Введення.
Проблема швидкого зношування робочих валків викликала необхідність
збільшення міцності їх поверхневого шару у зв'язку з тим, що вони
відчувають термічний удар і великі знакозмінні навантаження в процесі
прокату. На робочу поверхню валків впливають безліч чинників - тиск
металу на валки, швидкість прокатки, коефіцієнт тертя ковзання,
температурний режим валків, умови змащення смуги і охолодження валків,
умови натягу смуги при прокатці і т.п. Вони є вирішальними факторами,
які визначають якість продукції, продуктивність і економічну
ефективність роботи станів [1].
Основні
положення. Вимірювання
товщини покриття робочого валка
передбачається здійснювати приладом з ультразвуковим первинним
перетворювачем, в якому в якості датчика використовується
роздільно-суміщений п’єзоперетворювач. Вимірювання товщини
покриття таким перетворювачем в режимі випромінювання зводиться до
знаходження розподілу механічних напруг (деформацій) на його поверхні,
зверненої до виробу, або на поверхні виробу, що примикає до
перетворювача, при відомій електричній напрузі (силі струму), яка
додана до перетворювача [2]. У режимі прийому вирішується зворотна
задача.
Для розпізнавання акустичних образів необхідна попередня обробка
акустичних сигналів, які надходять після випромінювання та реєстрації
роздільно-суміщеним п’єзоперетворювачем ультразвукових
імпульсів.
Схема перетворення акустичного сигналу представлена на рис. 1.
Рисунок 1 - Схема перетворення акустичного сигналу
Згідно зі схемою, в якості вхідної напруги використовується напруга,
отримана на виході п’єзоперетворювача при реєстрації
ультразвукових імпульсів. Ця напруга посилюється і фільтрується, після
чого піддається квантуванню.
Як правило, вихідна напруга п’єзоперетворювача не перевищує
декількох мВ. Для посилення сигналу використовується підсилювач змінної
напруги. Посилення напруги здійснюється у відповідності з формулою:
де
M(jω)
- передаточна функція
підсилювача змінної напруги; U(jω)
- вихідна
напруга п’єзоперетворювача; ω
- циклічна частота.
Якщо підсилювач близький до ідеального, то його передаточну функцію
можна представити у вигляді:
де
µ
- коефіцієнт
підсилення напруги; ω1,ω2
- межі частотного діапазону.
Поступаючий сигнал у процесі посилення несе з собою складову шуму. Для
зниження ефекту дії цього шуму здійснюється фільтрація сигналу, який
надходить після підсилення:
де
K(jω)
-
передаточна функція аналогового смугового фільтра.
Якщо фільтр близький до ідеального СФ, то його передаточну функцію
можна представити у вигляді:
Згідно сучасним тенденціям, технічна обробка сигналів можлива тільки для квантованих за часом і рівнем сигналів. Це обумовлює необхідність квантування аналогового сигналу y(t). Згідно зі схемою (див. рис.2), аналоговий сигнал спочатку квантується за часом за допомогою імпульсного модулятора, після чого поступає в аналогово-цифровий перетворювач, в якому квантується за рівнем.
Рисунок 2 - Схема квантування акустичного сигналу
Сигнал y(t)
піддається
дискретизації за часом за допомогою імпульсного модулятора та
імпульсного генератора. На вхід імпульсного модулятора подається сигнал
y(t)
і послідовність імпульсів
δM(t)
від імпульсного генератора, який працює з частотою ωd.
У момент подання кожного імпульсу
відбувається вимірювання значення сигналу y(t),
і на виході пристрою виникає
імпульс з амплітудою, пропорційний цьому значенню:
де ∆t=1/ωd
- крок квантування; N
-
довжина сигналу.
Тактова функція генератора імпульсів:
Квантований за часом сигнал yМ(t) піддається квантуванню за рівнем за допомогою АЦП і імпульсного генератора. На вхід АЦП подається сигнал yМ(t) і кількість розрядів r, які використовуються при квантуванні за рівнем. На виході АЦП виникає сигнал s(t) (1). Якщо точне значення yМ(t) представити у вигляді (2), то його квантоване значення s(t) (3) відповідає двійковому числу з фіксованою кількістю розрядів r (зазвичай r = 8 або r = 16).
де
q(t)
- шум квантування (похибка при
квантуванні в АЦП), γn
= 0 або 1.
Для підвищення точності квантування в АЦП сигнал s(t)
надходить на вхід цифрового
фільтру і перетвориться до виду:
де
gМ(t)
- імпульсна
характеристика фільтра; N
-
довжина сигналу.
Висновки.
У даній статті запропонована можливість та спосіб застосування приладу
з ультразвуковим первинним перетворювачем для визначення товщини
покриття робочого валка. Наведено математичний опис перетворення
сигналу, отриманого на виході п’єзоперетворювача.
Перелік посилань
1.
Полухин В.П. Валки прокатных
станов / Под ред. Полухина В.П. – М.: Машиностроение, 1989.
– 451 с.
2. Ермолов И.Н. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушаю-щего
контроля / Ермолов И.Н. – М.: Машиностроение, 1986.
–
274 с.