Расширение диапазона измерения уровня до 20 - 25 м. 3. Метрологические характеристики создаваемого уровнемера должны позволять вести коммерческий учет количества жидкости. 4. Полная автоматизация процесса измерения. 5. Надежность работы в течение длительного срока при измерении уровня жидкостей с температурой от -40 С до +90 С. 6. Относительно низкая себестоимость производства, монтажа и обслуживания системы. Как указывалось выше, в наибольшей степени предъявляемым требованиям отвечают ультразвуковые стержневые поплавковые системы. Значительное улучшение характеристик данных систем, но нашему мнению, может быть достигнуто путем использования излучателя ультразвука установленного непосредственно внутри поплавка, плавающего на поверхности жидкости. Уровень жидкости рассчитывается исходя из времени распространения по волноводу ультразвукового сигнала от излучателя до приемника, установленного на верхнем конце стержня. При этом должны отсутствовать какие-либо обмотки на поверхности волновода для питания излучателя, как это предлагалась в изобретении [214]. С другой стороны для осуществления свободного перемещения поплавка вдоль всего стержня -волновода он не должен быть связан проводными линиями с другими блоками системы. Кроме того должна быть достигнута достаточная амплитуда излучаемого импульса и точная синхронизация работы всех блоков системы. Решение задачи питания блоков излучателя, путем установки в поплавке аккумуляторов, существенно снижает эксплуатационные характеристики в виду необходимости периодической их замены, а также применения специальных элементов, способных работать в широком диапазоне температур.
Для решения поставленной задачи нами был разработан метод определения уровня жидкости, основанный на создании акустического импульса в стержне - звукопроводе активным излучателем, расположенным непосредственно на границе жидкость-воздух. Для питания и обеспечения синхронизации формирователя ультразвукового импульса используется непосредственно звукопровод, который является одновременно частью витка первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого расположена внутри поплавка. Формирование акустического импульса осуществляется излучателем, представляющим собой пьезокерамическое кольцо, коаксиально охватывающее стержень, и которое установленное внутри корпуса поплавка.
Вокруг стержня по всей его длине возникает переменное коаксиальное магнитное поле В, которое наводит ЭДС в катушке индуктивности L1, расположенной в корпусе поплавка, и возбуждает соответствующий индукционный ток. Катушка Ы выполнена в форме тора (плоскости витков обмотки перпендикулярны силовым линиям поля В). L1 подключена к входу блока формирования напряжения питания и синхроимпульсов излучателя. В данном блоке за счет частотной фильтрации выделяется синхроимпульс, который поступает на вход формирователя синхроимпульсов излучателя. С блока 8 переменное напряжение подается на вход блока питания генератора. При работе системы синхроимпульс запускает генератор, который вырабатывает электрический импульс длительностью 5 мкс и амплитудой 70 В, подаваемый на пьезокерамическое кольцо излучателя. При подаче электрического импульса на пьезокерамику, возникает акустический сигнал, который через стенки корпуса поплавка и жидкость достигает звуко-провода. В металлическом стержне возбуждается продольная стержневая волна (см. ниже). Прием ультразвуковых импульсов, осуществляется пьезо-керамическим преобразователем, закрепленным на верхнем торце звукопро-вода. Электрический сигнал с пьезоприемника, усиленный предварительным усилителем, поступает далее на вход компаратора формирователя прямоугольных импульсов счетчика времени (рис. 4.3), где определяется время распространения ультразвукового импульса по стержню. Таким образом, схема синхронизации и формирования ультразвуковых импульсов работает автономно без внутреннего источника питания и независимо от положения поплавка относительно звукопровода по высоте. Все элементы излучателя расположены внутри герметичного корпуса поплавка, изготовленного из нержавеющей стали с выполнением требований ГОСТов по пожаро- и взрыво-безопасности.
На рисунке 4.2 приведен чертеж расположения основных блоков внутри корпуса поплавка. Поплавок состоит из герметичного внешнего корпуса, создающего плавучесть, и внутреннего, в котором расположены: катушка
Сверху внутренний корпус герметично закрывается с помощью специальной крышки. Оба корпуса изготовлены из нержавеющей стали. Свободное пространство внутреннего корпуса полностью заполнено трансформаторным маслом. Па внутренней трубке корпуса, сквозь которую проходит стержень -звукопровод, установлены фторопластовые центрирующие шайбы. Протектор имеет форму кольца и служит для согласования волновых сопротивлений пьезокерамики и жидкости, заполняющие пространство между стержнем и внутренней трубкой корпуса. На основе проведенных расчетов [83,234] в качестве материала протектора выбрано органическое стекло. Основные узлы поплавка имеют следующие размеры: диаметр внутренней трубки - 5 мм, толщина ее стенок - 0,3 мм, внешний диаметр пьезокерамического кольца -28 мм, внутренний диаметр - 23 мм, его высота 10 мм, внешний диаметр корпуса «1» - 270 мм, корпуса «2» -40 мм, высота поплавка 80 мм.
Особенности акустического тракта созданного уровнемера и их влияние на метрологические характеристики рассмотрены в разделах 4.2.3, 4.3, 4.4, здесь только отметим, что для регистрации времени прихода акустического сигнала в настающее время используется метод фазовой регистрации, фиксируется время «перехода через ноль» для первой полуволны акустического импульса пришедшего на пьезокерамику приемника УЗ. Общая блок-схема созданного уровнемера приведена на рисунке 4.3. Управление процессом измерения осуществляет микропроцессор (МП). За основу была выбрана микропроцессорная линия 80с51 со встроенной памятью программ на 8 кбайт.
Похожие диссертации на Разработка акустических методов неразрушающего контроля динамических объектов и процессов
