Исследование Влияния Параметрических Расстроек На

Специфика Применения Контактных И
Бесконтактных Способов Измерения
Амплитуды Колебаний В Процессе
Настройки УЗ Аппаратов
Владимир Н. Хмелѐв д.т.н. Senior Member, IEEE, Денис С. Абраменко, Student Member, IEEE,
Роман В. Барсуков, к.т.н., Андрей Н. Лебедев, Student Member, IEEE
Бийский технологический институт (филиал)
ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»
Аннотация – В статье приведена информация о
возможностях и особенностях использования бесконтактного стробоскопического способа измерения амплитуды и сравнение с измерениями при
помощи измерителя перемещений часового типа.
Проведенный анализ позволяет выявить преимущества и недостатки рассматриваемых способов
измерения.
Ключевые слова – ультразвук, измерение, амплитуда, стробоскоп, колебания, измеритель перемещений часового типа, бесконтактный способ измерения.
I.
У
ВВЕДЕНИЕ
ЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ занимают значительное место в огромном количестве достижений ушедшего двадцатого века.
Применение ультразвука позволило ускорить
протекание множества химических реакций, упростить такие трудоемкие процессы, как размерная обработка хрупких и особотвердых материалов, а так же осуществить такие процессы, которые ранее считались нереальными, - например,
соединение воды и масла, без последующего
расслоения полученной эмульсии. Не меньшее
значение ультразвук имеет в медицине. С его
помощью не только диагностируют заболевания
внутренних органов, но и проводятся бескровные
операции по удалению злокачественных новообразований и целлюлитных отложений.
Все практические реализации ультразвуковых
технологий немыслимы без систем контроля и
диагностики. Амплитуда механических колебаний излучающей поверхности ультразвуковой
колебательной системы один из основных параметров, характеризующих эффективность ультразвукового воздействия на обрабатываемый
объект. Поэтому измерение амплитуды колебаний занимают очень важное место, как при про-
ектировании ультразвуковых процессов и аппаратов, так и при изменении режимов во время
технологического процесса.
II. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ
СТРОБОСКОПИЧЕСКОГО СПОСОБА
ИЗМЕРЕНИЯ
В настоящее время существует множество
способов измерения амплитуды колебаний использующие различные физические основы. В то
же время их анализ показывает, что все они
имеют существенные недостатки, ограничивающие их применение для измерения амплитуды
колебаний излучающей поверхности УЗКС. К их
основным недостаткам можно отнести: необходимость подготовки излучающей поверхности
УЗКС, калибровки средства измерения под конкретный тип колебательной системы, узкий диапазон значений измеряемых амплитуд, демпфирование колебаний, невозможность автоматизации процесса измерения и т.д. Как показала
практика применения, наиболее перспективным
является метод визуального контроля через микроскоп, а именно, его модификация, использующая стробоскопическое освещение. Стробоскопический способ измерения лишен большинства
перечисленных недостатков, имеет низкую погрешность измерения (зависит от кратности увеличения микроскопа) и позволяет измерять амплитуду механических колебаний УЗКС в широком диапазоне частот и амплитуд.
В процессе применения стробоскопического
способа измерения была установлена возможность измерения распределения амплитуды колебаний вдоль всей кромки видимого, в окуляр
микроскопа, участка рабочего окончания. Причем, одновременно наблюдаются все колебания
совершаемые в плоскости, перпендикулярной
оптической оси микроскопа. На Рис. 1 представ-
лено светотеневое изображение, видимое в окуляре микроскопа, при измерении амплитуды рабочего инструмента в виде шила со слегка изогнутым окончанием.
Колебания, совершаемые с противоположными фазами, будут наблюдаться как имеющие
различные цвета (или яркости) свечения. На
Рис. 2 представлен пример светотеневого изображения, на котором видны колебания с противоположными фазами и точка минимума.
Рис. 1. Распределение амплитуды колебаний вдоль рабочей
поверхности УЗКС
2. Сложность реализации оптической системы для источника света, состоящего из 2-х независимых источников монохроматического светового излучения, имеющих разные длины волн
испускаемого излучений. Необходимо обеспечивать совпадение световых потоков, что, с увеличением расстояния до точки фокусировки, реализовать значительно сложнее.
Наиболее ярко этот недостаток проявляется в
случае дискового излучателя для работы в газовых средах. Внешний вид УЗКС с дисковым излучателем представлен на Рис. 3.
Рис. 3. Внешний вид УЗКС с дисковым излучателем.
В результате анализа возможности применения существующих способов, для измерения
распределения амплитуд на дисковом излучателе, наиболее простым и эффективным способом
было признано использование измерителя перемещений часового типа.
III. СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИЗМЕРЕНИЯ
Рис. 2. Распределение амплитуды колебаний вдоль рабочей
поверхности УЗКС
Измерительная практика показала, что стробоскопический способ применим практически
для всех колебательных систем имеющих малые
габаритные размеры (не более 200х200х500 мм)
и тонкую (шириной не более 150 мм) рабочую
кромку. В этих случаях стробоскопический способ обеспечивает высокую точность, быструю
подготовку и проведение процесса измерения, и
другие преимущества. В тоже время его применение не возможно, или возможно со значительными ограничениями, для измерения амплитуды
или распределения амплитуд УЗКС имеющих
большую площадь излучающей поверхности или
значительные массогабаритные размеры. Основные причины заключаются в следующем:
1. Невозможность фокусировки микроскопа
на отдельные точки поверхности, больших по
площади излучающих поверхностей, не лежащие
на торце;
Для проверки адекватности результатов и
проверки возможности применения измерителя
перемещений было проведено сравнение результатов измерения стробоскопическим способом и
измерителем перемещений. Были собраны два
стенда. Первый реализующий измерение с помощью измерителя перемещений часового типа
(Рис. 4), второй – стробоскопическим способом
(Рис. 5).
Рис. 4. Внешний вид стенда для измерения амплитуды колебаний, излучающей поверхности УЗКС, измерителем перемещений часового типа
Измерения амплитуды колебаний проводилось с использованием колебательной системы
ультразвукового технологического аппарата
«ГИМИНЕЙ-УЛЬТРА 2», предназначенного для
сварки и резки полимерных материалов. Режим
работы аппарата в обоих случаях – идентичный
(выходная мощность 400 Вт).
расстояние между двумя максимальными колебательными смещениями, что соответствует удвоенной амплитуде колебаний. Результат измерения с помощью измерителя перемещений часового типа является амплитуда колебаний, поскольку измеряется расстояние между максимальным колебательным смещением поверхности (включенный УЗ аппарат) и стационарным
положением (выключенный УЗ аппарат).
Рис. 7. Светотеневое изображение, полученное с помощью
стробоскопического способа измерения амплитуды УЗКС
Рис. 5. Измерительный стенд, реализующий стробоскопический способ измерения амплитуды колебаний УЗКС
На Рис. 6 представлены фотографии шкалы
измерителя перемещений при выключенном (а) и
включенном (б) ультразвуковом аппарате. Разность показаний составляет 2 деления, что, учитывая цену деления шкалы (0,01 мм или 10 мкм),
составляет 20 мкм.
а – показания стрелочного индикатора при выключенном УЗ
аппарате;
б – показания стрелочного индикатора при включенном УЗ
аппарате.
Рис. 6. Показания измерителя перемещения стрелочного типа
На Рис. 7 представлено светотеневое изображение, полученное с помощью стробоскопического способа измерения. Цена деления составляет 14 мкм. Соответственно, размах колебаний
излучающей поверхности УЗКС составляет приблизительно 42 мкм.
Необходимо обратить внимание, что при измерении стробоскопическим способом результатом измерения является размах амплитуды, т.е.
Следовательно, разность результатов полученных двумя способами составляет 2 мкм или
5%. Таким образом можно сделать вывод, что
измеритель перемещений можно использовать
для измерения амплитуды колебаний ультразвуковой частоты УЗКС.
В то же время способ измерения при помощи
измерителя перемещений часового типа имеет
следующие недостатки:
1. Необходимо ориентировать ось подвижного элемента измерителя вдоль оси, по которой
происходят колебания, при небольших отклонениях точность измерений резко падает, поскольку на чувствительный элемент дополнительно
может оказывать воздействие другая составляющая колебаний;
2. Необходимость надежной фиксации измерителя перемещений и УЗКС;
3. Малая производительность процесса измерения.
Для исследования распределения амплитуды
колебаний дискового излучателя был использован стенд, фотография которого представлена на
Рис. 8.
Методика измерения заключалась в следующем. Ввиду несимметричности колебаний на
поверхности диска были определены основная и
второстепенная диагонали, а так же расположение точек минимума и максимума колебаний на
этих диагоналях, при помощи мелкого порошка.
Найденные точки были отмечены маркером на
поверхности диска, и измерено положение каждой из них. Затем с помощью штатива измеритель перемещений закреплялся над каждой точкой максимума колебаний.
[2]
[3]
Рис. 8. Стенд для измерения распределения амплитуд колебаний дискового излучателя
Результаты измерения распределения амплитуды колебаний по поверхности дискового излучателя при потребляемой электрической мощности 130 и 200 Вт представлены на Рис. 9.
Рис. 9. Распределение амплитуды колебаний вдоль поверхности дискового излучателя
IV. ВЫВОД
Таким образом, бесконтактный стробоскопический способ измерения является наиболее универсальным и точным способом, имеющим ряд
значительным преимуществ по сравнению с известными способами. В тоже время его применение не возможно, или возможно со значительными ограничениями, для измерения амплитуды
или распределения амплитуд УЗКС имеющих
большую площадь излучающей поверхности или
значительные массогабаритные размеры.
Измеритель перемещений часового типа лишен этого недостатка, но во тоже время проведение измерений с его помощью занимают длительное время, требуют длительной подготовки,
не предусматривают возможность автоматизации
и т.д.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
[1]
Ультразвуковой преобразователь для газовых сред
[Текст]: пат. №2059239 Российская Федерация:
[4]
МПК6 G01N29/24 / Хмелев В.Н., Кицанов А.С.,
Митин А.Г., Ларионенко Г.Г.; заявитель и патентообладатель Научно-производственное объединение «Алтай»». – №93028405/28; заявл. 14.05.93;
опубл. 27.04.96, Бюл. № 21. – 5 с.: ил.
Способ измерения амплитуды колебаний излучающей поверхности ультразвуковой колебательной системы: пат. №2271521 Российская Федерация: МПК7 G01Н9/00 / Хмелев В.Н., Савин И.И.,
Барсуков Р.В., Цыганок С.Н.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». – №2004132109/28; заявл. 03.11.04; опубл.
10.03.06, Бюл. № 7. – 3 с.: ил.
Способ измерения амплитуды колебаний: пат.
№2292530 Российская Федерация: МПК7 G01H9/00
/ Леонов Г.В., Хмелев В.Н., Савин И.И., Абраменко Д.С.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО
«Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова». – №2005111032/28;
заявл. 14.04.05; опубл. 27.01.07, Бюл. № 3. – 3 с.:
ил.
Leonov, G.V. Automation of the Amplitude Measurement Process of Ultrasonic Oscillatory Systems Irradiating Surface / G.V. Leonov // International Siberian Workshop and Tutorials on Electron Devices and
Materials Proceeding EDM'2005: Workshop Proceedings / NSTU. – Novosibirsk, 2005. – P.86-70.