Методы радиоволнового контроля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Одной из важнейших проблем трубопроводного транспорта является сохранение нормального состояния линейной части промысловых и магистральных трубопроводов. Подземные трубопроводы, работающие при нормальных режимах, сохраняются, по крайней мере, несколько десятков лет. Так, например, в США некоторые трубопроводы, проработавшие около двадцати лет, полностью сохранились и не требуют ремонта. Этому способствовало то большое внимание, которое уделяется систематическому контролю состояния подземных и надземных трубопроводов и своевременная ликвидация появляющихся дефектов.

Как правило, большинство дефектов на трубопроводах появляются в результате коррозионных и механических повреждений, определение места и характера которых связаны с рядом трудностей и большими материальными затратами. Совершенно очевидно, что вскрытие трубопровода для его непосредственного визуального обследования экономически неоправданно. К тому же обследовать можно только внешнюю поверхность трубопровода. Поэтому в течение последних лет в нашей стране и за рубежом усилие специализированных научно-исследовательских и проектных организаций направлено на решение проблемы определения состояния подземных и надземных промысловых, магистральных нефтепродуктопроводов без их вскрытия. Эта проблема связана с большими техническими трудностями, однако при использовании современных методов и средств измерительной техники она успешно решается.

В работе мы рассмотрим один из методов, который обеспечивает выявление дефектов.

1. Особенности радиоволнового метода

Радиоволновой неразрушающий контроль основан на регистрации изменения параметров электромагнитных колебаний СВЧ, взаимодействующих с объектом исследования. Диапазон длин волн, преимущественно используемый в радиоволновом контроле, ограничен 1 - 100 мм. Более освоены и обеспечены измерительной аппаратурой 3-см и 8-мм поддиапазоны.

Радиоволновой контроль применяют для решения всех типовых задач неразрушающего контроля: толщинометрии, дефектоскопии, структуроскопии и интроскопии (контроля внутреннего строения). Используемая при этом аппаратура, как правило, построена на базе стандартных или модернизированных элементов СВЧ. Специальным элементом при решении конкретной задачи может быть источник или приемник излучения, а также приспособление для крепления и перемещения объекта.

Среди других особенностей радиоволнового контроля по сравнению с оптическим и радиационным следует отметить использование импедансного метода для расчета параметров сигналов и соизмеримость длины волны излучения с размерами радиоволнового тракта «источник излучения - объект контроля - приемник излучения».

Излучения СВЧ относятся к области радиоволн, которые с момента своего открытия использовались для передачи информации. Применение волн СВЧ для целей НК потребовало создания теории их взаимодействия с объектом контроля. Вполне естественно, что в разработанной теории были учтены результаты, полученные в радиосвязи для волновых систем с распределенными параметрами (длинных линий, волноводов и др.) импедансным методом, в котором радиоволновой тракт «источник излучения - объект контроля - приемник излучения» заменяется моделью в виде длинной линии. При этом канал распространения колебаний СВЧ (двухпроводные линии, волноводы, свободное пространство) характеризуют волновым сопротивлением. Для идеального диэлектрика оно вещественно при е_r=1 равно z₀=377 Ом.

Отношение г/(ще_a)=tgд называют тангенсом угла диэлектрических потерь и относят к важнейшим параметрам диэлектриков. Здесь г - удельная электрическая проводимость; щ - угловая частота. На одной частоте (tgд < 0,01) материал может считаться диэлектриком, на другой (tgд > 100) - проводником. При расчетах к идеальным диэлектрикам относят материалы, для которых tgд < 0,01. На частотах, меньших 9x10⁶ Гц, морскую воду относят к классу диэлектриков; на частотах, больших 9x10¹⁰ Гц, - к классу проводников. В промежуточной области 0,001 < tgд < 100 материал называют несовершенным диэлектриком, характеризующимся комплексной диэлектрической проницаемостью и комплексным волновым сопротивлением.

Для проводников мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости велика по сравнению с вещественной частью: е'>>е_a и волновое сопротивление определяется выражением z_c будет равно квадратному корню из отношения (щм_a) / г. С ростом частоты, z_c увеличивается и, волны не могут глубоко проникать в проводник. Явление экранирования наружными слоями материала глубинных слоев от проникновения поля называют скин-эффектом. Он характеризуется глубиной проникновения плоской волны, на которой напряженность полей Е и Н уменьшается в е раз.

Скорость распространения электромагнитной волны в несовершенном диэлектрике зависит от частоты так как е'=г /щ. Величина v характеризует скорость перемещения точек, сохраняющих одну и ту же фазу волны. Зависимость v=f(щ) называют дисперсией. Через скорость находится длина волны л=vT_v.

При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую по нормали к граничной поверхности формируется отраженная волна. При наложении обеих волн образуется стоячая волна, характеризуемая коэффициентом стоячей волны по напряжению k_стU = E_max / E_min или коэффициентом бегущей волны по напряжению k_дu = l / k_стU. Максимумы стоячей волны получаются там, где действующие значения напряженности падающей и отраженной волн складываются, а минимумы - там, где они вычитаются.

Параметры проводящих материалов на частоте 10¹⁰ Гц

Приведенные формулы указывают на возможность получить требуемый результат, основываясь на законах геометрической оптики или теории длинных линий. При применении второго подхода для расчета параметров сигналов СВЧ реальную систему «источник излучения - объект контроля - приемник» заменяют моделью в виде длинной линии с такими же волновыми сопротивлениями и размерами, как в реальной системе. Вариант построения такой модели показан ниже. Электромагнитные параметры слоев изделия (е_i, м_i, г_i) учитываются через комплексные волновые сопротивления Z_i отрезков длинной линии. Входное сопротивление приемника и выходное сопротивление источника излучения (генератора) учитываются волновыми сопротивлениями Z_п и Z_г.

Дефект в виде расслоения заменяется в модели плоскопараллельным слоем такой же толщины, как дефект. Амплитуда сигнала от дефекта уменьшается пропорционально площади, занимаемой дефектом относительно площади контролируемой зоны.

Соизмеримость длины волны излучения СВЧ с размерами элементов радиоволнового тракта обусловливает сложный характер электромагнитного поля в системе контроля. По этой причине методика оценки сигналов в системе имеет характерную особенность. Если расстояние между границами различных однородных сред, составляющих исследуемый объект, превышает длину волны в материале, компоненты электромагнитной волны оценивают на основе законов геометрической оптики.

В противном случае предпочтительнее применение импедансного метода. В обоих случаях получаемые оценки сигналов в системе приближенные и не исключено появление больших ошибок. Поэтому рекомендуется пользоваться расчетным методом для определения относительных значений величин - изменения амплитуд сигналов при малых изменениях параметров исследуемого предмета или условий контроля. Что касается абсолютных значений сигналов, их следует оценивать экспериментально.

Коротко остановимся на методах и средствах радиоволнового контроля. Если контролируемая величина непосредственно связана с напряженностью поля (мощностью) отраженного, прошедшего или рассеянного излучения, используется амплитудный метод контроля. Техническая реализация метода проста, однако невысокая помехоустойчивость ограничивает его применение. Более надежные результаты получают, используя фазовый и амплитудно-фазовый методы, основанные на выделении полезной информации, заключенной в изменениях амплитуды и фазы волны. Для выделения этой информации в аппаратуру контроля вводят опорное плечо «источник - приемник излучения» и схему сравнения сигналов от объекта контроля с опорным.

Если толщина объекта превышает длину волны используемого зондирующего излучения, рекомендуется для ее измерения использовать геометрический или временной метод. В первом случае контролируемый параметр связан с отклонением положений отраженного луча в плоскости регистрации относительно выбранной системы координат, во втором - с изменением задержки сигнала во времени.

Для контроля тонкопленочных и анизотропных материалов применяют поляризационный метод, основанный на анализе изменений плоскости или вида поляризации колебаний после взаимодействия излучения с ОК. Перед испытаниями приемную антенну разворачивают до тех пор, пока сигнал на ее выходе от образцового ОК не станет равным нулю. Сигналы от испытываемых ОК характеризуют степень отклонения их свойств от образцового.

Голографический метод дает хорошие результаты при контроле внутреннего строения ОК, однако из-за сложности его аппаратурной реализации метод имеет ограниченное применение.

Радиоволновой контроль по прошедшему излучению позволяет обнаружить дефекты изделия, если их параметры м_a и е_a значительно отличаются от аналогичных параметров основного материала, а размеры соизмеримы или превышают длину волны зондирующего излучения. В простейшем варианте такого контроля в приемном тракте поддерживают режим бегущей волны. Наиболее полную информацию дает применение многоэлементных антенн, поскольку в этом случае удается воспроизвести внутреннюю структуру объекта. Для повышения разрешающей способности дефектоскопии используют метод самосравнения. Он реализуется с помощью двух комплектов излучающих и приемных устройств, максимально приближенных друг к другу. Результирующий сигнал определяется разностью амплитуд и фаз сигналов приемников каждого канала. Наличие дефекта приводит к изменению условий распространения волны в одном канале и появлению разностного сигнала. Анализ динамики изменения сигнала при периодическом прохождении дефекта через зону контроля радиоволнового дефектоскопа позволяет снизить порог его чувствительности.

Резонансный метод радиоволнового контроля основан на введении ОК в резонатор, волновод или длинную линию и регистрации изменений параметров электромагнитной системы (резонансной частоты, добротности, числа возбуждаемых типов колебаний и т.д.). Этим методом контролируются размеры, электромагнитные свойства, деформации и другие параметры. Успешно используется резонансный метод для контроля уровня жидкостей в резервуарах и параметров движения различных объектов.

Радиоволновые средства неразрушающего контроля - это датчики с чувствительным элементом, в котором контролируемая величина преобразуется в информативный параметр; генераторы СВЧ - источники электромагнитных колебаний; вторичные преобразователи предназначены для формирования сигналов регистрации и управления.

радиоволновой контроль неразрушающий дефектоскопия

2. Источники и приемники радиоволнового излучения СВЧ

Колебания СВЧ могут быть получены с помощью генераторов магнетронного типа, ламп обратной волны, отражательных клистронов, квантово-механических генераторов и полупроводниковых приборов. Наибольшее применение находят клистроны, затем следуют магнетроны, лампы обратной волны и полупроводниковые генераторы.

Отражательные клистроны широко применяют в качестве задающих генераторов в радиолокационных станциях, в усилительных цепочках маломощных передатчиков, в радиорелейных линиях связи, маломощных генераторах СВЧ непрерывного или импульсного излучения в передающих устройствах малого радиуса действия (радиодальномеры, радиомаяки, ответчики), а также как маломощные генераторы в измерительной и малогабаритной аппаратуре благодаря ряду преимуществ перед другими маломощными генераторами СВЧ. Это, в частности, низкий уровень флюктуационных шумов, простота эксплуатации и высокая надежность при изменении в широких пределах условий эксплуатации. Выпускаемые отражательные клистроны малой мощности (до 100 мВт) перекрывают широкий диапазон длин волн, вплоть до субмиллиметровых. Некоторые типы клистронов требуют принудительного воздушного охлаждения, особенно предназначенные для работы в коротковолновой части миллиметрового диапазона, когда принципиально трудно повысить их кпд. К сожалению, тепловые уходы частоты преобладают над всеми другими и присущи любому типу генераторов СВЧ.

Магнетронные генераторы охватывают широкий диапазон частот и обеспечивают большой диапазон мощностей в импульсе: от единиц ватт до десятков мегаватт. Они находят широкое применение в радиоэлектронной аппаратуре в качестве задающих генераторов, источников мощности СВЧ и т.д. Однако в последнее время намечается отказ от их широкого использования вследствие большой нестабильности генерируемой частоты и тепловых уходов частоты. Кроме того, наличие постоянных магнитов увеличивает массу магнетронов, для питания требуются высокое напряжение и интенсивное охлаждение (путем обдува) резонатора.

Лампы обратной волны (ЛОВ) относятся к классу широкодиапазонных генераторов колебаний СВЧ с электронной перестройкой частоты. Выпускается большое число типов ЛОВ, перекрывающих диапазон волн от 60 см до десятых долей миллиметра. Для фокусировки электронного луча в ЛОВ в основном применяют постоянные магниты трубчатой формы. Такие ЛОВ выпускаются в виде пакетированной конструкции, в которой объединены корпус ЛОВ, постоянный магнит и юстирующее приспособление. Поэтому нормальная работа ЛОВ может быть нарушена при наличии внешних магнитных полей или расположенных поблизости от ЛОВ ферромагнитных материалов. Как правило, расстояние между ЛОВ и подобными материалами должно быть не менее 400 мм. Режим работы ЛОВ сильно зависит от внешних условий (температуры, влажности), а также согласования с нагрузкой.

Лампы обратной волны особенно критичны к изменению температуры среды. При воздействии на лампы обратной волны механических ударов и вибраций происходят периодические изменения расстояния между отдельными электродами электронной пушки либо их поперечные смещения относительно друг друга, что сопровождается амплитудной и частотной модуляцией генерируемых колебаний. Девиация частоты ЛОВ при вибрациях обычно несколько больше, чем у клистронов. К недостаткам ламп данного типа относится также то, что данные лампы, находившиеся на хранении и длительное время (более двух месяцев) не включающиеся, должны быть подвергнуты тренировке, которая занимает не менее 1,5 ч. Генераторы на основе ЛОВ, как и все генераторы СВЧ с широким диапазоном электронной перестройки частоты, не обладают высокой стабильностью частоты при работе в какой-либо точке диапазона.

Эффективный автогенератор сантиметровых и миллиметровых волн может быть создан на полупроводниковом эквиваленте отражательного клистрона - лавинно-пролетном диоде (ЛПД), который служит основой ряда устройств СВЧ (генераторов, усилителей, преобразователей частоты).

В основе работы ЛПД лежит эффект генерации когерентных колебаний при лавинном пробое полупроводниковых диодов СВЧ. Получаемая при этом мощность колебаний в непрерывном режиме составляет для различных диодов от десятков микроватт до нескольких милливатт при длине волны 0,8-10 см. Генератор состоит из лавинно-пролетного диода и полого резонатора, связанного с полезной нагрузкой. Характерная особенность ЛПД - повышенный уровень шума на высоких (>10⁴ ГГц) частотах. Даже в германиевых диффузионных ЛПД с однородным пробоем этот уровень на 25-30 дБ превышает дробовой шум вакуумного диода с таким же током. В кремниевых ЛПД, где пробой сопровождается микроплазменными явлениями, уровень шума может превышать на 60-70 дБ дробовой шум.

Малогабаритные генераторы сантиметрового диапазона (3-15 ГГц) обеспечивают в непрерывном режиме при токе питания 10-20 мА и напряжении 20-70 В выходную мощность от 5 до 50 мВт при кпд 3-7%. Значительный уровень высших гармоник в спектре лавинного тока позволяет использовать ЛПД сантиметрового диапазона волн для создания генераторов миллиметрового диапазона. Резонатор такого генератора целесообразно делать двух- или трехконтурным, с тем чтобы один из контуров, не связанный с полезной нагрузкой, был настроен на основную частоту в коротковолновой части сантиметрового диапазона (10-15 ГГц), а остальные - на высшие гармоники. Генераторы этого типа имеют в верхней части миллиметрового диапазона выходную мощность (в непрерывном режиме) порядка единиц милливатт. Однако спектральная плотность флюктуации амплитуды и частоты ЛПД на 15-20 дБ выше, чем у отражательных клистронов. Итак, СВЧ-устройства на ЛПД обладают такими преимуществами, как малые габариты, масса, экономичность питания и т.д. Основной их недостаток - высокий уровень шумов.

Созданы и получили также практическое применение полупроводниковые генераторы СВЧ на диодах Ганна. Они работают при низких напряжениях питания (4-8,5 В), потребляя при этом ток от 0,4 до 1,5 А.

Сравнительная характеристика некоторых типов генераторов СВЧ

Литература

1. Неразрушающий контроль. Том 6. Справочник. Под общ. ред. В.В. Клюева, Москва, 2006 г.

2. Мильман И.И. «Радиоволновой, тепловой и оптический контроль», часть 1, уч. пособие, Екатеринбург, 2001 г.

3. Ермолов И.Н., Останин Ю.А. «Методы и средства неразрушающего контроля», 1988 г., Высш. школа.

Размещено на Allbest.ru