УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК

М.Гуманюк, А.Ильюша, П.Бурда, Радио №5/1964, ст.48

Автоматизация производственных процессов . является одной из важнейших задач, решаемых сей­час во всех отраслях народного хо­зяйства, в том числе и в угольной промышленности. Выемка угля из массива, в котором он залегает, транспортировка его на поверхность, первичная обработка — вот те про­цессы, которые должны быть авто­матизированы в первую очередь. Для успешного осуществления авто­матизированной добычи угля необ­ходимо, чтобы машина, которая осу­ществляет этот процесс, могла на­дежно отличать уголь от других гор­ных пород, между которыми заклю­чен угольный пласт. Это может быть осуществлено лишь при наличии на машине специальных «органов чувств» — приборов, позволяющих отличать уголь от породы. Созданию таких приборов уделяется большое внимание на протяжении уже це­лого ряда лет. В их основу ложились различные физические и химические свойства углей и пород, такие, как твердость, электропроводность, раз­личие в диэлектрических потерях и т. п., однако надежного решения этой задачи до настоящего времени еще не найдено.

В стремлении найти решение этой проблемы были исследованы отра­жающие свойства границы уголь— порода для ультразвуковых коле­баний. В подавляющем большинстве случаев ультразвуковые колебания в значительной степени ослабляют­ся при распространении в каменных углях и в несравнимо меньшей сте­пени — при распространении в гли­нистых сланцах, песчаниках, извест­няках, то есть породах, которые обычно сопутствуют каменному уг­лю. Различие в затухании ультра­звуковых калебаний, распространяю­щихся в углях и сопутствующих породах, и было положено в основу вновь созданного прибора. Как известно, при распространении в какой-либо среде плоской вол­ны амплитуда ее убывает по закону:

А_х = А_ое^~aх

где A_о и A_x — амплитуды у источ­ника колебаний и на расстоянии X от него,

а — коэффициент затухания коле­баний в данной среде.

Очевидно, что чем больше коэффи­циент затухания, тем сильнее ослаб­лен сигнал, прошедший то же рас­стояние X.

При распространении в двух раз­личных средах амплитуда сигнала на расстоянии X будет иметь раз­личные значения.

Очевидно, что соотношение сиг­налов будет тем больше, чем больше различаются коэффициенты затуха­ния колебаний в двух сопоставляе­мых средах и чем больше расстоя­ние от точки излучения колебаний до точки приема (база измерений). На основании этих рассуждений и экспериментов был создан прибор, позволяющий надежно отличать уголь от пустой породы. Излучате­лем ультразвуковых колебаний слу­жит магнитострикционный преобра­зователь размерами 20x20x38 мм с окном 10×26 мм, представляю­щий собой пакет пластин никеля марки Н—I толщиной 0,1 мм. На стержне излучателя помещена об­мотка, имеющая 140 витков провода ПЭВ-2 0,51. Резонансная частота излучателя 50 кгц. К одному из тор­цов преобразователя припаян своим большим основанием стальной экс­поненциальный конус. В нижней части конуса концентратора распо­ложен фланец для крепления всей колебательной системы (рис. 3).

Ток возбуждения ультразвуковых колебаний, проходящий через обмот­ку излучателя, равен 0,2 а при ча­стоте 50 кгц и напряжении 60 в. Принципиальная схема генератора приведена на рис. 1.

Генератор собран на четырех тран­зисторах типа П4. В него входят за­дающий генератор на транзисторе T1 и два каскада усиления (предва­рительный каскад, собранный на транзисторе Т2, и усилитель мощно­сти на транзисторах Тз и T4). Задаю­щий каскад генератора собран по схеме обычного автогенератора с трансформаторной обратной свя­зью. В коллекторную цепь транзи­стора T1 включен колебательный кон­тур L1 C1, настроенный на частоту 50 кгц. Обратная связь осущест­вляется через обмотку Lз, индуктив­но связанную с контуром L1C₁ Для самовозбуждения генератора необходимо, чтобы напряжение об­ратной связи, подаваемое на вход транзистора, было повернуто по фазе на 180° относительно напряже­ния на контуре L1C1, что достигает­ся путем соответствующего подбора концов обмотки связи. Выбор режима транзисторов осуществляется по­дачей автоматического смещения на их базы с помощью делителей нап­ряжения, а их температурная ста­билизация — посредством сопротив­лений, включенных в эмиттерную цепь каждого транзистора.

Коллекторной нагрузкой каскада предварительного усиления служит переходной трансформатор Tp1. Вы­ходной каскад собран по двухтакт­ной схеме и работает на выходной трансформатор Тр2, первичная об­мотка которого зашунтирована кон­денсаторами С5 и С6, предназначен­ными для фильтрации высших гар­монических составляющих генера­тора.

Одновременно с током ультразву­ковой частоты к излучателю подво­дится постоянный подмагничиваю­щий ток около 1 а. Для предотвра­щения попадания постоянного тока подмагничивания преобразователя во вторую обмотку выходного трансфор­матора последовательно с преобра­зователем включен конденсатор С7. Этот конденсатор со вторичной об­моткой выходного трансформатора составляет последовательный коле­бательный контур, поэтому емкость его подбирается при настройке ге­нератора. Обмоточные данные трансформато­ров и дросселей генератора приве­дены в таблице 1.

Конструктивно генератор выпол­нен на гетинаксовой панели толщи­ной 5 мм, размерами 145x 145 мм. Все транзисторы помещены в мед­ные никелированные радиаторы. Радиаторы транзисторов выходного каскада имеют теплоотводящую по­верхность 320 см². Все мелкие де­тали (сопротивления и конденсаторы) монтируются на двух планках, укрепленных на радиаторе транзи­стора каскада предварительного уси­ления. Напряжение источника питания составляет 10—14 в. Если необходимо увеличить излучаемую мощность, напряжение, подводимое к генера­тору, следует повысить до 20—24 в. Конструкция приемного акусти­ческого преобразователя совер­шенно аналогична излучателю и от­личается только числом витков, кото­рых в приемной катушке 1400 и вы­полнены они проводом ПЭВ-2 0,12.

Как излучатель, так и приемник помещены в алюминиевые кор­пуса, обеспечивающие защиту обмо­ток преобразователей от механиче­ских повреждений и выполняющие роль экранов от электромагнитных наводок. Излучатель и приемник за­креплены на общей пластине таким образом, что они могут перемещаться за счет сжатия пружин вдоль соб­ственной оси (см. рис. 4). Прижимая пластину с преобразователями к по­верхности исследуемого материала и обеспечивая плотное соприкосновение концентраторов с поверхностью, создают хороший акустический коп­такт, даже если поверхность имеет значительные неровности. При диа­метрах концентраторов равных 4—5 мм усилие в 8—10 кг оказывается до­статочным для обеспечения надеж­ного и устойчивого акустического контакта. Акустические колебания ультра­звуковой частоты, возбужденные в излучателе, через концентратор пе­редаются в исследуемую породу. По­скольку излучающая поверхность концентратора оказывается весьма малой по сравнению с длиной волны, ультразвуковые колебания расхо­дятся в нем в виде сферических про­дольных и круговых поверхностных волн (рис. 4). Наибольшую интен­сивность имеет поверхностная волна. Достигая приемника, она возбуж­дает в нем колебания, вследствие ко­торых в обмотке приемника наводит­ся эдс.

Интенсивность колебаний, до­стигших приемника, при неизмен­ном расстоянии между ним и излу­чателем определяется упругими ха­рактеристиками и физическим состоя­нием среды, в которой распростра­няются упругие волны. По величине сигнала на прием- с известной степенью точности судить об упругих свойствах данной среды, ее однородности, на­личии трещин и т.п. Портативный ультразвуковой прибор такой кон­струкции был ис­пытан на двенад­цати шахтах Дон­басса. Испытания показали высокую надежность данно­го способа контроля. Сигналы об угле и породе отли­чаются по уровню в несколько раз, а в случае надобности это соотно­шение может быть увеличено до де­сятков и сотен раз за счет увеличения базы измерений. В связи с тем, что контроль за ав­томатически работающей машиной осуществляется па расстоянии от нее до 150—200 л/*, необходимо было обес­печить надежную передачу сигнала приемника на эти расстояния по обычным шахтным кабелям. С этой целью высокочастотный сигнал при­емника выпрямляется с помощью германиевого диода, установленного на нем же, сглаживается фильтром, состоящим из одного конденсатора, и передается по кабелю уже в виде по­стоянного тока. Сигнал, передавае­мый по кабелю, имеет малый уровень, и для нормальной работы стрелоч­ного прибора необходим усилитель постоянного тока, собранный на од­ном транзисторе (см. рнс. 2). После усилителя сигнал поступает на стре­лочный прибор М-24. С помощью переменного сопротивления прибор настраивается таким образом, чтобы пустой породе соответствовало поло­жение стрелки в конце шкалы, при наличии угля — в начале шкалы, а при отсутствии сигнала — на нуле.

Ультразвуковой прибор для рас­познавания угля и породы может быть использован и в других отра­слях промышленности. Этот прибор позволяет с высокой точностью конт­ролировать процесс затвердевания бетона. Была определена также стро­гая закономерность между сигналом на приемнике и процентным соотно­шением песка и цемента в затвердев­шем растворе. Учитывая, что содер­жание влаги в большой степени вли­яет на механические характеристики ряда земных пород, руд и т. и., дан­ный способ в ряде случаев может быть применен для оценки влагосодержания. Наличие мелких нарушений, трещин в материале также вызывает снижение уровня сигнала.

Таким образом, данный метод конт­роля и устройства для его осущест­вления могут найти широкое приме­нение в ряде отраслей промышлен­ности, во многих областях научных исследований, значительно расши­ряя возможности точной оценки фи­зических параметров различных твер­дых тел.