CC BY
18
УДК 681.586.48 : 621.763 DOI: 10.17213/0321-2653-2016-1-37-40
ФАЗОВЫЙ СПОСОБ КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВОЛОКОННЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
PHASE WAY TO CONTROL THE SPEED OF SOUND IN THE PROCESS OF MANUFACTURING FIBER COMPOSITE MATERIALS
© 2016 г. И.В. Хоружий
Хоружий Игорь Владимирович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Автоматика и телемеханика», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Khoruzhiy Igor Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Automation and Telemechanics» Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Рассмотрены прикладные вопросы применения акустических методов контроля параметров композиционных материалов в автоматических системах управления технологическими процессами. Анализируемый способ измерения скоростей звука позволяет разрабатывать системы регулирования массового содержания связующего на этапах пропитки искусственных волокон в намоточных станках c возможностями эффективной фильтрации помех и искажений измерительных сигналов от электромеханических приводов окружающего оборудования. Предлагаемый фазовый способ определения скоростей звука в композиционных материалах позволяет повысить точность лабораторных измерений или качество соответствующих систем в промышленном производстве.
Ключевые слова: измеритель разности фаз; система управления; скорость звука; композиционный материал; армирующие волокна; содержание связующего.
The applied questions of application of acoustic methods for controlling the parameters of composite materials in automatic process control systems. Analyzed method of measuring the velocity of sound allows the development of control systems of mass content of binder impregnation step synthetic fibers winding machines c possibility of effective filtering of noise and distortion measurement signals from the electromechanical actuators surrounding equipment. The proposed method of determining the phase velocity of sound in the composite materials can improve the accuracy of laboratory measurements or quality of the corresponding systems in the industrial production.
Keywords: phase difference; control system; the speed of sound; the composite material; reinforcing fibers; binder content.
Контроль массового соотношения между полимерным связующим и армирующими волокнами на этапе пропитки является одним из важнейших параметров, влияющим на свойства получаемых композиционных материалов. Акустические методы позволяют определять процентное содержание связующего в пропитанном волокне на основе факта снижения скорости распространения продольной акустической волны в зависимости от массового содержания связующего. В отличие от ёмкостных методов измерений, они не зависят от собственных диэлектрических свойств применяемых материалов [1 - 4].
Фазовый способ измерений является вариантом акустических методов контроля массового (процент-
ного) содержания связующего в технологических процессах изготовления изделий из волоконных композиционных материалов. Его использование, в общей тематике разработки соответствующей контрольно-измерительной аппаратуры, может позволить устранить или ослабить ряд недостатков и проблем, методически присутствующих в действующих способах импульсной генерации и определения параметров одиночных акустических волн [5, 6].
Пример аппаратной реализации устройства [7 -9] на основе контроля времени прохождения импульсного сигнала через фиксированную акустическую базу между излучателем и приёмником показан на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема построения импульсного измерителя содержания связующего
В контролируемый материал посредством ультразвукового (УЗ) пьезоизлучателя А1 передаются одиночные импульсы прямоугольной формы, которые принимаются пьезоприемником А2, установленном на известном расстоянии от излучателя. Период повторения ударных импульсов ограничивается временем затухания колебаний в электроакустическом тракте.
Микроконтроллер А7 периодически формирует сигналы запуска для высоковольтного (ит ~ ~ 500...1000 В) ударного генератора А3 и цифрового таймера-счётчика А5. С помощью таймера измеряется время распространения ультразвуковых колебаний в пропитанном связующим волокне. Сигнал в приёмном канале А2, А4, А6 представляет собой модулируемые гармонические колебания напряжения синусоидальной формы (рис. 2) с частотой резонанса пье-зоприёмника. Детектируемый по фронту сигнал останавливает таймер для последующей обработки данных микроконтроллером. По калибровочным измерениям скорости распространения волны в непропитан-ном волокне и полученному текущему значению программно определяется значение массовой доли связующего в пропитанном материале. Результаты измерений передаются в ПЭВМ верхнего уровня по аналоговому или цифровому каналам связи.
Рис. 2. Формы сигналов излучателя и приёмника при импульсном способе измерений
Характерным недостатком акустических методов является высокая чувствительность пьезодатчиков, работающих в режимах прямого и обратного пьезо-эффектов, к внешним акустическим и электромагнитным помехам от электромеханических приводов окружающего оборудования. При этом возможности эффективной фильтрации помех и искажений принимаемого сигнала во временной и частотной областях ограничены условиями переходных процессов и ши-
рокополосного спектра одиночных измерительных импульсов. То есть мощные одиночные импульсные помехи микросекундных диапазонов на практике уже сложно или невозможно эффективно отфильтровать обычными аналоговыми методами без потери точности измерений.
На результирующую погрешность измерений также влияет выбор детектирования моментов останова таймера по фронту принимаемого сигнала, что требует применения автоматической стабилизации амплитуды (АРУ), обладающей инерционностью. Наличие в составе прецизионной аппаратуры импульсного высоковольного оборудования является нежелательным с точки зрения помехоустойчивости и надёжности [5].
В связи с перечисленными недостатками фазовый способ измерений скорости уьтразуковых сигналов по своим свойствам может обладать определёнными преимуществами. Он основан на следующих методических особенностях:
1. Используется согласованная по частоте рабочего резонанса пьезокерамическая пара «излучатель» и «приёмник».
2. В композиционный материал (пропитанное волокно) на передающей стороне акустической базы непрерывно излучается стабилизированная ультразвуковая акустическая волна гармонической формы:
и^) = Лт^т(2%/1).
3. Акустические колебания, проходяшие через волокно и совпадающие по частоте с резонансной частотой пьезоприёмника, возбуждают на его электродах гармонический сигнал напряжения в результате прямого пьезоэффекта, амплитудой, пропорциональной его добротности.
4. Мгновенные значения гармонического сигнала в пьезоприёмнике, по отношению к сигналу пьезоиз-лучателя, запаздывают по фазе пропорционально скорости прохождения звука через акустическую базу контролируемой среды:
и2 () = Лm2sm(2%f2t - Аф(ух)),
где Лт2 - амплитуда сигнала на пьезоприёмнике, зависящая от собственных физических свойств керамики, величины добротности в нагруженном состоянии; ^ ~ ^ - частота на пьезоприёмнике, совпадающая с
частотой возбуждения /1 (модуляция амплитуды в присутствующем малом рассогласовании не должна резко проявляться из-за эффекта «захвата» частоты в пьезокерамике); Лф(^) - фазовый сдвиг сигнала как функция скорости звука в среде (V* = А,/!).
Величина акустической базы (контрольного участка волокна), в зависимости от рабочей частоты сигнала, сдвигает по времени сигнал на приёмной стороне. Изменение фазового сдвига прямо зависит от текущего значения скорости звука в среде, т.е. изменения значения длины волны. Это позволяет, при соответствующей калибровке в заданном диапазоне, определять массовое содержание связующего в композиционном материале.
Положительными свойствами измерения временного параметра ЛГ («фазового сдвига») является (рис. 3):
- работа системы в непрерывном установившемся режиме с возмущением по изменению состава контролируемого материала;
- возможность глубокой фильтрации помех в измерительных сигналах узкополосными избирательными усилителями из-за высокой электрической добротности пьезокерамики ^ ~ 10);
- малая рабочая амплитуда сигнала возбуждения пьезоизлучателя (Ат1 ~ 10 В);
- возможность измерения временной задержки между сигналами Лt в моменты переходов через нули, например, нарастающих фронтов.
вносимая временная ошибка составляет порядка 10 нс, что соизмеримо с периодами дискретизации методически используемых таймеров.
Возможная структура построения устройства представлена на рис. 4.
Рис. 3. Пример формы сигналов в фазовом методе измерений скорости УЗ-колебаний в композиционном материале: и 1(1) - сигнал на пьезоизлучателе; ^(0 - сигнал на выходе пьезоприёмника; tl, t2 - моменты детектирования прохождения сигналов через нуль; Дt - контролируемый временной интервал как функция массового содержания связующего
В практических приложениях дрейфы амплитуды сигналов Ат1, Ат2 могут не оказывать существенного влияния на погрешность временных измерений, так как обычный гистерезис быстродействующих компараторов напряжения («детекторов нуля») не превышает 50 мВ. Поэтому, например, даже при двукратном увеличении амплитуды сигнала (Ат~10 В, 50 - 100 КГц)
Рис. 4. Пример устройства с фазовым способом измерений скорости УЗ-колебаний в композиционном материале
Аппаратная реализация на рис. 4 во многом подобна схеме рис. 1 [10], отличаясь наличием двухка-нальных активных полосовых фильтров и детекторов нуля волновых фронтов.
Литература
1. Шукшунов В.Е., Жуковский В.Г. [и др.]. АСУ намоточными станками. М.: Машиностроение, 1985.
2. Балакирев B.C., Заев А.В. [и др.]. Автоматизация производства изделий из композиционных материалов; под. ред. B.C. Балакирева. М.: Химия, 1990.
3. Агранат Б.А. Основы физики и техники ультразвука. М.,
1987.
4. Домаркас В.И., Кажис Р.-И.Ю. Контрольно-измерительные пьезоэлектрические преобразователи. Вильнюс: Минтис, 1974.
5. Маринин В.И., Диденко Б.А. Измерение процентного содержания связующего в углеродных армирующих нитях // Методы и алгоритмы прикладной математики в технике, медицине и экономике: материалы междунар. науч.-практич. конф., Новочеркасск, 8 фев. 2001 г.: В 5 ч. / Юж. - Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НАБЛА, 2001. Ч. 1. С. 30 - 35.
6. Хмелев В.Н., Башара В.А., Никитин А.А., Ярцев А.В. Ультразвуковой контроль содержания связующего в изделиях из композиционных полимерных материалов: сб. тезисов докл. междунар. науч.-прак. конф. «Композиты -в народное хозяйство России» (Композит'99). Барнаул: АлтГТУ им. И.И. Ползунов, 1999. С. 39 - 41.
7. Диденко Б.А. Устройство измерения содержания связующего для системы управления пропиткой углеродных армирующих нитей // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2001. № 3. С. 135.
8. Патент № 2208228 РФ, МПК G 01 N 29/18. Устройство и способ для непрерывного ультразвукового контроля процентного содержания связующего в движущейся ленте из жгутов углеродных волокон / В.И. Маринин, Ю.П. Сергеев, А.И. Давыдов, Б.А. Диденко: Опубл. в Б.И., 2003, Бюл. № 19.
9. Буравлев В.В., Диденко Б.А. Особенности реализации узлов устройства измерения процентного содержания связующего // Микропроцессорные, аналоговые и цифровые системы: проектирование и схемотехника, теория
и вопросы применения: материалы междунар. науч.-прак. конф., Новочеркасск, 15 марта 2001 г. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НАБЛА, 2001. Ч. 1. С. 7 - 10.
10. Маринин В.И., Диденко Б.А. Новые устройства контроля составов композиционных материалов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2003. Прил. № 1, С. 8 - 11.
References
1. Shukshunov V.E., Zhukovsky V.G. et al. ASU namotochnymi stankami [ACS for wound Machines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1985.
2. Balakirev B.C., Zaev A.V. i dr. Avtomatizatsiyaproizvodstva izdelii iz kompozitsionnykh materialov [Automation of production of products made of composite materials]. Moscow, Khimiya, 1990.
3. Agranat B.A. Osnovy fiziki i tekhniki ul'trazvuka [Basics of physics and technology of ultrasound]. Moscow, 1987.
4. Domarkas V.I., Kazhis R.-I.U. Kontrol'no-izmeritel'nyep'ezoelektricheskiepreobrazovateli [Control and measuring piezoelectric transducers]. Vilnius: Mintis, 1974.
5. Marinin V.I., Didenko B.A. [Measurement of the percentage of the binder in the carbon reinforcing strands]. Materialy mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Metody i algoritmy prikladnoi matematiki v tekhnike, meditsine i ekonomike» [Proceedings Intern. scientific. - Practical. Conf «Methods and algorithms of applied mathematics in engineering, medicine and economics»]. Novocherkassk, NABLA Publ., 2001, part 1, pp. 30-35. [In Russ.]
6. Khmelev V.N., Bashar V.A., Nikitin A.A., Yartsev A.V. [Ultrasonic testing binder content of the products of composite polymeric materials]. Sbornik tezisov dokladov mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Kompozity - v narodnoe khozyaistvo Rossii" (Kompozit'99) [Abstracts of the international scientific-practical conference "Composites - in the economy of Russia" (Kompozit'99)]. Barnaul, AltGTU im. I.I. Polzunova, 1999, pp. 39-41. [In Russ.]
7. Didenko B.A. Ustroistvo izmereniya soderzhaniya svyazuyushchego dlya sistemy upravleniya propitkoi uglerodnykh armiruyushchikh nitei [Apparatus for measuring the content of the binder system control impregnating reinforcing carbon yarn]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2001, no. 3, pp. 135. [In Russ.]
8. Marinin V.I., Sergeev Yu.P., Davydov A.I., Didenko B.A. Ustroistvo i sposob dlya nepreryvnogo ul'trazvukovogo kontrolya protsentnogo soderzhaniya svyazuyushchego v dvizhushcheisya lente iz zhgutov uglerodnykh volokon [The apparatus and method for the continuous ultrasonic testing of the percentage of the binder in a moving ribbon of tow carbon fiber]. Patent RF, no. 2208228, 2003.
9. Buravlev V.V., Didenko B.A. [Features of realization of units of measurement devices percentage of binder]. Materialy mezhdunar. nauch.-prak. konf. «Mikroprotsessornye, analogovye i tsifrovye sistemy: proektirovanie i skhemotekhnika, teoriya i voprosy primeneniya» [Proceedings Intern. scientific. - Practical. Conf. «Microprocessor, analog and digital systems: design and circuit design theory and application questions»]. Novocherkassk, NABLA Publ., 2001, part 1, pp. 7-10. [In Russ.]
10. Marinin V.I., Didenko B.A. Novye ustroistva kontrolya sostavov kompozitsionnykh materialov [New devices controlling the composition of composite materials]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2003, Pril. no. 1, pp. 8 - 11. [In Russ.]
Поступила в редакцию 2 февраля 2016 г.
