книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdf
На основе прибора РУЗ-714 с участием его автора выполнили ряд разрабо ток отраслевого значения в НТК СЦМА [223], Приборостроительном заводе [224-227] и Национальном институте авиатехнологии [228]: Д.А. Григорьев, А.А. Иванов, А.С. Оганесов, Э.Д. Крылова и др. Их исследования были на правлены на уменьшение асимметрии акустических каналов путем максималь но возможного приближения их друг к другу по параллельной схеме размеще ния (рис. 4.8, а) при минимизации помех, поступающих на приемник от излу чателя смежного канала. Кроме того, принимались меры по снижению уровня реверберации в стенке трубопровода, в частности использованием в трубча той вставке антиреверберационной втулки из звукопоглощающего материала.
2. Бесконтактные экспресс-расходомеры НИАТ. Приборы, разработан ные Н.И. Бражниковым и Э.Д.Крыловой [229-235]
впервые позволили обеспечить экспресс-контроль расхода жидкости в гид росистемах с различными диаметрами трубопровода и свести к минимуму ассиметрию акустических каналов. На рис. 4.18 изображена блок-схема бескон тактного У3-расходомера [229], на рис. 4.19 — акустический преобразователь расхода АПР с установкой его на контролируемом трубопроводе.
УЗ-расходомер состоит из генератора 7, акустического преобразователя рас хода 2, измерительного блока 3 и регистрирующего прибора 4. АПР состоит из двух акустических камер 5 и 6, установленных в общем корпусе 7. Акустичес кие камеры 5 и б выполнены из пластмассы с установочным пазом, сечение которого имеет трапецеидальную форму. В камерах имеются два сквозных параллельных канала, заполненных жидкостью, которые являются жидкостны-
Рис. 4.18. Схема двухканального УЗ-экспресс-расходомера с бесконтактным акустическим преобра зователем с жидкостными внешними звукопроводами
Рис. 4.19. Конструкция съемного АП Р экспресс-расходомера конструкции НИАТ с жидкостными внешними звукопроводами
ми звукопроводами 8 для ввода УЗ в трубопровод 9. Жидкость в них удержи вается под избыточным давлением мембраной 10, используемой в качестве переходного контактного слоя.
В указанных каналах камер 5 иб герметично установлены акустические при емные и излучающие головки. Камера 6 может перемещаться перпендикуляр но оси трубопровода 9 в корпусе 7 по направляющим 12. Прижатие камер 5 и 6 по цилиндрической поверхности к контролируемому трубопроводу обеспе чивается пружинами 13. Горизонтальное перемещение камеры 5 параллельно оси трубопровода производится по направляющему пазу в корпусе 7 ходовым винтом 14, гайкой 75 и направляющей 12.
Функционирование УЗ-расходомера заключается в следующем. Для измере ния расхода на контролируемом участке гидросистемы (рис. 4.18) устанавли вается АПР 2. Акустические камеры своими трапецеидальными поверхностя ми плотно прижаты к трубопроводу с облеганием его поверхности мембрана ми. Необходимое усилие прижатия при этом обеспечивается пружинами 13. Жидкость, вытесняемая при этом, аккумулируется сильфонами 16. Сигнал от генератора 1 поступает на излучатель 17 АПР 2. УЗ-сигнал от излучателя 17 вводится в контролируемую жидкость через стенку трубопровода 9 под углом, отличным от прямого, против направления движения жидкости. Пройдя через жидкость, сигнал поступает в приемник 18 и затем, преобразованный в элект рический сигнал, в измерительный блок 3. Одновременно с подачей сигнала на излучатель 77 от генератора 7 подается сигнал на излучатель 19, прохожде ние которого па приемник 20 аналогично сигналу, поданному на излучатель 17, но направлено по потоку. Измерительный блок 3 сравнивает время про хождения сигналов по потоку и против потока фазовым или время-импульс-
-------------- 1 — 7
1 1 1
!/7>
!/
1 /
1 /
1 /
S
1
/!
/■------- 1—
/1
/1
i
720 _j
т=игт
Рис. 4.20. Функциональная схема фазового УЗ-экспресс-расходомера конструкции НИАТ с тверды ми внешними звукопроводами
ным способами. Выходной сигнал блока 5, пропорциональный контролируе мому расходу, поступает в РП 4.
Схема второй модификации экспресс-расходомера [230] с твердыми звуко проводами АПР приведена на рис. 4.20 и на рис. 4.21 — общий вид АПР, уста новленного на контролируемый трубопровод.
Расходомер состоит из генератора 1 АПР 2, установленного на контролиру емом трубопроводе 3, измерительного блока 4 и РП 5.
Съемный АПР (рис. 4.21) состоит из двух акустических камер б и 7, уста новленных в общем корпусе 8. Камеры выполнены из органического стекла с цилиндрической контактной поверхностью, покрытой эластичной прокладкой 9. В них имеется по два цилиндрических углубления, в которых на резьбе ус тановлены акустические головки 10 с П и И УЗ-колебаний.
Камера 7 может перемещаться перпендикулярно оси трубопровода 3 (рис. 4.20) в корпусе 8 (рис. 4.21) по направляющим 11. Камеры 6и 7 прижи маются по цилиндрической поверхности к контролируемому трубопроводу 3 пружинами 12. Для горизонтального перемещения камеры 6 параллельно оси трубопровода 3 служат направляющий паз в корпусе 8, ходовой винт 13 с гай кой 14 и направляющая 15.
Работает расходомер следующим образом. На контролируемый участок смон тированной гидросистемы устанавливают АПР 2. Для этого ручкой 16 (рис. 4.21) сжимают пружины 12 и раздвигают акустические камеры 6 и 7 на величину, превышающую диаметр трубопровода 3, после чего устанавливают преобразователь на трубопровод. Цилиндрические поверхности камер плотно прижимаются к трубопроводу пружинами 12 и прокладкой 9. Сигнал от гене-
А
А А
Рис. 4.21. Конструкция съемного АПР экспресс-расходомера с твердыми внешними звукопроводами
ратора 1 поступает на излучатель 17 акустического преобразователя. УЗ-сиг- нал от излучателя вводится в контролируемую жидкость через стенку трубо провода под углом, отличным от прямого, против направления движения жид кости. Пройдя через жидкость, сигнал поступает в приемник 18 и затем, пре образованный в электрический сигнал, — в измерительный блок 4. Одновре менно от генератора подается сигнал на излучатель 19. Этот сигнал проходит на приемник 20 аналогично сигналу, поданному на излучатель 17, но по на правлению потока. Измерительный блок 4 сравнивает время прохождения сиг налов по потоку и против него фазовым способом. Выходной сигнал этого блока пропорциональный контролируемому расходу, поступает в регистриру ющий прибор 5.
4.3. Одноканальные фазовые методы с коммутацией направления излучения
Одноканальные фазовые методы контроля скорости потока и расхода жид ких и газообразных сред с коммутацией направления УЗ-излучения в потоке электромеханическим Р. Суэнджела [236] и электронными X. Кэлмаса [237], Г.И. Биргера, Н.И. Бражникова [203,238] устройствами применяют с контакт ными, полубесконтактными и бесконтактными АПР. При реализации методов Н.И Бражникова [12-15, 213] используют пакетное или импульсное излуче ние УЗ колебаний.
Одноканальные методы с коммутацией направления излучения подразделя ются на две подгруппы: с косвенным и прямым измерением разности фаз сиг налов, принятых в смежных тактах коммутации.
4.3.1. Методы с косвенным измерением разности фаз
Схему расходомера с коммутацией предложил в 1950г. Р. Суэнджел [236]. По этой схеме Р. Суэнджел, У. Хесс и С. Уолдорф [239-242] разработали УЗ-рас- ходомер для контроля расхода воды в подводящих каналах гидротурбин. В разработанном ими расходомере, схема которого показана на рис. 4.22, исполь зовалась электромеханическая коммутация излучателей. В виду значительных размеров объекта измерений излучение и прием УЗ-колебаний производились с помощью погружных акустических преобразователей П1 и П2 антенного типа, разработанных Р. Суэнджелом [243].
Впервом такте коммутации по потоку излучает преобразователь Я /, а П2 принимает. Фаза <р+ипринятых колебаний с помощью фазометра ФМ сравни вается с фазой ср0генератора Г. Напряжение, пропорциональное этой разности
фаз, поступает на зарядное устройство ЗУ\. В другом такте коммутации про тив потока излучает преобразователь П2, а принимает Я1. Фаза сру принятых
колебаний сравнивается с фазой генератора в ФМ, выходное напряжение кото рого пропорционально и подается на другое зарядное устройство ЗУ2. Раз ность напряжений зарядных устройств пропорциональна разности фаз приня тых сигналов и измеряется индикатором Я, показания которого пропорцио нальны, таким образом, измеряемой скорости потока.
Аналогичная схема с электродинамическими излучателями [244] использо валась также для демонстрации измерения расхода скорости потока воздуха. Рабочая частота этой модели — 10 кГц, а акустическая база 1,2 м.
В1952 г. X. Кэлмас [237, 245-246] предложил схему расходомера, анналогичную схеме Р. Суэнджела, но с электро
механическим коммутатором собственной |
П 1 |
П 2 |
разработки [247] и с использованием пье зоэлектрических излучателей. Схема была испытана в лабораторных условиях в воде.
Одновременно Х.Кэлмас, А.Хедрич и Д. Парду предприняли первую попытку раз работки макета расходомера с электронной коммутацией [248], блок-схема которого приведена на рис. 4.23.
Генератор Г вырабатывает непрерывное синусоидальное ВЧ-напряжение, которое через модуляторные каскады Ml и М2 по переменно поступает на пьезопреобразова-
Рис. 4.22. Схема одноканапьного УЗ-расходомера с по переменной электромеханической коммутацией
Рис. 4.23. Схема одноканального УЗ-расходомера с попеременной электронной коммутацией
тели 777 и 772. Модуляторные каскады при этом управляются коммутирующим устройством КУ, которое попеременно их открывает. В одном из тактов ком мутации открыт модулятор Ml и ПЭ П1 излучает пакет УЗ-колебаний по пото ку. В это время ПЭ П2 принимает УЗ-колебания со сдвигом фазы относитель но фазы излучения и преобразует их в высококачественное электрическое на пряжение, которое поступает на открытый фазометр ФМ2. Фазометр ФМ2 от крыт тем же коммутирующим импульсом, что и модуляторный каскад ML На ФМ поступает также опорное напряжение генератора Г. Выходное напряже ние пропорционально сдвигу фаз ф+и.
Вдругом такте коммутации модулятор Ml закрыт и открыт модулятором М2, через который на ПП П2 поступает возбуждающие ВЧ-напряжения гене ратора. ПП П2 излучает УЗ-колебания против потока, которые принимаются ПП 771 со сдвигом фазы <p_v относительно фазы излучения и преобразуется в электрический ВЧ-сигнал, имеющий тот же сдвиг относительно напряжения генератора. Принятый сигнал поступает на открытый фазометр ФМ/, на кото рый также поступает напряжение генератора. Выходное напряжение ФМ1 про порционально сдвигу фаз ф_и. Разность выходных напряжений фазометров вы является сумматором С и регистрируется индикатором РП, показания которо го пропорциональны разности фаз Аф = ф v - ф+и УЗ-колебаний, принятых #1
и772 в разных тактах коммутации, и соответственно пропорциональны изме ряемой скорости потока жидкости.
Вэтот же период времени разработку макетов расходомеров с коммутацией провели также К. Сталл [249] — для измерения скорости подводных течений; М. Ходжен, У. Фаррал, Дж. Херрик, Е. Болдс, Дж. Андерсон [250-253] — для контроля расхода крови и 3. Шафрановская, И. Шелапутин и Л. Журавлёв [254, 255] — для контроля расхода промышленных жидкостей в трубопроводе.
Скорость подводных течений незначительно изменяется во времени, отчего К. Сталл применил электромеханическую коммутацию. Отсчет скорости тече ния воды определяется визуально путем сравнения максимального (в одном такте) и минимального (в другом такте) показаний выходного фазометра при переключениях направления распространения УЗ-волны.
М. Ходжен, У. Фаррал, Дж. Херрик и Е. Болдс в 1956 г. разработали прибор [250] для измерения расхода крови в крупных кровеносных сосудах по схеме с электронной коммутацией (рис. 4.24), акустический преобразователь АП ко торого выполнен в виде пластмассовой трубки с укрепленным на ней на рас стоянии 100 мм пьезоэлементами П\, П2 из титаната бария цилиндрической формы, внутренний диаметр составляет 4 мм, а длина и внешний диаметр — 6,35 мм. Резонансная частота ПЭ равна 350 кГц. Преобразователь устанавли вается последовательно с исследуемым кровеносным сосудом. Частота элект ронной коммутации была выбрана вначале 100 Л/, а затем повышена до 5001000 Гц с целью лучшего реагирования на изменения скорости крови. Прибор
I-------------------------------------------------------------- |
1 |
Рис. 4.24. Схема одноканального УЗ-расходомера с попеременной электронной коммутацией для измерения расхода крови в крупных кровеносных сосудах
предназначен для измерения скорости крови в диапазоне 0,01-0,05 м/с, что соответствует разности фаз 0,03-3°.
Принципиально блок-схема этого прибора не отличается от блок-схемы, при веденной на рис. 4.23. ВЧ-напряжение генератора попеременно поступает на
ПП П1, П2 через модуляторы Ml, М2 управляемые коммутирующим устрой ством КУ. Приемные каналы обоих ФМ включают в себя предварительные усилители ПУ1, ПУ2\ селекторные усилители СУ1, СУ2, управляемые КУ, и усилители-ограничители У01, У02 на фазовые детекторы ФД1 и ФД2, выпол ненные по схеме совпадения, поступают прямоугольные принятые сигналы, а также прямоугольные сигналы генератора Г через ФВ и усилитель-ограничи тель УО.
Разность выходных напряжений ФД пропорциональна измеряемому расхо ду и измеряется индикатором И с помощью дифференциального усилителя ДУ. По замыслу авторов этого прибора, обратная связь дифференциального усилителя ДУ с фазовращательным каскадом ФВ должна поддерживать по стоянство начальных точек фазовых детекторов при температурных измене ниях скорости УЗ путем автоматической регулировки фазы. В действительно сти, как показывает анализ, такое решение проблемы стабильности нуля не дает положительных результатов.
Расходомер по схеме Р. Суэнджела с электромеханической коммутацией был исследован для измерения в трубопроводе (с внутренним диаметром 38 мм, частоты 300 кГц) в 1957 г. 3. Шафрановской, И. Шелапутиным и Л. Журавлё вым [254-255]. Ими использовался контактный угловой АПР без преломления (рис. 4.2, а). Для скоростей потоках в диапазоне 0-1,1м/с (или 0-7 м/с расхо да) сдвиг фазы 0-0,15 рад. Чувствительности измерений в тактах коммутации на верхнем пределе V было недостаточно (1-1,5 %). Чрезмерно низкой оказа лась также воспроизводимость измерений из-за отражений между Ш7-ми (имев ших место на малой, в отличие от схемы Р. Суэнджела акустической базе) лишь в 2-3 раза меньшими сигнала прямого распространения. Полученные резуль таты побудили исследователей в дальнейшем отказаться от одноканального фазового метода и предпочесть ему двухканальный частотно-импульсный ме тод.
При использовании методов попеременной коммутации с косвенным изме рением фаз сигналов, прошедших по направлению и против потока, следует учитывать, что начальная рабочая точка фр фазочувствительного узла будет не прерывно дрейфовать при изменении скорости УЗ в контролируемой жидко сти. Поэтому необходимо, чтобы измерение скорости УЗ не вызывало уход этой точки за пределы шкалы ФМ (составляющей величину 71 и менее), а амп литудно-фазовая характеристика (АФХ) ФМ была близка к линейной в этом диапазоне. В противном случае изменяется цена деления шкалы прибора (для