СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ КОЛЕБАНИЙ
METHOD OF MEASURING AMPLITUDE OF VIBRATIONS

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к виброметрии, и может быть использовано для измерения амплитуды механических колебаний поверхностей твердых тел в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, в частности для измерения амплитуды колебаний многополуволновых излучателей переменного сечения ультразвуковых колебательных систем, используемых в составе аппаратов, предназначенных для интенсификации технологических процессов.
Амплитуда колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы является основным параметром, определяющим качество работы излучателя и эффективность реализации технологических процессов. Принципиально важным является необходимость контроля амплитуды колебаний непосредственно в технологической среде при реализации процесса, поскольку практически все технологические процессы имеют экстремальный характер, т.е. их эффективность имеет максимальное значение при определенной амплитуде.
В связи с тем, что в последние годы, при реализации ультразвуковых технологий в промышленных условиях, используются многополуволновые излучатели [1], представляющие собой последовательно соединенные полуволновые модули с большой поверхностью излучения, проблема существенно обострилась. Обусловлено это тем, что излучающих поверхностей, каковыми являются переходные области между полуволновыми звеньями излучателя, стало несколько (от 3 до 15), амплитуды их колебаний могут существенно отличаться, что обуславливает различную эффективность УЗ обработки вдоль излучателя и снижает качество производимого продукта.
Известны различные способы измерения амплитуды колебаний различных тел в области звуковых и ультразвуковых частот, широко используемые для решения частных метрологических задач. Общим недостатком большинства известных способов является сложность или невозможность получения абсолютных значений измеряемой величины (особенно в непрозрачных средах), без осуществления предварительной калибровки под конкретную измерительную ситуацию.
Наиболее близким по технической сущности, к предлагаемому техническому решению, является способ измерения амплитуды колебаний, принятый за прототип [2].
Прототип представляет собой способ измерения, при котором амплитуду колебаний и ее распределение на излучающих переходных поверхностях и торцевой поверхности измеряют пьезоприемником с точечным контактом при подаче на пьезопреобразователь колебательной системы напряжения, не превышающего 0,1 рабочего напряжения при возбуждении колебаний в воздухе.
Практическая реализация способа, принятого за прототип заключается в следующем.
Измерение амплитуды колебаний ультразвуковых колебательных систем (в процессе сборки, настройки) осуществляется на измерительном стенде, состоящем из генератора изменяемой частоты, осциллографа для наблюдения величины амплитуды и приемного пьезопреобразователя с точечным контактом. При этом, контроль реализуется следующим образом. Сигнал переменной частоты от генератора напряжением, не превышающим 0,1 рабочего напряжения при возбуждении колебаний в воздухе (в несколько десятков вольт) подается на электроды пьезоэлементов колебательной системы. Контроль амплитуды механических колебаний УЗ частоты осуществляется при помощи приемного пьезопреобразователя с точечным контактом, прижимаемого через точечный контакт к колеблющейся поверхности. Механические колебания через точечный контакт поступают на приемный пьезопреобразователь, преобразуются в электрические колебания и регистрируемый сигнал, пропорциональный амплитуде колебаний исследуемой поверхности, фиксируется осциллографом. При этом, приемный преобразователь с точечным контактом имеет контакт с излучающей поверхностью волновода в точке, что позволяет легко определять распределение колебаний и находить направления максимальных колебаний на искривленных поверхностях.
Однако способу, принятому за прототип, присущи следующие недостатки:
1. Отсутствие возможности измерения истинного значения амплитуды колебаний ультразвукового излучателя, поскольку такой способ позволяет получать только относительные изменения (равномерность распределения колебаний).
2. Отсутствие возможности проведения измерений амплитуд излучателя в условиях эксплуатации, при подаче на пьезопреобразователь колебательной системы рабочего напряжения (несколько сотен вольт), т.е. при амплитудах колебаний более 5…10 мкм, что обусловлено потерей контакта пьезоприемника с поверхностью излучателя.
3. Отсутствие возможности проведения измерений в технологических средах при эксплуатации излучателя, осложненное особенностью строения излучателя (протяженный многополуволновой излучатель переменного сечения).
Отмеченные недостатки обуславливают невозможность использования способа, принятого за прототип, при решении исследовательских задач, проведении измерений в производственных условиях эксплуатации излучателей в различных технологических средах и требуют устранения.
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе измерения амплитуды колебаний многополуволновых излучателей контролируют пьезоприемником с точечным контактом амплитуду колебаний и ее распределение на излучающих переходных поверхностях, сравнивают ее с амплитудой колебаний торцевой поверхности при подаче на пьезопреобразователь колебательной системы напряжения, не превышающего 0,1 рабочего напряжения при возбуждении колебаний в воздухе, погружают колебательную систему в обрабатываемую жидкость таким образом, что торцевая излучающая поверхность не покрывается жидкостью, прикладывают к пьезопреобразователю системы рабочее напряжение, измеряют амплитуду колебаний торцевой поверхности излучателя, наблюдая увеличенное изображение светового потока, перекрываемого колеблющейся торцевой поверхностью и используя результаты сравнения амплитуд колебаний, полученных пьезоприемником с точечным контактом устанавливают амплитуды колебаний переходных излучающих поверхностей и их распределение в обрабатываемой жидкости.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется примером его практической реализации (устройство), показанным на фиг.1, где приняты следующие обозначения: 1 - окуляр микроскопа, 2 - торец ультразвуковой колебательной системы, 3 - пьезоприемник с точечным контактом, 4 - технологический объем с жидкостью, 5 - стробоскопическая система освещения.
Практическая реализация предлагаемого способа измерения амплитуды колебаний пьезоэлектрических колебательных систем с многополуволновыми излучателями переменного сечения поясняется на фиг.2, где приняты следующие обозначения: 1 - многополуволнвой ультразвуковой излучатель переменного сечения, 2 - пьезоприемник с точечным контактом. При этом на первом этапе, реализуется измерение амплитуды колебаний торца и переходных излучающих поверхностей ультразвуковой колебательной системы 1 при помощи пьезоприемника с точечным контактом 2.
При реализации измерения амплитуды колебаний торца излучателя, пьезоприемник с точечным контактом располагается строго перпендикулярно торцевой поверхности излучателя, а для измерения амплитуды колебаний переходных поверхностей пьезоприемник с точечным контактом располагается таким образом, чтобы сигнал, фиксируемый осциллографом, имел наибольшее значение, это объясняется тем, что пьезоприемник с точечным контактом располагается в точке, образованной касательной к дуге окружности переходной поверхности излучателя, при этом пьезоприемник с точечным контактом располагается перпендикулярно касательной.
Второй этап измерений иллюстрируется фиг.3, на которой приняты следующие обозначения: 1 - ультразвуковая колебательная система, 2 - микроскоп, 3 - технологический объем, 4 - ультразвуковой генератор, 5 - стробоскопическая система освещения, 6 - электронный генератор импульсов, 7 - генератор образцовой частоты, 8 - осциллограф, 9 - измерительный щуп. При его реализации ультразвуковой аппарат, состоящий из генератора 4 и ультразвуковой колебательной системы 1 переводится в рабочее состояние, излучатель помещается в технологическую среду и при помощи стробоскопического способа измеряется амплитуда колебаний торцевой поверхности излучателя. При этом ультразвуковая колебательная система погружена в технологический объем 3, заполненный технологической средой, таким образом, что торцевая поверхность излучателя расположена над поверхностью воды между стробоскопической системой освещения 5 и окуляром микроскопа 2.
Предлагаемый способ был опробован для контроля параметров ультразвукового технологического аппарата модели УЗТА - 8/22 - О, с потребляемой электрической мощностью до 8000 ВА [3].
В результате проведенных измерений было установлено, что при работе в жидкой среде в кавитационном режиме размах амплитуды колебаний торцевой поверхности ультразвукового излучателя составил 14-16 мкм.
Результаты контроля амплитуды колебаний позволили определить интенсивность излучения в жидкость:
2
2
2
I=2πρcfA,
3
2
где ρ - волновое сопротивление среды [кг/м], с - скорость звука в материале излучателя (титан) [м/с], f - резонансная частота [Гц], А - амплитуда колебаний [м]. Измеренные значения амплитуды и ее распределения вдоль излучателя позволили определить среднюю интенсивность излучения, которая составила для излучения в воду 12 Вт/см.
При сравнении полученных результатов с результатами калориметрического метода контроля [4] было установлено соответствие результатов, с расхождением не более 10%.
Практическое использование предложенного способа начато в условиях малого инновационного предприятия ООО «Центр ультразвуковых технологий АлтГТУ» при производстве и эксплуатации ультразвуковых технологических аппаратов.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
[1] Hielscher - Ultrasound Technology [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.hielscher.com/ultrasonics/i4000_p.htm.
[2] Барсуков Р.В. Измеритель параметров ультразвуковых колебательных систем [Текст] / Барсуков Р.В., Ильченко Е.В., Абраменко Д.С. // International conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2010, Новосибирск, НГТУ.
[3] Ультразвуковой технологический аппарат «Булава» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://u-sonic.ru/devices/bulava8.
[4] ГОСТ 27955-88 (МЭК 782) Преобразователи ультразвуковые магнитострикционные. Методы измерения характеристик. - М.: Издательство стандартов, 1989.