CC BY
29
Особенности выбора пьезокерамических датчиков для устройства структурного мониторинга водопроводных сетей
С.А. Тряпичкин, В.А. Зибров, В.А. Курнаков
Системы магистральных водопроводных сетей требуют регулярной и периодической дефектоскопии. Для этого в устройствах структурного мониторинга применяются методы для раннего обнаружения накопления веществ и коррозии трубы, основанные на распространении ультразвуковых волн [1]. Ультразвуковые методы позволяют измерять толщину стенки трубы, выявлять глубинные дефекты, нарушения сплошности, расслоения и проводить мониторинг появления трещин в трубе (методы прошедшего и отраженного излучения) [2].
Среднюю толщину слоя коррозии трубы определяют по затуханию и скорости звука продольной звуковой волны, распространяющейся в водопроводе. Для этого на трубе устанавливают обратимые пьезокерамические датчики (ПКД) по всей длине магистрали, связанные с удаленной информационной системой [2]. С помощью ПКД регистрируют шумовые сигналы продольной звуковой волны, распространяющейся в прямом и обратном направлениях. Математической обработкой сигналов определяют их временные задержки и амплитуды, по которым вычисляют затухание и скорость звука на участках трубы между смежными парами ПКД, а затем по затуханию и скорости звука рассчитывают усредненную по длине толщину слоя коррозии.
Однако оценка степени коррозии трубы только по величине затухания звука недостаточна, поскольку затухание обусловлено не только коррозией, но и другими факторами, в частности изменчивостью акустического контакта трубы с грунтом, характеристиками ПКД и т.п.
Цель статьи рассмотреть особенности выбора ПКД для устройства структурного мониторинга водопроводных сетей и провести расчёт основных характеристик датчика, применяя программу PiezoCad.
Пьезокерамические датчики в водной среде применяют с типовыми колебательными системами: цилиндрические силовые и комбинированные, стержневые, изгибные пластинчатые, трубчатые, дисковые, сферические и др., которые состоят из элементов преобразования энергии, электроизоляции, герметизации, экранизации и крепления [3,4]. Эффективность работы ПКД оценивается, коэффициентом взаимного преобразования акустической ЖАК и
электрической ЖЭ энергии в (дБ): К =
Ж
'' АК
Жэ
В диапазоне ультразвуковых частот 0,05... 50 МГц [6], который чаще всего используется при структурном мониторинге водопроводных труб, величина К для разного вида ПКЭ меняется от единиц до нескольких десятков дБ.
Наиболее часто применяется конструкция ПКД (рис. 1). Активным элементом ПКД является пьезокерамический диск, который находится между протектором (материал эколайт) и компаундом (материал пенополиуретан).
Корпус
Пьезокерамический элемент
Я (А
< 1
1 <
ч
Протектор
Ч
Компаунд
Рис.1. - Конструкция пьезокерамического датчика Два электрода на верхней и нижней поверхности диска соединены с генератором сигналов. Колебание диска связано с частотой подаваемого сигнала и размерами диска.
В таблице №1 приведены параметры пьезокерамических материалов со средней диэлектрической проницаемостью, применяемые в конструкциях ПКД для водной среды [6].
Таблица №1
Параметры пьезокерамических материалов со средней
диэлектрической проницаемостью
Мате риал Tk, C° et33/e0 kp |d311, пКл/ Н d33, пКл/ Н |g31|, мВм/ Н d33/Vet33/e0, пКл/Н tg5 102 E=50, В/см Qm
ПКР-88 315 2200 0,65 210 470 10,7 10,0 1,4 70
ПКР-89 320 1900 0,67 205 460 10,5 10,5 1,6 75
Аналоги
PZT-5A 365 1700 0,60 171 374 11,4 9,1 2,0 75
ЦТС НВ-1 240 2200 0,54 205 445 10,5 9,5 1,9 70
ЦТС-19 290 1600 0,60 150 340 10,6 8,5 2,5 60
Существует много подходов для оптимального выбора ПКД, толщины
и волнового сопротивления протектора и компаунда, при помощи систем автоматизированного проектирования ANSYS, ATILA, PZFLEX, ABAQUS, MODULEF, PHOEBE, PiezoCad [7,8].
В работе проведем выбор ПКД (материал PZT-5A) для системы структурного мониторинга водопроводных сетей применяя программу PiezoCad for Windows Version 7 [9,10]. В таблице №2 приведены основные результаты расчёта.
Таблица №2
Параметры преобразователя на основе материала PZT-5A
Параметр Величина
Центральная частота 55000Гц
Частотный диапазон 0... 100000Гц
Число точек 400
Временное окно 2048
Диаметр диска 20мм
Толщина диска 11,23636мм
Полярность +
Продольная скорость 3694,0 м/с
Сдвиговая скорость 2612,0 м/с
Плотность 7750,0 кг/м3
Постоянная ёмкость 211,6 пФ
Диэлектрическая константа 855,0 E33s
Тангенс угла электрических потерь 0,0200
Тангенс угла механических потерь 0,0130
На рис. 2-6 приведены графические расчётные характеристики излучаемого импульса ПКД на основе материала Р7Т-5Л.
Electrical Input Impedance
0,000 Frequency in kHz 100,000
Рис.2. - Электрическое входное сопротивление ПКД PZT-5A
P^.3. - Акустическое входное сопротивление ПKД PZT-5A
Pис.4. - Вид передаваемого импульса П^Д PZT-5A
Pис.5. - Вид принимаемого импульса П^Д PZT-5A
Receive Efficiency - Po(elecfric)/'Pi(acousfic) 1,000 -,-,-,-,-,-,-
0,000 Frequency in kHz 100,000
Рис.6. - Эффективная полоса частот ПКД PZT-5A Особенности выбора ПКД для специальных условий эксплуатации являются исключительно сложными. Имеется значительное число публикаций, в которых рассматриваются особенности выбора ПКД, которые основываются, как правило, нормальными условиями эксплуатации. В тех же случаях, когда требуется обеспечить работу ПКД в заданном диапазоне температуры, давления и т.п., рекомендации имеют качественный характер. Поэтому принимаемые решения часто базируются только на опыте и не являются оптимальными, особенно в тех случаях, когда необходимо обеспечить требуемые технические характеристики.
Таким образом, правильный выбор ПКД, с учетом требований к информативности и надежности в рабочих условиях, будет зависеть не только от материала пьезокерамики, но и от конструкции непосредственно излучателя. Применением программы PiezoCad при проектировании ПКД можно осуществить оптимальный выбор толщины ПКД, волнового сопротивления протектора и компаунда для применения в устройстве структурного мониторинга водопроводных сетей.
Литература:
1. Сапронов А.А., Зибров В.А., Занина И.А., Соколовская О.В. Исследование процесса передачи информации по акустическому каналу в
водопроводе [Текст] // Энергосбережение и водоподготовка, 2012. - №4. -С.52-54.
2. Shin, H.J. Defect Detection and Characterization in Power Plant Tubing Using Ultrasonic Guided Waves / H.J. Shin, R. Yi, J.L. Rose // 14th WCNDT, New Delhi, India, December 8-13, 1996.
3. Подводные электроакустические преобразователи. Расчет и проектирование [Текст]: справочник / под ред. Богородского В.В. - Л.: Судостроение, 1983. - 248с.
4. Римский-Корсаков, А.Д. Акустические подводные низкочастотные излучатели [Текст] / А. Д. Римский-Корсаков и др. - Л.: Судостроение, 1988. -132с.
5. Тарасов С.П., Зибров В.А. Организация акустического канала передачи данных в продуктопроводе [Текст] // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Экология 2011 - море и человек», 2011. -№9(122). - С.57-62.
6. IEEE Standard on Piezoelectricity (ANSI/IEEE Standard 176-1987,
1988).
7. Goldberg, R.L. Modeling of piezoelectric multilayer ceramics using finite element analysis / R.L. Goldberg, M.J. Jurgens, D.M. Mills, C.S. Henriquez, D. Vaughan, S.W. Smith // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Contr. 44, 1997. - pp.1204-1214.
8. Sanchez, A. Acoustic transducer design / A. Sanchez, N. Aid, R. Coates // in 3rd European Conference on Underwater Acoustics Proc. - Heraklion, Crete, Greece, 1996. - pp. 995-1000.
9. Сапронов, А. А., Зибров, В. А. Электродинамическое моделирование пьезоэлектрического датчика для мониторинга магистральных водопроводных сетей [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, - №4 (часть 2). - Режим доступа:,
http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1431(доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.
10. Сапронов, А.А., Зибров, В.А., Тряпичкин, С.А. Распределение акустической волны в подземном трубопроводе [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона», 2012, - №4 (часть 2). - Режим доступа:, http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4p2y2012/1458 (доступ свободный) -Загл. с экрана. - Яз. рус.
