книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

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.

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

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:

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-