Страница 2: ГОСТ 27955-88. Преобразователи ультразвуковые магнитострикционные. Методы измерения характеристик (76510)

Измерения КПД (см. п. 7,2) в каждом случае следует прово­дить с соответствующим импедансом нагрузки. Поскольку преоб­разователь категории А обычно работает с переменной нагрузкой, нагрузка, при ’которой измеряют КПД, должна быть описана под­робно.

Во время измерений рабочие параметры (переменное напряже­ние возбуждения или входная мощность) должны быть в соответ­ствии с номинальными значениями, которые имеют место в реаль­ных рабочих режимах. Экстрополяция значений параметров, полу­ченных в результате измерений при низком уровне мощности, на рабочие режимы при большой мощности не рекомендуется. Значе­ния уровня мощности, напряжения возбуждения и другие парамет­ры, (которые могут повлиять на результаты измерений, должны быть приведены совместно с результатами измерений (см. приложе­ние 1, п. Г). Во время измерений необходимо следить за тем, что­бы пределы мощности и амплитуды, установленные изготовителем, не превышались.

Жидкостью для измерений преобразователей категории Р дол­жна быть вода (см. приложение 1, п. 2). Если оптимальный уро­вень жидкости над излучающей поверхностью преобразователя задает изготовитель, то измерения должны проводиться при этом уровне.

До погружения вся поверхность преобразователя и детали, ко­торые будут погружены в воду во время измерений, должны быть тщательно очищены от загрязнений и смазки. Предпочтительно проводить ультразвуковую очистку.

Если не заданы специальные требования к размещению преоб­разователя, то во время измерений его помещают таким образом, чтобы пузырьки газа не могли скапливаться на его поверхности (см. приложение 1, п. 3).

Воду следует дегазировать путем нагревания до 70¹²³ и затем подвергать воздействию ультразвука в течение 2 ч без дополни­тельного нагрева при интенсивности ультразвука, достаточной для возникновения кавитации (см. приложение 1, п. 3). Затем воду охлаждают до температуры рабочего режима.

Частота и динамический диапазон мощности генератора воз­буждения (и усилителя мощности, если его используют), так же как и для всех измерительных приборов, должны быть адекватны параметрам измеряемого преобразователя. Настройка генератора должна быть тонкой, поскольку в диапазоне 20 кГц изменения в 10 Гц могут быть существенны для преобразователей с высокой механической добротностью.

Выходное напряжение генератора (или усилителя при его ис­пользовании) должно быть регулируемым, чтобы измерения можно было проводить при любом заданном значении напряжения возбуж­дения или уровня мощности.

При проведении измерений магнитострикционных преобразова­телей с подмагничиванием постоянным током для предотвращения поступления постоянного тока в усилитель и для развязки источ­ника постоянного тока подмагничивания с цепью переменного тока необходимы конденсаторы и катушки индуктивности.буждения, но и при искаженной форме напряжения или тока; он должен быть малоинерционным с постоянной времени менее 1 с. Погрешность измерений не должна превышать 5 % при любой на­грузке, включая нагрузки с низким коэффициентом мощности (ма­лые значения cos <р).

Импедансный метод является дополнительным и его использу­ют, если ваттметр с требуемыми характеристиками отсутствует, ра­бочие режимы достаточно линейны, т. е. искажения синусоидальной формы возбуждающего напряжения и тока пренебрежимо малы. Значения Р_е рассчитывают по одной из формул:

V²

Р_е= У_т J_Tcos (f>= cos <р,

Р_е=/|Р=

V²

^VT

И.

Составляющие электрического импеданса Z преобразовате­ля, 7? и X, определенные в п. 5.6, измеряют одним из методов п. 7.6.

Ут — отсчет по шкале электронного вольтметра, измеряющего напряжение переменного тока на зажимах преобразователя, 7 т — отсчет по шкале высокочастотного амперметра, измеряющего пере­менный ток, протекающий через обмотку преобразователя. Вели­чину /т можно определять, как отношение Vr/P_s> где Уи — на­пряжение на небольшом безреактивном сопротивлении P_s , вклю­ченном последовательно с преобразователем. Приборы должны удовлетворять следующим требованиям: погрешность при измере­ниях Ут , I т и Уи не должна превышать ±1 %, а значение R_s должно быть известно с погрешностью менее 1 % •

Метод трех вольтметров является дополнительным, используе­мым при тех же условиях, что и импедансный метод (см. п. 7.1.2). Значение Р_е рассчитывают по формуле

у2 Т/2 ,_V²

_D _ ^VG 'R ^VT

* 2R_S

где Ут и y _R — напряжения, соответственно, на преобразователе и сопротивлении R_s, включенном последовательно с преобразовате­лем; Vg — их суммарное напряжение. Основная схема метода представлена на черт. 1.

В метрологической практике рекомендуется использовать пере­ключающее устройство с целью проведения всех измерений напря­жений при помощи одного и того же прибора с погрешностью, не превышающей ±2 %. '

Основная схема метода трех вольтметров

Z — электрический импеданс преобра­зователя; — последовательное ак­тивное сопротивление: 6 — генератор возбуждение

Черт. 1

Для большей точности значение активного сопротивления /?_s должно быть приблизительно равно значению импеданса преобра­зователя Z и известно с погрешностью, не превышающей 1 %.

Примечания:

Ї. Импеданс нагрузки возбуждающего генератора (усилителя) в этом слу­чае равен R_&--Z. Выходной импеданс генератора должен быть согласован с этим импедансом нагрузки.

й. Мощность, рассеиваемая в активном сопротивлении Rs, может иметь тот же порядок значения, что и мощность, потребляемая преобразователем. При этом генератор должен иметь запас мощности, а активное сопротивление долж­но бытьрасчитано на рассеяние дополнительной мощности.

3. При измерениях необходима перестановка Z и R _s путем переключающе­го устройства из-за условий заземления прибора для измерения напряжения. Если преобразователь также требует заземления, то настоящий метод не при­меняют.

Настоящий метод является основным для измерения электро­акустического КПД преобразователей категории Р с жидкостной нагрузкой. Электроакустический КПД т]_еа рассчитывают непос­редственно как отношение акустической мощности Р&, излучаемой в жидкость, к электрической мощности Р_е (см. п. 5.2).

Излучаемую акустическую мощность измеряют калориметриче­ским методом, а электрическую входную мощность — методом ваттметра (см. п. 7.1.1). При условиях линейности значения Р_емо­гут быть определены импедансным методом или методом трех вольтметров (см. пп. 7.1.2 и 7.1.3).

При калориметрическом методе измерений акустической мощно­сти в качестве нагрузки используют воду, соответствующую требо­ваниям пп. 6.3 и 6.4.2. Процедура измерений заключается в следу­ющем: включают преобразователь и измеряют разность темпера­тур Tz-~Т, возникающую в ванне е жидкостью за время его рабо­ты А/ (см. черт. 2). Р_й рассчитывают по формуле

п ст(1 Ті)
st

где с — удельная теплоемкость воды, Дж/кг>К; т — масса воды, кг.

Установка для измерения калориметрическим методом

Т _г— преобразователь; G — генератор возбуждения; L — ванна для воды (калориметр); Т — термопары; РТ — потенциометр

Черт. 2

Для измерения температуры применяют ряд последовательно соединенных термопар (около 10), обычно медно-константановых, и потенциометр. Если измеренная разница температур более 2 °С, то вместо термопар допускается использовать термометр с деле­ниями шкалы, равными или меньшими 0,1 °С.

Для гарантии приемлемой точности метода (см. приложение 2) необходимо выполнять следующие условия:

интервал времени At не должен превышать 20—30 с (оптималь­ное значение равно Юс);

температура Ті в момент включения преобразователя не долж­на отличаться от температуры окружающей среды более чем на 3—5 °С;

метод не применим при очень малых значениях Ра > когда подъ­ем температуры в ванне с водой в течение 20—30 с работы преоб­разователя меньше 1 °С.

К мерам предосторожности относится устранение возможного влияния теплообмена между жидкостью в ванне и ее стенками или окружающей средой на результаты измерений (см. приложение 2).

Погрешность измерений температуры должна быть не более 0,2 °С, а погрешность при измерениях времени — 0,5 с. При такой точности измерений и выполнении указанных условий погрешность калориметрического метода оценки акустической мощности должна быть не более ±10%, а погрешность по электроакустическому КПД не более 15 %.

Метод потока мощности является основным методом изме­рения электроакустического КПД преобразователей категории А.

Электроакустический КПД определяют методом, аналогичным комбинированному методу калориметра-ваттметра (см. п. 7.2.1) при единственном отличии в измерении акустической выходной МОЩНОСТИ Ра.

Значение Р_а определяют путем введения механической линии передачи, например цилиндрического металлического стержня длиной, кратной половине длины волны, между преобразователем и нагрузкой. Схема измерения приведена на черт. 3. При измерении используют калиброванные виброметры, выходные напряжения ко­торых пропорциональны осевому колебательному смещению в ли­нии передачи. Виброметры могут размещаться без учета положе­ний узлов и пучностей. Необходимо, чтобы фильтры Fj и F₂ имели идентичные граничные частоты.

Схема измерений методом потока мощности

G — генератор возбуждения!; Т? — преобразователь: L_i — линия передачи; L_o— нагрузка; Pi, Рг — вибро­метры; Ft — фильтр низкой частоты первого порядка; Ft — фильтр высокой частоты первого порядка; М электронный умножитель; F_s —■ фильтр низкой частоты; d — расстояние между виброметрами; Vi, Vt — выход­ные напряжения виброметров; I⁷; — выходное напря­жение фильтра низкой частоты Г,; V₂ — выходное на­пряжение фильтра высокой частоты Ft; V_m — выход­ное напряжение фильтра низкой частоты FJ; V_m — вы­ходное напряжение электронного умножителя

Черт. 3

Для измерений в нелинейной области полное подавление потока мощности второй гармоники достигается путем выбора fres /2 в качестве граничной .частоты для фильтров и %/6 в качестве расстоя­ния d между виброметрами, где % — длина волны в линии переда­чи. Затем значение Р_а рассчитывают по формуле

5 z, s, v₀_
р ₌

^а /V V1V2 ^т’

где Z_L— волновое сопротивление линии передачи, кг/м²с; Sl — площадь ее поперечного сечения, м²; уі и уг — чувствительности виброметров, определенные, как их выходное напряжение, отнесен­ное к колебательной скорости, Вс/м, Vo — эталонное напряжение электронного умножителя в вольтах, определенное, как произведе­ние его входных напряжений, поделенное на выходное напряже­ние V_m ;

Выходное напряжение V_m фильтра низких частот F₃ использу­ют для расчета результирующей акустической мощности Р _а. Для получения особенно быстрой реакции ,V_m на флуктуации потока мощности рекомендуется применять F₃ в виде низкочастотного фильтра Бесселева типа четвертого порядка с граничной часто­той, равной fres /2.

Ваттметровый метод является дополнительным методом изме­рения электроакустического КПД преобразователей категорий А и Р. Электроакустический КПД определяют методом, аналогичным описанному в п. 7.2.1, но с отличием в измерении акустической мощности Р_а. В этом случае величину Р_а рассчитывают по форму­ле ■ »

P_a=(P_ere-P'_etJ-(P_el-P'J,

где Р е res и Р' _ге8 — значения электрической входной мощности соответственно в условиях нагрузки и холостого хода, измеренных на резонансной частоте при одной и той же колебательной скоро­сти, равной номинальному значению; Р_е и P'_ei— значения мощ­ности электрических потерь «при нагрузке» и «без нагрузки». Из­мерения величин Peres и Р'_{е ге8} осуществляют одним из обычных способов (см. п. 7.1). Измерение амплитуды колебаний проводят при помощи бесконтактного виброметра любого типа (см. п. 7.3.£), установленного на тыльном торце преобразователя.

Если V то и Уу_О — напряжения возбуждения на зажимах пре­образователя при резонансе, соответствующие входным мощностям Ре res и Р' _ге8 (точки А и А] на черт. 4), то значения P_ei и Р'_аХ получают путем построения зависимости Р_е от f при возбуждении преобразователя, соответственно, напряжением Lss Уто или

J^-⁸ Уто .

Проводят интерполяционные линии для Ре из внерезонансных областей, т. е. асимптоты кривых; ординаты этих линий, соответст­вующие резонансным частотам, определяют значения Р _ei и Р'_е1 (точки С и Ci на черт. 4).