УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ АМПЛИТУДЫ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Техническое решение - полезная модель относится к области измерительной техники, а именно к устройствам виброметрии, и может быть использовано для контроля амплитуды механических колебаний поверхностей твердых тел в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот, в частности для измерения амплитуды колебаний многополуволновых излучателей со сложной по форме поверхностью излучения 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 процессе работы при реализации технологических процессов, 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, сложной по форме, 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 устройства измерения амплитуды колебаний колеблющихся поверхностей в области звуковых и ультразвуковых частот, широко используемые для решения частных метрологических задач. Общим недостатком большинства известных устройств 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 устройство для измерения амплитуды колебаний [2], принятое за прототип, содержащее последовательно установленные в корпусе и акустически связанные между собой заостренный с одного конца металлический волновод и пьезоэлектрический элемент. Устройство используют для измерения значения амплитуды и ее распределения на излучающих переходных поверхностях и торцевой поверхности посредством передачи колебаний через точечный контакт на пьезопреобразователь. Работает устройство следующим образом. На электромеханический (магнитострикционный или пьезоэлектрический) преобразователь колебательной системы, амплитуда колебаний рабочего инструмента которой контролируется подается напряжение, не превышающего 0,1 рабочего напряжения при работе колебательной системы при реализации технологических процессов.
Сущность устройства, принятого за прототип, поясняется фиг. 1 на которой приняты следующие обозначения: 1 - металлический стержень; 2 - пьезоэлектрический элемент; 3 - демпфер (эпоксидный компаунд); 4 - соединительные провода; 5 - электрический разъем; 6 - корпус.
Металлический стержень 1 в виде иглы, присоединенный к пьезоэлектрическому элементу 2, касается в точке колеблющейся поверхности ультразвуковой колебательной системы. Воспринимаемые механические колебания передаются на пьезоэлектрический элемент 2 и возбуждают его колебания. На электродах пьезоэлемента возникает электрическое напряжение, пропорциональное амплитуде механических колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы. Пьезоэлектрический элемент представляет собой элемент из пьезоэлектрической керамики марки ЦТС-19. Разъем 5 предназначен для подключения устройства контроля к измерительному прибору с целью измерения параметров формируемого напряжения - амплитуды и частоты. Выполненное устройство заключено в корпус 6.
Эксплуатация прототипа позволила выявить его основной существенный недостаток, заключающийся в невозможности контроля амплитуд излучающих поверхностей, колеблющихся с амплитудами более 5…10 мкм, а именно такие амплитуды реализуется в условиях реальной эксплуатации колебательных систем. Обусловлено это тем, что при амплитудах колебаний более 5…10 мкм происходит потеря контакта пьезоприемника с поверхностью излучателя, разрушение контакта металлического стержня с электродами пьезоэлемента и разрушение самого пьезоэлемента.
Этот недостаток приводит к тому, что контроль реальных рабочих амплитуд колебаний становится невозможным. По этой причине контроль осуществляют только при пониженных напряжениях питания колебательных систем и измеряемые значения существенно отличаются от реальных.
Отмеченный недостаток обуславливают невозможность использования устройства, принятого за прототип, при решении исследовательских задач, проведении измерений в производственных условиях эксплуатации излучателей в различных технологических средах и требуют устранения.
Предлагаемое техническое решение - полезная модель, направлено на устранение недостатков существующего устройства, а именно, на создание устройства, способного обеспечить возможность контроля амплитуд излучающих поверхностей, колеблющихся с амплитудами более 5.... 10 мкм в условиях реальной эксплуатации колебательных систем.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном устройстве, содержащем последовательно установленные в корпусе и акустически связанные между собой заостренный с одного конца металлический волновод и пьезоэлектрический элемент, металлический волновод со стороны, противоположной заостренному концу снабжён контактной площадкой, размер которой не превышает размера пьезоэлемента. Между контактной площадкой и пьезоэлементом размещена эластичная прокладка из звукопоглощающего материала, волновод размещён, с возможностью перемещения перпендикулярно поверхности пьезоэлемента, в цилиндрической втулке, одна сторона которой касается обратной стороны контактной площадки волновода, на другой стороне цилиндрической втулки выполнено фиксируемое резьбовое соединение с корпусом, размеры пьезоэлемента выбраны из условия обеспечения его минимальной резонансной частоты, превышающей не менее чем в 10 раз минимальную частоту контролируемого сигнала.
Суть предлагаемого технического решения, поясняется фиг. 2., где приняты следующие обозначения: 1 - металлический волновод; 2 -пьезоэлектрический элемент; 3 - демпфер (эпоксидный компаунд); 4 -провода; 5 - электрический разъем; 6 - корпус; 7 - цилиндрическая втулка с гайкой; 8 - эластичная прокладка из звукопоглощающего материала; 9 - контргайка.
В отличие от прототипа, в предлагаемое техническое решение введены дополнительные элементы, позволяющие устранить перечисленные недостатки. Металлический волновод 1, являясь телом вращения, имеет сложную геометрическую форму переменного сечения и состоит из элемента с заострённым концом (иглы) с одной стороны и контактной площадки большего диаметра со стороны, противоположной заостренному концу, размер которой не превышает размера пьезоэлемента. Между контактной
площадкой и пьезоэлементом размещена эластичная прокладка 8 из звукопоглощающего материала, позволяющая избежать потери контакта пьезоприемника с поверхностью излучателя, разрушения контакта металлического стержня с электродами пьезоэлемента и разрушения самого пьезоэлемента. Изменение толщины прокладки позволяет регулировать чувствительность устройства контроля.
Волновод размещён с возможностью перемещения перпендикулярно поверхности пьезоэлемента в цилиндрической втулке 7, имеющей сложную форму, объединяющую в одной конструкции полый цилиндр и резьбовую гайку для крепления к корпусу 6, обеспечивающую её соосность и предотвращающую смещение втулки и касания ею волновода. При этом, сторона втулки, противоположная резьбовой гайке касается обратной стороны контактной площадки волновода 1 без фиксированного механического соединения. Размеры пьезоэлемента 2 выбраны из условия обеспечения его минимальной резонансной частоты, превышающей не менее чем в 10 раз минимальную частоту контролируемого сигнала.
Предложенное устройство работает следующим образом.
При реализации контроля амплитуды колебаний ультразвукового излучателя, устройство контроля располагается перпендикулярно излучающей поверхности излучателя, а для контроля амплитуды колебаний переходных поверхностей многополуволновых излучателей переменного сечения, устройство контроля располагается таким образом, чтобы сигнал, фиксируемый осциллографом, имел наибольшее значение. Таким образом, устройство контроля касается колеблющейся поверхности в точке, образованной касательной к дуге окружности переходной поверхности излучателя, при этом устройство располагается перпендикулярно касательной.
Металлический волновод 1 заострённой стороной касается в точке колеблющейся поверхности ультразвуковой колебательной системы. Воспринимаемые механические колебания передаются на эластичную
прокладку 8 из звукопоглощающего материала, где происходит их нормированное ослабление для предотвращения разрушения пьезоэлемента. Далее передаваемые колебания возбуждают пьезоэлектрический элемент 2, на котором возникает электрическое напряжение, пропорциональное амплитуде механических колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы. При этом в процессе измерения, при касании волноводом исследуемой колеблющейся поверхности в точке, волновод прижимается с некоторым усилием к поверхности, в результате чего происходит прекращение контакта одной из сторон цилиндрической втулки и обратной стороны контактной площадки волновода 1 за счёт деформации эластичной прокладки 8. Разъем 5 предназначен для подключения устройства контроля к измерительному прибору с целью измерения параметров формируемого напряжения - амплитуды и частоты.
Кроме того, для предотвращения потери динамической устойчивости волновода, цилиндрическая втулка 7 имеет длину меньше длины волновода, и фиксируется на корпусе 6 благодаря входящей в её состав резьбовой части. Устройство снабжено контргайкой 9 для предотвращения раскручивания и изменения усилия прижима контактной площадки волновода к эластичной прокладке из звукопоглощающего материала.
Демпфер 3, выполненный из эпоксидной смолы с наполнителем, способствует устранению паразитных колебаний элементов преобразователя.
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://http://www.hielscher.corn/ultrasonics/i4000_p.htm
[2] Хмелев В.Н., Цыганок C.H., Титов Г.А., Шипилова Е.Ю., Абраменко Д.С. Пьезоэлектрический приемный преобразователь для измерения амплитуды колебаний ультразвуковой колебательной системы // Южно-сибирский научный вестник - 2013. - №2 (4). - С 64-68. - Режим доступа: http://www.s-sibsb.rU/images/articles/2013/2/15_64-67.pdf