книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdfли 2, 3 и приемники 4, 5, электронной системы. К излучателям подключены ждущие генераторы импульсов 6, 7, а к приемникам — усилители 8, 9. Усили тель, генератор, приемник и излучатель образуют замкнутый электронно-аку стический канал автоциркуляции импульсов ЭАК, функционирование которо го с диаграммной иллюстрацией описано в п.3.7.
Усилители 8, Р, через интегрирующие цепи 10, 11 подключены к входам ло гической ячейки 12, управляющей работой генератора 13 импульсов низкой частоты, соединенного с генераторами б, 7. Выходы логической ячейки 12 со единены с коммутирующими входами усилителей 8, 9. В начальный момент автоциркуляция импульсов в ЭАК отсутствует, также отсутствуют сигналы на выходе усилителей 8, Р. Генератор 13 включен и работает в автоколебательном режиме. Его импульсы запускают генераторы 6, 7. Одновременно на выходах интегрирующих цепей 10 и 11 появляются сигналы, которые при устойчивой автоциркуляция импульсов в ЭАК достигают порогового значения ячейки 12, выходной сигнал которой запирает генератор 13. Период колебаний генерато ра 13 выбран булыиим наибольшего периода автоциркуляция ЭАК и булыие постоянной времени интегрирующих цепей 10, 11.
В случае отсутствия жидкости в трубопроводе или при исчезновении сигна ла в одной из ЭАК подается с выхода логической ячейки 12 запирающий сиг нал. Исчезает сигнал и во второй ЭАК. Открывается автоколебательный гене ратор 13, который запускает генераторы 6, 7. Выходы усилителей 8, 9 подклю чены к регистрирующему прибору 14, измеряющему разность частот авто циркуляции импульсов в ЭАК, пропорциональную расходу жидкости.
Р и с . 4 .4 1 . Ф у н к ц и о н а л ь н а я сх е м а д в у х к ан а л ьн о го у льтразвук ового беск о н так тн о го ч а сто т н о -и м п у л ь сн о го р асх о д о м ер а
4.7.2. Одноканальные методы
Методы одноканального частотно-импульсного УЗ-контроля расхода жид костей разработали в 1964 г. Н. Бражников, А. Оганесов [12, 17, 290-292] с применением бесконтактного АПР и 3. Шафрановская, Л. Журавлев, Е. Крысанова [293] на основе контактного углового акустического преобразователя. Блок-схема расходомера по первому из методов и его импульсные диаграммы приведены на рис. 4.42 и 4.43. Принцип действия расходомера заключается в следующем.
На трубопроводе 1 (с внутренним диаметром 2R и внешним 2/^) во внешних жидкостных 3/7-дах 2,3 установлены ПП 4, 5 на расстоянии 2Н0друг от друга. В некоторый момент времени t0(не показан на рис. 4.43) на ПП 4 от генерато ра, находящегося в электронном блоке б, поступает короткий электрический импульс, преобразующийся в УЗ-колебания. УЗ-волна, излученная ПП 4, рас пространяется во внешнем ЗП 2 со скоростью с3 под углом а. После преломле ния в стенке трубопровода волна распространяется со скоростью ctпод углом Р,, а в КС — под углом р.
Прошедшая через волноводы, трубопровод и (по направлению потока, дви жущегося со скоростью v) КС, УЗ-волна поступает на ПП 5, преобразующий ее в электрический сигнал 7 (рис. 4.42, а), который после усиления переклю чает ПП-ли 4, 5 (рис. 4.43, б) и с некоторой задержкой т3 (рис. 4.43, в), запуска ет генератор, возбуждающий ПП 5 импульсом 8 (рис. 4.43, а). УЗ-волна, излу ченная ПП-лем 5, пройдя против потока, через время T_vдостигает ПП-ля 4,
Рис. 4.42. Функциональнаясхемаодноканальногоультразвуковогобесконтактногочастотно-импульс ного расходомера
Рис. 4.43. Импульсные диаграммы блоков частотно-импульсного бесконтактного УЗ-расходомера
преобразуясь им в электрический сигнал 9, который после усиления переклю чает Я/7-ли и с той же задержкой т3 запускает генератор, вырабатывающий импульс 10, возбуждающий ПП 4 (рис. 4.43, а). Излученный им импульс через время т+и поступает на ПП 5, вырабатывающий электрический импульс 1L
Таким образом, ПП-ли излучают и принимают УЗ-колебания поочередно с периодом Г, равным сумме т+и+ т ивремен распространения УЗ-волны и удво енной задержке т3 (рис. 4.43 г) с напряжением VHи длительностью тн. Гармо нические составляющие этих импульсов, следующих с периодом Т, зависят от скорости потока. Напряжение первой гармонической составляющей описыва ется выражением:
умх= ( У М Л Р ) / [ 2 тгс2(т + т 3)2] .
Это напряжение в блоке б измеряется регистрирующим прибором, шкала которого градуирована в единицах контролируемой скорости v потока или пропорционального ей расхода жидкости.
Глава 5. АВТОМАТИЧЕСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ИСОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД
Вглаве рассмотрены методы и системы автоматического УЗ-контроля: со держания бинарных и трехкомпонентных технологических жидкостей, степе ни полимеризации и давления сред в гидрометаллургических, химических и др. производствах по скорости УЗ-волн, спектру и затуханию УЗ-импульсов; плотности, концентрации и уровня жидких сред - методами «звенящей стен ки» гидрорезервуара с локальным возбуждением в ней УЗ-волны, распростра няющейся вдоль поверхности стенки, или эхо-импульной реверберации.
5.1. КОНТРОЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ И ПОЛИМЕРИЗАЦИИ СРЕД
Ультразвуковой автоматический контроль концентрации и полимеризации сред в технологических процессах по скорости УЗ впервые предложили: в 1957 г. Г. Биргер и Н. Бражников — фазовым [27, 108]; в 1958-1959 г.г. Н. Бражников [79, 294] — фазовым с амплитудной модуляцией и время-импуль- сным методами; в 1959 г. О. Бабиков, Б. Михалев и Г.С. Поль-Мари [295-296]
— автоциркуляционным частотно-импульсным методом Р. Холбрука - Дж. Критца [155-156]. Значительное распространение получили также методы кон троля чистоты жидкости, концентрации гидропульп и влагосодержания жид ких продуктов по затуханию УЗ-импульсов [6, 296-298].
5.1.1. Фазовый концентратомер УЗК-Ф
Схема фазового концентратомера бинарных растворов приведена на рис. 3.5. Функционирование прибора заключается в следующем. Непрерывные УЗ-ко- лебания излучающего /777, возбуждаемого ВЧ-напряжением генератора/", после прохождения через контролируемый раствор поступают на приемный /7/7. Электрическое напряжение последнего через усилиитель У, охваченный АРУ, подается на вход фазового детектора ФД, другой вход которого соединен через фазорегулятор ФР с генератором Г
На выходах У и ФР напряжения сигналов имеют стабильную нормирован ную амплитуду VHи синусоидальную форму. Выходное электрическое напря жение ФД поступающее в РП, пропорционально отклонению Ас, соответству ющего начальному значению концентрации цинкового электролита. В прибо ре предусмотрена автоматическая компенсация температурных изменений
времени распространения УЗ в растворе [108] обратно направленным темпе ратурным изменением времени распространения через протектор приемного
Я Я
Основные характеристики прибора:
Акустическая база, м м ......................................................... |
10 |
Диапазон измеряемых отклонений Ас,м/с...................... |
±30 |
Частота ультразвука, МГц.................................................... |
1 |
Погрешность измерений Ас,%............................................ |
±3 |
5.1.2. Фазовый концентратомер с модуляцией УЗК-292
Схема концентратомера и электрические диаграммы приведены на рис. 3.7, 3.8, а ее описание — в п. 3.4.
Основные характеристики прибора:
Акустическая база, м м ......................................................... |
80 |
Диапазон измеряемых отклонений Ас,м/с.................... |
0-60 |
Несущая частота ультразвука, МГц................................. |
1,5 |
Частота модуляции, кГц...................................................... |
125 |
Погрешность измерений Ас,% не более......................... |
2 |
Конструктивно УЗ-концентратомер бинарных растворов с модуляцией из лучения [7, 79] выполнен в виде акустического преобразователя, электронной измерительной системы и РП (самопишущего потенциометра). В сравнении с УЗК-Ф здесь АБ увеличена в 8 раз. Электронная система смонтирована на од нопанельном шасси, устанавливаемом в кожухе щитового исполнения. На пе редней стенке панели расположены органы управления и стрелочный индика тор, на задней — ВЧ- и сетевой разъемы.
Акустический преобразователь состоит из опоры, посредством которой он крепится к магистральному желобу с раствором, подвески, в которой крепит ся корпус из оргстекла со смонтированными в нем Я и Я, и системы автомати ческой очистки протекторов Я и Я от осаждающихся кристаллов солей.
5.1.3. Время-импульсные концентратомеры УЗК-1Э и УЗК-1
Время-импульсный метод автоматического контроля концентрации бинар ных гидрометаллургических растворов реализован в концентратомере УЗК1Э с электронной задержкой опорного импульса [79,294,299] в 1959 г. и в его модификации УЗК-1 с акустической задержкой [299-301] в 1960 г. Схема УЗК1Э и его импульсные диаграммы приведены на рис. 3.11 и 3.12, а ее описание
— в п. 3.5. Акустический измерительный преобразователь выполнен по схеме
рис. 4.5, а в варианте без преломления (а = 0) и конструктивно представляет собой участок трубопровода, который на фланцах устанавливается в разрез магистрали с контролируемым раствором. УЗ-колебания И (1 на рис. 4.5, а) через протектор передаются жидкостному волноводу, находящемуся в наклад ной акустической камере 4, в качестве которого использован глицерин. Ввод УЗ-колебаний из жидкостного волновода в КС 3 осуществляется через мемб раны из фторопласта, установленные в стенке трубопровода, обработанные заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода, благодаря чему исклю чается нарушение потока контролируемой жидкости и предотвращается их технологическое «зарастание». Аналогично происходит прохождение УЗ-им- пульса из раствора 3 к П (2 на рис. 4.5, а).
В концентратомере УЗК-1 в качестве блока задержки БЗ использован эта лонный акустический преобразователь ЭАП, из УЗ-импульса которого (рис. 3.12, г) формируют задержанный электрический опорный импульс (рис. 3.12, з). Конструктивно ЭАП состоит из двух камер, аналогичных камерам измери тельного преобразователя. Одна из камер может перемещаться относительно другой по направляющим, а другая имеет сильфонное устройство для плавно го перемещения в пределах 10 мм, чем осуществляется установка начала шка лы измерения изменения Ас скорости УЗ от ее номинала со. Преобразователь помещен в отдельный корпус, который приваривается к трубопроводу с КС. С помощью ЭАП осуществляется также автоматическая акустическая компенса ция температурных погрешностей. С этой целью в качестве эталонной среды подбирается жидкость, температурный коэффициент скорости УЗ в которой обратен температурному коэффициенту скорости в КС.
Основные характеристики концентратомеров:
Внутренний диаметр трубопровода, мм......................... |
200 |
Диапазон измеряемого изменения скорости Ас,м/с |
0-40 |
Частота ультразвука, МГц............................................... |
1 |
Погрешность измерений Ас, % не более........................ |
2,5 |
5.1.4. Частотно-импульсный прибор ОСП-2
Прибор ОСП-2, разработанный ЦКБ УВУ [295-296], предназначен для из мерения и регистрации глубины эмульсионной полимеризации синтетическо го каучука. Прибор основан на частотно-импульсном автоциркуляционном методе, схема реализации и импульсные диаграммы которого приведены на рис. 3.19 и 3.20, а ее описание дано в в п. 3.7. Вследствие того, что измеряемая частота автоциркуляции F = 1/(TJ + тф) имеет малые изменения (пропорцио нальные изменению Ас скорости УЗ), в приборе ОСП-2 измеряется разность между F и эталонной частотой отдельного генератора.
Основные технические данные прибора: |
|
Диапазон измеряемого изменения скорости Ас,м/с....... |
0-25; 0-50 |
Погрешность, отнесенная к диапазонам |
|
измерений, % не более................................................. |
5; 2,5 |
Контролируемый диапазон скоростей с^м/с |
1100-1600 |
5.2. Система контроля трехкомпонентных алюминатных растворов
Система, функциональная схема которой приведена на рис. 5.1, разработана М. Авербух, Г. Биргером, Н. Бражниковым, С. Михайловым и Б. Стернбергом
в1965 г. [28, 303-304] на базе импульсного УЗ-концентратомера УЗК-1Э [294, 299] и кондуктометрического метода [302]. Принцип ее действия заключается
вследующем.
Из генератора 1 короткие электрические импульсы (рис. 3.12, б) одновре менно поступают (рис. 5.1) в акустический измерительный преобразователь 2 (жидкостные камеры которого установлены на трубопроводе с алюминатным раствором — КС) и в блок задержки 3, который формирует опорный импульс с временем задержки, равным времени прохождения УЗ-колебаний в акусти ческом преобразователе (АП) при скорости УЗ, соответствующей началу тре буемого диапазона измерений (рис. 3.12, в). Принятый электрический сигнал (рис. 3.12, б) АП 1 и сигнал с выхода линии задержки 3 подаются на усилители 4 и 5, а затем на формирователи импульсов б и 7 и на триггер 8, образуя после довательность прямоугольных импульсов (рис. 3.12, и), длительность кото-
Рис.5.1. Функциональная схема системы контроля трехкомпонентных алюминатных
рых пропорциональна разности времен прохождения сигналов в блоке задер жки 3 и АП 2 и, следовательно, пропорциональна изменению скорости УЗ в КС. Импульсы триггера 8 (рис. 3.12, и) поступают (рис. 5.1) на вход выходного каскада 9, где ограничиваются по амплитуде и с помощью интегрирующей цепи преобразуются в напряжение постоянного тока, пропорциональное дли тельности импульсов триггера 8, и, соответственно, изменению скорости УЗ Ас в КС.
Контроль удельной электропроводности раствора осуществляется измери телем электропроводности с трансформаторным блоком 10 (рис. 5.1) погруж ного типа. Генератор 11 непрерывных колебаний 4 кГц, питает первичную об мотку трансформатора питания 12 блока 10, вторичной обмоткой которого служит жидкостной виток 13, образованный КС. Этот поток охватывает также измерительный трансформатор (ИТ) 14 блока 10 и служит его первичной об моткой. При постоянном напряжении питания сила тока в жидкостном витке 13 прямо пропорциональна электропроводности КС, следовательно напряже ние на вторичной обмотке измерительного трансформатора 14, пропорцио нальное ампервиткам жидкостного контура, также пропорциональна измеряе мой электропроводности. Напряжение со вторичной обмотки ИТ 14 поступает на измерительный преобразователь 15, на выходе которого вырабатывается напряжение постоянного тока, подаваемое на вход счетно-решающего блока (СРБ) 16.
Напряжения с выхода СРБ 16, пропорциональные концентрациям компо нентов (глинозема А120 3 и щелочи Na20 ) КС, подается на регистрирующий прибор 17. Для обеспечения требуемой точности измерения, работоспособно сти и эксплуатационной надежности конструкции погружного трансформа торного блока 10 измерителя электропроводности должна удовлетворять ряду частично противоречивых требований. Вся конструкция в целом должна быть достаточно прочной и жесткой в условиях высокого давления и агрессивной среды в трубопроводе при повышенной температуре. Вместе с тем, централь ная трубка, геометрические размеры которой определяют омическое сопро тивление жидкостного витка, должна быть выполнена из неэлекгропроводного, но достаточно жесткого материала, иметь гладкую несмачиваемую поверх ность во избежание зарастания. Наряду с обеспечением разборности конст рукции блока 10 должна быть надежная герметизация внутренней полости блока 10.
Для обеспечения всех этих требований используется разборная конструк ция блока 10 (рис. 5.2), составные части которой выполнены из различных материалов: корпус 18 выполнен из нержавеющей стали, внутри него распо ложены два тороидальных трансформатора — питания 12 и измерительный 14; центральная трубка 19 выполнена из фторопласта и имеет гладкую повер хность (несмачиваемость фторопласта предохраняет трубку от зарастания);
Рис.5.2. Конструкция погружного трансформаторного блока электропроводности алюминатных ра створов
уплотнение осуществляется двумя одинаковыми манжетами 20из резины, стой кой в условиях КС (из тепло- и щелочестойкой резины марки ИРП-1257 для алюминатных растворов, например). Для обеспечения достаточного уплотня ющего усилия, особенно при уменьшении упругости резины вследствие ее старения при высокой температуре в местах уплотнения (по поверхности кор пуса и трубки) манжеты армированы плоскими пружинами, скрепленными в кольцо 21, навитыми из стальной проволоки. Такое уплотнение обеспечивает: надежную герметичность блока в течение длительного периода времени в широком диапазоне изменений давления и температур КС, а также минималь ные габариты трансформаторного блока. Защита электрических выводов осу ществляется трубкой 22 из нержавеющей стали, приваренной к корпусу.
5.3. Бесконтактный контроль давления в гидросистемах
УЗ-контроль давления в гидросистемах безрасстыковкитрубопроводов впер вые реализован в 1965 г. на основе время-импульсного метода Н. Бражникова автором совместно с Э. Крыловой [33,299, 305-313] в приборах конструкции НИАТ. Блок-схема бесконтактного импульсного измерителя давления УИД-1 приведена на рис. 5.3.
Измеритель давления состоит из излучателя 7, приемника 2, импульсного генератора 3, линии задержки 4, усилителя 5, триггера 6, выходного каскада 7, преобразователя «время - напряжение» 8, РП 9, компенсатора напряжения 10 и генератора селектирующих импульсов 77.
Принцип действия УИД-1 заключается в следующем. Излучатель и прием ник УЗколебаний устанавливают на наружной поверхности контролируемого трубопровода гидросистемы, после точного измерения его диаметра Д. Гене ратор вырабатывает прямоугольные импульсы (с длительностью, равной полупериоду УЗ-колебаний), которые поступают на излучатель. Последний воз буждается на своей резонансной частоте и излучает УЗ-импульсы, которые через стенки трубопровода и КС поступают в приемник, где преобразуются в электрические информативные импульсы. Одновременно с началом излуче ния импульсы генератора через блок задержки (устанавливаемый в положе ние, соответствующее измеренному диаметра Д) запускают триггер 6, кото рый прекращает работу в момент поступления на него информативного им пульса, прошедшего через усилитель 5 и выходной каскад 7. Импульс тригге ра, длительность которого равна изменению времени распространения УЗ в жидкости, вызываемого контролируемым давлением, с помощью преобразо вателя «время - напряжение» 8 измеряется РП 9. Регулируемый компенсатор напряжения 10, соединенный с преобразователем, служит для подстройки ну левого показания РП 9.
Блок задержки предназначен для начальной компенсации времени распрост ранения УЗ, соответствующего отсутствию давления в системе. Генератор 11
Рис. 5.3. Функциональная схема бесконтактного УЗ-импульсного измерителя давления в трубопро водах УИД-1