Королев М. В.
Эхо-импульсные толщиномеры
МОСКВА
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
1980
Рецензент И. Н. Ермолов
Королев М. В. Эхо-импульсные толщиномеры. Москва: Машиностроение, 1980.
В книге рассмотрены принципы построения современных эхо-импульсных ультразвуковых толщиномеров и пути их совершенствования; даны сведения о методах повышения точности и расширения диапазона измерений. Большое внимание уделено разработке нового типа широкополосных пьезопреобразователей и особенностям электроакустического тракта толщиномеров с их применением.
Книга представляет интерес для специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией ультразвуковой измерительной и дефектоскопической аппаратуры, а также использующих ультразвук в физических исследованиях.
Редактор Григорин-Рябова Е. В.
Технический редактор Чистякова Н. Н.
Корректор Богомолова Н. Г.
© Издательство «Машиностроение», 1980 г.
Содержание книги
Эхо-импульсные толщиномеры
Предисловие
Глава 1. Эхо-импульсный метод измерения толщины
1. Разновидности акустического тракта эхо-импульсных толщиномеров
2. Точность эхо-импульсных толщиномеров
3. Диапазон измеряемых толщин
Глава 2. Электроакустический тракт эхо-импульсных толщиномеров
1. Примеры практических схем электроакустического тракта с раздельно-совмещенными пьезопреобразователями
2. Методы повышения разрешающей способноости эхо-импульсных толщиномеров
3. Апериодические пьезопреобразователи
4. Примеры практических схем электроакустического тракта с апериодическим пьезопреобразователем
5. Применение усилителей тока в электроакустическом тракте
6. Разрешающая способность эхо-импульсных толщиномеров с апериодическими пьезопреобразователями
Глава 3. Современные эхо-импульсные толщиномеры
1. Область применения и основные характеристики эхо-импульсных толщиномеров
2. Практические примеры построения эхо-импульсных толщиномеров
3. Перспективы совершенствования эхо-импульсных толщиномеров
Приложение
Список литературы
ПРЕДИСЛОВИЕ
Разработка и непрерывное совершенствование передовых методов и технологии изготовления деталей и машин, особенно при крупносерийном производстве, выдвинуло на первый план проблему повышения их надежности и долговечности. В решении этой народнохозяйственной проблемы громадную роль играет неразрушающий контроль качества изделий.
Среди широкого многообразия конкретных задач, решаемых средствами неразрушающего контроля, важное место занимает контроль толщины изделий или их отдельных частей при одностороннем доступе к ним. Особое значение в настоящее время приобретает измерение толщины изделий в процессе эксплуатации. Уменьшение толщины стенки ухудшает прочностные характеристики изделий и может привести к авариям, если это не было обнаружено вовремя. При этом в большинстве случаев толщину изделий необходимо измерять при одностороннем доступе к ним (в обшивках судов, в баллонах высокого давления в котельных трубах, в резервуарах, работающих в агрессивных средах и т. д.).
Повышенные и зачастую противоречивые требования к деталям и узлам современных машин, например, такие, как предельно малая масса и высокая прочность, приводят к необходимости применения высокопрочных, жаропрочных и легких металлов и сплавов, а также к изготовлению отдельных деталей и узлов из них с крайне малым запасом прочности, т. е. с очень тонкими стенками и оболочками, к использованию тонких металлических плакирующих покрытий на металлах и неметаллах и т. п. Это в свою очередь приводит к необходимости резко повысить точность измерительной аппаратуры и расширить ее диапазон в область весьма малых толщин.
Отсутствие до самого последнего времени простых и надежных широкодиапазонных толщиномеров, позволяющих измерять толщины изделий из металлов от десятых и сотых долей миллиметра до десятков и сотен миллиметров с точностью выше 1—2% при одностороннем доступе к ним, в ряде случаев сдерживало массовое производство этих изделий или резко увеличивало их себестоимость из-за необходимости выборочного разрушающего контроля.
Указанная задача может быть решена с помощью различных методов, основанных на взаимодействии с измеряемым изделием магнитного поля, электрического тока, рентгеновского или ядерного проникающих излучений, а также с помощью высокочастотных ультразвуковых колебаний. Каждому из указанных методов свойственны как положительные, так и отрицательные качества, однако ультразвуковые методы характеризуются большей универсальностью и могут быть применены для контроля материалов с большой и низкой электрической проводимостью и магнитной проницаемостью, большой или малой плотностью и толщиной.
Основными преимуществами ультразвуковых методов измерения толщины перед другими является независимость результатов измерений от неоднородности и непостоянства магнитной и электрической структуры материала изделия, возможность контроля суммарной толщины биметаллических изделий (например, изделий из ферромагнитных и неферромагнитных металлов и сплавов), отсутствие вредного воздействия на человека излучений (ядерных или рентгеновских) и принципиальная возможность измерения как малых, так и больших (до нескольких метров) толщин.
В настоящее время у нас в стране и за рубежом наибольшее распространение заслуженно получили ультразвуковые толщиномеры, работающие по эхо-импульсному методу, т. е. по методу акустической локации, которым измеряется время пробега импульса ультразвуковых колебаний от поверхности его ввода в контролируемое изделие (слой, стенку и т. п.) до противоположной поверхности и обратно. Это время линейно и однозначно связано с толщиной контролируемого изделия.
Некоторое распространение в настоящее время получили резонансные ультразвуковые толщиномеры и их разновидности (импульсно-резонансные, иммерсионно-резонансные и др.), основанные на измерении частоты, на которой в контролируемом изделии возникают стоячие волны, т. е. наступает акустический резонанс. Главное преимущество этих приборов перед эхо-импульсным состоит в возможности контроля изделий толщиной до десятых долей миллиметров с погрешностью не более 1—2%, тогда как минимальная толщина металлических изделий, поддававшаяся измерению современными серийными эхо-импульсными приборами, составляла до недавнего времени 1—1,5 мм. Исключение составляют несколько зарубежных приборов, например Калипер 104м, Калипер 105 фирмы Branson (Брэнсон, США), позволяющих измерять толщину стальных изделий до 0,25 мм с погрешностью 4—5%.
Однако резонансным толщиномерам присущ ряд существенных недостатков, от которых в значительной степени свободны эхо-импульсные приборы; это конструктивная сложность и сложность эксплуатации, необходимость высокой чистоты и параллельности поверхностей контролируемого изделия, узкий диапазон контролируемых толщин (как правило, не более 5—10 мм) и т. д.
Следует отметить также один из серьезнейших недостатков резонансных толщиномеров контактного типа. Он заключается во влиянии прижатой пьезопластины на резонансную частоту колеблющегося изделия. В зависимости от толщины слоя контактной смазки пик резонансной частоты смещается, что вызывает погрешность в 1—3%.
В настоящее время сведения о разработках ультразвуковых, и в частности эхо-импульсных толщиномеров, об исследованиях по созданию новых пьезопреобразователей для них, принципиальных схемах, конструкции и методах повышения их технических характеристик имеются во многих статьях в периодических научно-технических изданиях. Однако до сего времени отсутствует книга, сколько-нибудь систематизирующая и обобщающая указанные вопросы.
Предлагаемая книга является первой попыткой восполнить этот пробел. В ней рассмотрены принцип и особенности эхо-импульсного метода измерения толщины, варианты схем электроакустического тракта с раздельно-совмещенными пьезопреобразователями ультразвуковых колебаний и особенно с применением принципиально нового широкополосного апериодического пьезопреобразователя, разработанного автором. Во второй части книги на примерах самых современных отечественных серийных толщиномеров показан подход к разработке измерительных и индикаторных узлов этих приборов с применением полупроводниковой дискретной электроники и интегральной микроэлектроники. Рассмотрены основные пути совершенствования эхо-импульсных толщиномеров. Можно надеяться, что сведения такого рода окажутся полезными при решении отдельных технических задач для специалистов, занятых разработкой ультразвуковой дефектоскопической и измерительной аппаратуры, ультразвуковых линий задержки, приборов для ряда физических исследований и т. п.
Кроме классического эхо-импульсного метода измерения толщины, о котором речь пойдет ниже, существует целый ряд разновидностей импульсного и фазового методов, такие как геометрический эхо-метод, метод прямоугольного импульса, метод измерения частоты повторения импульсов, многократно отраженных в объеме контролируемого изделия от его поверхностей, импульсно-фазовый метод, разностно-частотный и др. [7]. Однако эти разновидности методов измерения . толщины, подробно рассмотренные в целом ряде работ, в настоящее время или вообще не используются на практике из-за принципиально низкой точности измерений, которую они обеспечивают, и низкой производительности контроля (например, эхо-метод) или приводят к неоправданному усложнению аппаратуры, которое приемлемо только в тех случаях, когда требуется прецизионное (с погрешностью менее 0,5%) измерение толщины особо ответственных изделий.
Например, известен метод измерения многократных отражений, или метод синхрокольца, при котором измеряется частота повторения сигналов на выходе генератора с запаздывающей обратной связью, где роль акустической линии задержки выполняет стенка измеряемого изделия.
Скачать книгу "Эхо-импульсные толщиномеры". Москва, Машиностроение, 1980
|
