книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdfРис. 4.10. СхемадвухканальногоУЗ-расходомерасугловымаку стическим измерительным преоб-разователем и общим прием ным пьезо-Я/7
Напряжение приемника Vcусиливается резонансным усилителем У и изме ряется индикаторным прибором ИП, связанным с анодным контуром усилите ля. Напряжение Ve может быть также измерено стандартным электронным милливольтметром.
Эта схема обладает температурными погрешностями, присущими обычным фазовым схемам. Однако, в отличие от них, здесь имеются дополнительные источники погрешностей, вызываемые тем, что показания расходомера зави сят от амплитуды волны, прошедшей через поток, а следовательно будут зави сеть от величины затухания УЗ. Поэтому разработка не была завершена.
1. Расходомер газообразных сред. Схема двухканального расходомера га зов с угловым АПР контактного типа, разработанного в СКБ ТНА Н.И. Браж никовым и А.А. Полянским в 1966 г. [220], приведена на рис. 4.11.
Рис. 4.11. Функциональная схема двухканального пакетно-фазового расходомера газообразных сред с контактным угловым АПР
Принцип действия фазового расходомера азота, воздуха или кислорода зак лючается в следующем.
С периодом, равным величине, обратной частоте синусоидальных колеба ний синхронизатора 1, триггер 2 вырабатывает управляющие равнотактные прямоугольные видеоимпульсы. Эти импульсы с одного их выходов триггера 2 поступают на модулятор 3, соединенный с высокочастотным (ВЧ) генерато ром 4, и с другого — на селекторные каскады 5 и 6. При этом в одном из тактов модулятор 3 открыт и селекторные каскады 5 и 6 закрыты, а в другом открыты селекторные каскады 5 и б и модулятор 3 закрыт.
Излучатели 7 и 8 возбуждаются пакетами ВЧ-напряжения модулятора 3 на частоте^ ЭМР, равной 800 кГц, и излучают в поток У3-пакеты, которые рас пространяются через КС в разных направлениях относительно вектора скоро сти потока Vи поступают через время т_и и т+и соответственно на приемники 9 и 10 с относительным сдвигом фаз, пропорциональным скорости потока и. Приемники 9 и 10 с тем же сдвигом фаз преобразуют принятые УЗ-пакеты в пакеты ВЧ-напряжения, которые через фазорегуляторы 11,12 и усилители 13, 14 поступают на выходы соответствующих селекторных каскадов. С выходов последних со стабильной амплитудой ВЧ-пакеты поступают на фазовый де тектор 15, выходное напряжение которого, пропорциональное сдвигу фаз по ступающих на него пакетов, подается на регистрирующий прибор 16 со шка лой, градуированной в единицах скорости потока пли объемного расхода КС.
Длительность подаваемых в блоки 9 и 10 селектирующих импульсов уста новлена равной 1.5 — кратной величине среднего времени распространения УЗ в потоке. Тогда на выходе селекторных каскадов 5 и 6 длительность ВЧпакетов не остается постоянной при изменении температуры, давления в тру бопроводе или вида контролируемой газообразной среды. Если время распро странения УЗ в потоке возрастает из-за изменения условий распространения волны и соответственно увеличивается доля фазового сдвига, определяемого скоростью потока, то длительность пакетов селекторных каскадов уменьша ется. Это обеспечивает автоматическую компенсацию погрешностей, вызыва емых изменением скорости УЗ в КС.
Значения плотности р, скорости УЗ-колебаний с и коэффициента затухания 5 при температуре 20 °С и давлении 1 атм в контролируемых средах приведе ны в табл. 4.1.
|
Физические параметры газообразных сред |
Т а б л и ц а 4.1 |
||
|
|
|||
Среда |
р.г/см'1 |
Параметры |
f2b, 10-м Л/ V |
|
с,м/с |
||||
|
||||
Азот |
0,0017 |
351 |
1,3 |
|
Воздух |
0,00121 |
343 |
1,85 |
|
Кислород |
0,00133 |
328 |
1,6 |
|
Пропан |
0,0019 |
248 |
0,9 |
Расходомер газообразных сред имеет характеристики: |
|
Диапазон измерения, м /ч............................................................ |
0-1 |
Внутренний диаметр трубчатой вставки, мм.............................. |
40 |
Габариты, мм: |
|
трубчатой вставки..................................................................... |
160x50x120 |
электронной системы................................................................ |
190x180x250 |
Давление в трубопроводе, атм.................................................... |
до 10 |
Температура контролируемого газа, °С...................................... |
5-50 |
Частота ультразвуковых колебаний, кГг/.................................... |
800 |
Питание от сети........................................................................... |
220 В, 50 Гц |
Потребляемая мощность, Вт...................................................... |
100 |
4.2.2. Методы с полубесконтактными АПР
Первый ультразвуковой фазовый двухканальный расходомер РУЗ-282 был разработан в 1957 г. Г.И. Биргером и Н.И. Бражниковым [203,204] в СКБ ЦМА на основе предложенного ими полубесконтактного АПР (см. п. 4.1.2) с одной преломляющей поверхностью между ПП в акустическом канале и контролиру емой жидкостью. В 1959 г. Н.И. Бражников разработал бесконтактный фазо вый расходомер УЗР-1 с АПР, имеющим в каждом канале две преломляющие поверхности [213-215]. Такая особенность новой конструкции АПР позволяет применить (рис. 4.5, а) жидкостные звукопроводы с нулевым температурным коэффициентом скорости УЗколебаний, что решает присущую двухканаль ным методам проблему акустической асимметрии каналов.
1. Расходомер РУЗ-282. В приборе РУЗ-282, схема которого приведена на рис. 4.12, впервые была сравнительно удачно разрешена проблема полубес контактного ввода ультразвука в поток жидкости без нарушения профиля тру бопровода. На излучающие ПЭ возбуждающее ВЧ-напряжение с задающего генератора ЗГ поступает через мощный усилитель МУ. УЗ-колебания, излуча емые пьезоэлементами Ж и И2, вводятся в поток жидкости 3 через пластмас совые волноводные стержни 1 и 2, обработанные со стороны трубопровода заподлицо с его внутренней поверхностью. В жидкости распространяются две волны; одна под углом к/2 - и другая под углом п/2 + Pj к направлению потока.
Через подобные же стержни 4 и 5 УЗ-колебания, прошедшие через жидкость, поступают на приемные пьезоэлементы П1 и П 2 со сдвигом фаз Дф, пропор циональным скорости потока u С приемных ПЭ электрические ВЧ-сигналы через предварительные усилители ПУ1 и ПУ 2 поступают на усилители ог раничители УО1 и УО2. С выходов усилителейограничителей на фазовый детектор ФД подаются сигналы со стабильной амплитудой напряжения.
Выходное напряжение постоянного тока фазового детектора, пропорциональ ное разности фаз и соответственно скорости потока и расхода, контролирует-
Рис. 4.12. Функциональная схема расходомера РУЗ-282 с полубесконтактным АПР: ИП1, И П2 — излучающие ПЭ ПП; ПП1, ПП2 — приемные ПЭ ПП; З Г — задающий генератор; У М — усилители мощности; ПУ1, ПУ2 — предварительные усилители фазометра; ФВ — фазовращательный каскад; У01, У02 — усилители-ограничители фазометра; ФД — небалансный фазовый детектор; Р П — ре гистрирующий прибор
ся регистрирующим прибором РП. Фазовращатель ФВ, входящий в один из приемно-усилительных каналов, служит для первоначальной установки нуля
ипоследующей (в случае необходимости) его корректировки.
У3-прибор РУ3-282 был применен [221] для контроля расхода пульп четы реххлористого титана в титановом производстве. Так как температура контро лируемой среды может достигать 100 °С, то в качестве материала звукопроводов использовано органическое стекло марки 2-55, обладающее повышенной теплостойкостью по сравнению с обычным оргстеклом. Скорость ультразвука
внем составляет 2842 м/с при температуре 20 °С, температурное изменение ее равно — 3,25 м с~'-град~\ Выбранный материал обладает сравнительно неболь
4 и регистрирующего электронного потенциометра 1. Блок питания, в кото |
|
рый входят генератор, узел питания и схемы контроля выходного напряжения |
|
генератора и постоянных напряжений, смонтирован на горизонтальном ме |
|
таллическом шасси в герметичном корпусе щитового исполнения. Измеритель |
|
ный блок, в который входят фазометр и схема контроля выходных напряжений |
|
сигнала, имеет такое же конструктивное исполнение. Измерительный блок |
|
соединяется с преобразователем, блоком питания и регистрирующим потен |
|
циометром двухжильными и многожильными соединительными кабелями при |
|
помощи штепсельных разъемов ШР. Преобразователь конструктивно выпол |
|
нен в виде участка трубопровода, устанавливаемого на фланцах в разрез маги |
|
стрального трубопровода. Из конструктивных соображений каналы преобра |
|
зователя (рис. 4.13, п.2) расположены во взаимно перпендикулярных плоско |
|
стях. |
|
Расходомер РУЗ-282 имеет технические характеристики: |
|
Диапазон измерения, м /ч ........................................ |
10-80 |
Внутренний диаметр преобразователя (скорость |
|
потока до 5,8 м/с), мм................................................. |
70 |
Температура контролируемой жидкости, °С................... |
До 100 |
Давление в трубопроводе, атм...................................... |
3 |
Рабочая частота ультразвуковых колебаний, МГц........... |
1 |
Максимальная разность фаз, рад................................... |
Около 2 |
Габариты, мм: |
|
преобразователя........................................................ |
290x290x400 |
блока питания и измерительного блока....................... |
440x314x300 |
Максимальное удаление измерительного блока и |
|
блока питания от места установки преобразователя, м .. 100 |
|
Питание от сети........................................................... |
220 В, 50 Гц |
2. Расходомер УЗР-1. Разработанный в СКВ ЦМА ультразвуковой двухка |
|
нальный прибор УЗР-1 с полубесконтактным акустическим преобразователем |
|
расхода (ЛПР), имеющим две преломляющие поверхности в каждом канале |
|
между ПП и потоком [213-215,222] является расходомером общепромышлен |
|
ного назначения (рис. 4.14). |
|
Принцип действия расходомера заключается в следующем. Высокочастот |
|
ный генератор /"непрерывным синусоидальным электрическим напряжением |
|
на частоте^ ЭМР синфазно возбуждает ПП И1 и И2 АПР, которые излучают |
|
непрерывные УЗ-колебания в жидкостные волноводы 1. В контролируемый |
|
поток 2 излученные УЗ-волны поступают через мембраны 3, герметично вмон |
|
тированные в стенки 4 трубопровода преобразователя, который на фланцах |
|
установлен в разрез магистрального трубопровода. |
|
Волна, излученная ПП И1, распространяется в потоке по его направлению, а |
|
волна, излученная ПП И2, — против направления потока. Волны, прошедшие |
2
Рис. 4.14. Функциональная схема двухканалыюго фазового УЗ-расходомера с полубесконтактным АПР с двойным преломлением УЗ-волны типа УЗРА
контролируемую жидкость, через мембраны 5, герметично установленные в стенках трубопровода на противоположной стороне, поступают в жидкостные волноводы 6 на приемные ПП П1 и П2 с фазовым сдвигом друг относительно друга Аф (радиан), пропорциональным контролируемому расходу Q в м/ч со гласно (4.13).
Электрические сигналы УЗ-приемников П\ и П2 усиливаются и стабилизи руются по выходной амплитуде, идентичными усилителями У1 и У2, управля емыми узлами автоматической регулировки АРУ1 и АРУ2, и поступают на фазометр ФМ, вырабатывающий напряжение постоянного тока, пропорцио
нальное сдвигу фаз А<р и соответственно объемному расходу Q контролируе мой жидкости:
Уд = КГ0А<р, |
(4.21) |
где К — коэффициент пропорциональности; VQ— стабилизированное выход |
|
ное напряжение У1 и У2. |
|
Выходное напряжение ФМпоступает на стандартный регистрирующий при |
|
бор РП, шкала которого отградуирована в единицах объемного расхода или в |
|
процентах (0-100 %) от максимального расхода. |
|
Фазорегулятор ФР, установленный между приемным пьезопреобразовате |
|
лем П1 и усилителем У7, служит для установки начальной рабочей точки фазо |
|
вого детектора, а также для корректировки нуля. |
|
В акустическом преобразователе расхода ПЭ в И\ и И2 с помощью высоко |
|
частотного трансформатора согласованы с волновым сопротивлением соеди |
|
нительного коаксиального кабеля типа РК-50-2. При этом индуктивность Ьх2 |
|
его первичной обмотки вместе с емкостью 2Сп параллельно соединенных из |
|
лучающих ПЭ составляет настроенный резонансный контур, а количество вит |
|
ков вторичной обмотки (3-4) выбрано из соотношения: |
|
W 3,4 = W .,2 (P KI R J ’ |
( 4 -2 2 ) |
где Wj 9 — количество витков первичной, a w34 — вторичной обмоток транс |
|
форматора; рк — волновое сопротивление коаксиального кабеля; Rn— актив |
|
ная составляющая внутреннего сопротивления ПЭ. |
|
Пьезоэлементы приемников также согласованы с коаксиальными соедини |
|
тельными кабелями посредством отдельных трансформаторов, смонтирован |
|
ных в общем корпусе согласующего трансформатора. Индуктивность первич |
|
ной обмотки каждого из трансформаторов Tpi и Тр2 и емкости Сп приемных |
|
ПЭ составляют настроенные контуры. Количество витков w34вторичных об |
|
моток при этом установлено согласно соотношению (4.22). |
|
Высокочастотный генератор Г собран по схеме с кварцевой стабилизацией |
|
частоты. |
|
Блок установки рабочей точки ФД и коррекции нуля расходомера включает |
|
в себя ФВ плавной регулировки фазы в пределах 0-20°, коммутатор фазы 0 - |
|
180° и фазорегулятор со ступенчатой регулировкой фазы в диапазоне 0-180°. |
|
Модификации прибора УЗР-1 имеют следующие технические характерис |
|
тики: |
|
Диаметр трубопровода, мм.............................................. |
100, 200 |
Диапазоны расхода, м /ч................................................... |
30, 50, 100, 200, 300 |
Точность измерений, % .................................................... |
2,5 |
Частота ультразвуковых колебаний, МГц........................ |
1 |
Напряжение питания, В .................................................... |
220 (50 Гц) |
Потребляемая мощность, Вт............................................ |
80 |
4.2.3.Бесконтактные методы
Первый полностью бесконтактный УЗ-фазовый расходомер РУЗ-714 был разработан в 1958 г. Н.И. Бражниковым [11, 12, 213, 216] на основе предло женного им АПР с двумя преломляющими поверхностями, которыми служат поверхности стенки самого трубопровода (или расходомерной трубчатой встав ки). Такая схема АПР позволяет исключить механическое воздействие гидро потока на звукопроводы и применять для последних требуемую условиями конструирования жидкую или твердую среду.
1. Бесконтактный расходомер РУЗ-714. Блок-схема двухканального фазо вого УЗ-расходомера РУЗ-714 приведена на рис. 4.15. В расходомере исполь зован двухканальный АПР. В обоих его каналах ввод УЗ-колебаний от возбуж даемых генератором излучателей И\ и И 2, производится через жидкостные звукопроводы J и 2 под таким углом а, чтобы угол преломленной волны (3/? под которым поперечная УЗ-волна распространяется в стенке трубопровода
Рис. 4.15. Функциональная схема фазового двухканального УЗ-расходомера РУЗ-714 с бесконтакт ным АПР
преобразователя, для получения максимума чувствительности был равен я/З. В качестве жидкостного звукопровода используется компрессорное масло типа МК, скорость УЗ с, в котором при Т = 80 °С равна 1315 м/с, а температурное изменение скорости составляет -3,3 м с~] град~1
Так как скорость с, распространения (поперечной волны в нержавеющей стали марки 1XI8Н9Т (в стенке 3 трубопровода с внутренним диаметром 2У?т) при температуре 80 °С равна 3095 м/с, то для того, чтобы Р, был равен я/З, угол излучения а был выбран равным 0,38 рад.
Скорость УЗ с в контролируемом алюминатном растворе при температуре 80 °С равна 1800 м/с, а ее температурное изменение составляет -1,8 м с 'г р а д Угол р, под которым УЗ-волна распространяется в контролируемой жидкости, ока зывается равным 0,53 рад.
Прошедшие через стенки 3 трубопровода и поток 4 (по его направлению и против него) УЗ волны проходят на противоположной стороне трубопровода через его стенку и звукопроводы 5, 6 соответственно к приемникам П1, П2. Электрические сигналы приемников П1 (через фазорегулятор ФР) и П2 по ступают через усилители У/ и У2 в фазометр ФМ. Усилители связаны с блока ми автоматической регулировки усиления (соответственно АРУ\ иАРУ2).
В соответствии с выражением (4.13) сдвиг фаз для RT = 75 мм при макси мальном расходе 200 м/ч составляет 2,12 рад. Выходное напряжение фазо метра ФМ, пропорциональное этому сдвигу фаз, поступает в регистрирую щий прибор РП.
Конструкция АПР. Преобразователь прибора РУЗ-714 (рис. 4.16 a-в) состо ит из 2-х пар съемных акустических камер У, установленных на внешней по верхности корпуса 2 АПР, представляющего собой участок трубопровода. Элек трическое соединение камер преобразователя с генератором и фазометром схе мы осуществляется через кабели 3 типа РД-13 и штепсельный разъем 4. В раз рез магистрального трубопровода АПР устанавливается па фланцах 5. Креп ление камер к корпусу 2 осуществляется болтами 6. Заливка жидкостного зву копровода (компрессорного масла) производится через отверстия в корпусе основания камеры, которые затем с обеспечением герметизации закрываются головками винтов 7
На рис. 4.16, в показана разобранная акустическая камера: слева — согласу ющий трансформатор, в котором видны: гнездо 11 штепсельного разъема, кор пус трансформатора 12, герметизирующая прокладка 13 из фторопласта и кон тактная спиральная пружина 14; справа — основание камеры, в котором вид ны: корпус 15 основания, латунный стакан демпфера 16 и изолирующая втул ка / 7. Сборочный чертеж акустической камеры, установленной на стенке тру бопровода Укорпуса преобразователя, приведен на рис. 4.17. Корпус основа ния 2 камеры через герметизирующую прокладку 3 из фторопластовой плен-