Страница 3: ГОСТ 27955-88. Преобразователи ультразвуковые магнитострикционные. Методы измерения характеристик (76510)

Частотные характеристики электрической входной мощности преобразователя

ЛМ^Л и AfiMi — частотные характеристики мощности элек­трических потерь под нагрузкой и в отсутствии нагрузки

Черт. 4

Этот метод ограничен требованиями: напряжение преобразова­теля и смещение его поверхности должны иметь синусоидальную форму. При погрешности в измерениях электрической мощности, не превышающей 5%, погрешность определения акустической мощности не превысит 10 %, а электроакустического КПД не бу­дет более 15%.

Метод импеданс-диаграмм является дополнительным методом измерений электроакустического КПД преобразователей категорий Р и А. Данный метод следует применять только в строго линейных схемах, а для преобразователей категории Р только при отсутст­вии стоячих волн в ванне.

Если паразитные резонансы нарушают ход импедансной кривой вблизи основного резонанса, то метод не применяют.

В настоящем методе значения электрического комплексного импеданса вычерчивают на плоскости R—X для различных частот в диапазоне f_!esdzf, зависящем от добротности преобразователя. Погрешность измерений метода не более ±2 %. Допускается ис­пользовать электронные устройства для автоматического постро­ения импеданс-диаграммы на экране осциллографа, если они обес­печивают достаточную точность.

Импеданс-диаграмма образует вблизи резонансной частоты ок­ружность (см. черт. 5).

Импеданс-диаграммы нагруженного (диа­метр d) и ненагруженного (диаметр D) преобразователя

Электроакустический КПД т] _еа выражается как произведение ^ет И Т1та(см. П. 5.2). Значения Т]ет И Т)_таОПрЄДЄЛЯЮТ ПО фОрМу- лам:

_ ^d

^-d-YRi ^;

D—d
^ігпа £) >

где D — диаметр импедансной окружности, соответствующей «не- нагруженным режимам»; d — диаметр окружности, соответствую­щей режимам «под нагрузкой»; Ri — действительная составляю­щая импеданса заторможенного преобразователя, т. е. значение действительной части импеданса в точке, где окружность касает­ся внерезонансной части импедансной кривой.

Точность метода приблизительно равна ±10 %, при этом важ­ную роль играет усреднение разброса экспериментальных точек в случае отсутствия системы автоматического вычерчивания диаг­рамм.

Метод оптического микроскопа является основным методом для измерения амплитуды колебательного смещения преобразо­вателей категории А и для калибровки виброметров различного типа. Микроскоп фокусируют на какую-то точку специально осве­щенной боковой поверхности преобразователя (на выходном кон­це механического трансформатора или на конце прикрепленного инструмента в отсутствии нагрузки). Когда преобразователь начи­нает колебаться вдоль своей оси, эта точка превращается в линию,, перпендикулярную к излучающей поверхности. Длину линии, рав­ную двойному значению амплитуды смещения 2g, измеряют при по­мощи откалиброванного окулярного микрометра. Если одновремен­но возникнут поперечные колебания, то линия наклоняется к оси преобразователя или, в случае сдвига фаз, линия превращается в эллипс. В этом случае измеряют составляющую наклонной линии в осевом направлении или размеры наблюдаемой фигуры в осевом направлении. Микроскоп должен обладать увеличением от 100 до 800. Метод ограничивается минимальной амплитудой смещения, равной 2 мкм.

■ Методы, в которых для измерения амплитуды колебательного смещения преобразователя используют виброметры различных ти­пов, являются дополнительными методами, применяемыми для пре­образователей категорий А и Р в ненагруженном режиме (преоб­разователь категории Р без жидкости). Методы применяют также для измерения амплитуды смещений на тыльной стороне преобра- зователя в нагруженном состоянии. При этом способе следует при­менять бесконтактные высокочастотные виброметры (см. прило­жение 4). Шкала прибора должна быть отградуирована в микро­нах. Частотный диапазон должен быть между 8 и 100 кГц, а дина­мический диапазон — между 0,5 и 100 мкм.

Погрешность измерений не должна превышать ±10%. Вибро­метры, используемые с магнитострикционными преобразователя­ми, не должны подвергаться воздействию сильных переменных маг­нитных полей.

. 7.4.1. Метод максимальной мощности

Метод максимальной мощности является основным методом из­мерения резонансной частоты преобразователей категорий А и Р. Резонансную частоту /_res преобразователей под нагрузкой опре­деляют по частоте, соответствующей максимальной входной мощ­ности Р_е. При снятии частотной характеристики мощности преоб­разователь получает питание от того же генератора, как и при обычных рабочих условиях. Как исключение, можно определять значение /res по частотным характеристикам Р_е, полученным при пониженных значениях Ут и Р_е по сравнению с номинальными, поскольку нелинейность свойств преобразователя и нагрузки суще­ственно не влияет на резонансные частоты.

Значение входной мощности измеряют одним из известных ме­тодов (см. п. 7.1). Частоту, соответствующую максимуму Р_е, изме­ряют при помощи электронного частотомера.

Настоящий метод допускается использовать для преобразова­телей в ненагруженном состоянии.

Значение f_res необходимо определять с погрешностью не более ±5 % Для преобразователей категории Р, работающих на жидкост­ную нагрузку, и с погрешностью не более ±0,5 %, — для преобра­зователей категории А и ненагруженных преобразователей кате­гории Р.

Если значение Ут остается во время измерений зависимости Р_е от частоты постоянным, значение резонансной частоты, полу­ченное при помощи этого метода, приблизительно равно f _а‘> в слу­чае постоянной величины /т резонансная частота приблизительно равна f_r.

Метод максимальной амплитуды является . дополнительным методом определения резонансной частоты преобразователей кате­гории А.

Резонансную частоту f_res преобразователя определяют как частоту, соответствующую максимальному значению амплитуды смещений £. При снятии частотной характеристики амплитуды преобразователь получает электропитание от того же генератора, что и при обычных рабочих условиях. Если напряжение Ут под­держивается постоянным, максимальное значение амплитуды при­ходится на частоту, приблизительно равную f_a; при постоянном токе I т максимум имеет место на частоте, приблизительно рав­ной f_r • Измерения амплитуды проводят при помощи бесконтакт­ного виброметра (см. п. 7.3.2). Для измерений частоты используют электронный частотомер. Частоты определяют с погрешностью не более 0,5 % • Метод максимальной амплитуды колебаний может также применяться для измерений резонансной частоты преобра­зователей категории Р в ненагруженном состоянии (без жидкости).

Метод импедансных характеристик является дополнительным методом измерения резонансной частоты преобразователей катего­рий Р и А и применим только в линейном диапазоне. В этом мето­де определяют частоты f_a и f_r, а частота fres, соответствующая реальным рабочим условиям, находится между ними (см. п. 5.4). Как исключение из общего правила, измерения частот f_a и f_r осу­ществляются для преобразователей в ненагруженном состоянии и при уровне возбуждения, много меньше, чем номинальное значение.

Частотная характеристика модуля импеданса может быть полу­чена графически в виде двух зависимостей:

1. зависимость напряжения возбуждения преобразователя Vt от частоты при поддержании тока преобразователя /т постоян­ным; частота, при которой Ут имеет максимальное значение, при­близительно равна f г (см. черт. 6а);

2. зависимость тока преобразователя 1т от частоты при под­держании напряжения преобразователя Ут постоянным. Частота, соответствующая максимуму 7т , приблизительно равна fa (см, черт. 6 в).

а в

а — частотные характеристики напряжения на преобразователе при постоянном значении тока возбуждения; в — частотные характеристики то­ка преобразователя при постоянном значении на­пряжения возбуждения

Черт. 6

Режим постоянного тока можно получить на экспериментальной установке путем соединения последовательно с преобразователем активного сопротивления, значение которого приблизительно в 100 раз больше модуля импеданса преобразователя. Режим посто­янного напряжения можно осуществить путем подачи напряжения на преобразователь от источника питания с очень малым выходным импедансом.

Измерения Ут проводят с погрешностью, не превышающей. 1 %, а погрешность при измерении тока не должна быть больше 1,5 %. Частоту определяют при помощи электронного частотомера.

Для случаев, когда комплексный импеданс преобразователя в частотном диапазоне вблизи резонанса известен, т. е., когда име­ется в распоряжений импеданс-диаграмма (см. п. 7.2.4), значения частот fг и f а могут определяться как соответствующие определен­ным точкам на диаграмме, которые находят путем простого гео­метрического построения (см. черт. 4).

Метод частотной характеристики входной мощности является? основным методом измерения ширины полосы и механической до­бротности преобразователей категорий Р и А. При этом способе графически строят частотную характеристику преобразователя в виде зависимости его входной мощности Р е от частоты f и опреде­ляют ширину полосы А/ как частотный интервал, ограниченный частотами, находящимися по обе стороны от резонансной частоты (см. п. 7.4.1) и соответствующими значениям мощности Р_е, рав­ным половине ее максимального значения. Механическую доброт­ность рассчитывают как отношение f_rcs к Af (см. п. 5.5). Измере­ния Р_е осуществляют одним из вышеупомянутых методов (см. п. 7.1), а частоту определяют при помощи электронного частото­мера.

Метод амплитудно-частотной характеристики является допол­нительным методом измерения ширины полосы и механической до­бротности преобразователей категории А. Строят частотную харак­теристику преобразователя в виде зависимости амплитуды смеще­ний £ от частоты и определяют ширину полосы А/ как частотный интервал, ограниченный частотами, находящимися по обе стороны от резонансной частоты (см. п. 7.4.2) и соответствующими значе­ниям В, равным 0,7 ее максимального значения. Механическая добротность Q рассчитывается как отношение f_res к Af (см. п. 5.5). Измерения I осуществляют одним из вышеупомянутых методов (см. п. 7.3), а частоту определяют при помощи электронного часто­томера.

Метод вольтметра и ваттметра является основным методом из­мерения электрического импеданса преобразователей категорий Р‘ и А. Его применяют в случаях, когда напряжение преобразователя имеет синусоидальную форму. В этом методе модуль импеданса преобразователя |Z( определяют как отношение напряжения воз­буждения преобразователя V_r к току преобразователя /_т (см. п. 5.6). /_т' определяют как V_R/R_s, где V_R — напряжение на без- реактивном сопротивлении малой величины R_s> включенном после­довательно с преобразователем.

Угол сдвига фаз <р определяют по формуле

^cos?= V777’

где Р_е измеряется одним из способов согласно п. 7.1

.При проведении измерений возбуждающий генератор должен быть настроен на резонансную частоту преобразователя. Частоту измеряют электронным частотомером.

Погрешность измерений напряжения не должна быть более 2 %, а мощности — 5 %. Следовательно, погрешность при измере­нии модуля импеданса |Z| должна быть не более 5 %, a costp — не более 10 %.

Местовой метод является дополнительным методом измерений электрического импеданса преобразователей категорий Р и А, при­меняемый в строго линейном режиме работы. Действительную и мнимую составляющие R и X импеданса преобразователя измеря­ют мостом полного сопротивления или мостом полной проводимос­ти любого типа при условии, что его частотный диапазон включает резонансную частоту преобразователя. Погрешность при измере­ниях мостом не должна быть более ±2 %.

Метод вольтметра и фазометра является дополнительным ме­тодом измерения электрического импеданса преобразователей ка­тегории Р и А, применимым в строго линейном режиме. Процеду­ра измерений по этому методу приблизительно аналогична проце­дуре измерений по методу вольтметра-ваттметра (см. п. 7.6.1). Различие заключается в измерении угла сдвига фаз <р, который определяют при помощи электронного фазометра с частотным ди­апазоном, включающим резонансную частоту преобразователя. По­грешность измерений фазового угла не должна быть более ±2 %••