книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdfвырабатывает управляющие прямоугольные импульсы, которые открывают уси литель 5, обеспечивая селектирование информативных импульсов П от наводки генератора 3, акустической помехи (прошедшей от 1 к 2 по периметру трубо провода) и многократных отражений УЗ-импульсов внутри трубопровода.
Так как время распространения УЗ в контролируемой жидкости зависит от изменения давления в ней, то показания РП 9 пропорциональны давлению.
5.4. Спектральный метод
Метод основан на открытом в 1970 г. Н. Бражниковым эффекте зависимости спектра УЗ-импульса от плотности и концентрации жидкости при распростра нении в ней через наклонный твердый слой [29, 31, 314—316].
Блок-схема УЗ-концентратомера электролитного раствора ЭР по данному спектральному методу приведена на рис. 5.4. Изменение в УЗ-поле контроли руемого ЭР (при изменении его концентрации g) спектра импульсной волны, вызывается акустическим фильтром 7. УЗ-поле в ЭР 2 создается коротковол новым излучателем 3, возбуждаемым электрическими видео-импульсами дли тельностью 0,4 мкс, поступающими от генератора 4, запускаемого периоди чески, с частотой 500 Гц, импульсами синхронизатора 5. Излучатель 3 и при емник 6 с соблюдением герметичности (и посредством крепежной скобы 7 — параллельности их рабочих поверхностей) размещаются в КЭ. Они выполне ны идентичными на базе серийного ПП П111-1.25-К20 с использованием в
Рис. 5.4. Функциональная схема ультразвукового концентратомера электролитных растворов по ме тоду Н.И. Бражникова
нем для расширения спектра излучения, акустического демпфера с повышен ным до 15*106 И с/м3импедансом за счет применения, в качестве демпфирую щей массы, горячепрессованного порошка вольфрама (95 %) со связующим фенопластом.
Акустическим фильтром служит стальная пластина 7 толщиной 0,5 мм, ус тановленная в ЭР между И и Я под углом л/3 (>2-го критического угла) к их рабочим поверхностям. Рассчитанные параметры фильтра 7 и спектра излуче ния для выбранного типа 7777, возбуждаемого полупериодным (относительно средней частоты 1250 кГц) видеоимпульсом, обеспечивают формирование па дающей волной 8 нулевой моды антисимметричной нормальной волны а0 в пластине 7. Волна aQпереизлучается пластиной в ЭР в виде продольной волны по направлению к Я 6 с частотой колебаний^, зависящей от скорости распро странения cg в ЭР и, соответственно, его концентрации g. Поступившая на Я УЗ-волна преобразуется в импульс с частотой^ ЭК по его переднему фронту. Расстояние между ЯЯ-ми было установлено равным протяженности a/Xgближ ней зоны поля при среднем значении^. На таком расстоянии амплитуда давле ния p(z) мало зависит от круговой частоты û)g= 2nfg. Экспериментальное ис следование зависимости скорости cgот концентрации цинкового ЭР в диапа зоне 0-5 вес.% при Т = 20 °С было проведено с использованием импульсно фазовой установки типа УЗИХ [4, 7] в отсутствии фильтра 7 (табл. 5.1).
Для исследованного диапазона скорость распространения УЗ-колебаний в цинковом ЭР имеет линейную зависимость от концентрации:
cg= 1482,7 + 8,7g |
(5.1) |
В усилителе 9, управляемом генератором стробимпульсов 70, производится отделение принятого электрического сигнала от электромагнитной наводки генератора 4 и акустической помехи, проникающей в Я от Я по крепежной скобе 7. Усиленный селектированный импульсный сигнал подается в систему 77 измерения частоты^ УЗ-колебаний в его фронтальной части. Электролиту нулевой концентрации (вода) соответствует показание системы ll:f0=890 кГц. Экспериментально полученная зависимость изменения частоты Afg= f g- f 0от весовой концентрации подчиняется эмпирической зависимости:
|
|
Д/г= 10,4g+ 0,04/, |
|
|
(5.2) |
|
|
Зависимости скорости cgи частоты./^ УЗ-колебаний |
Таблица 5.1 |
||||
|
|
|
||||
|
от весовой концентрации g цинкового электролита |
|
|
|||
g, вес.% |
0 |
0,9 |
2,0 |
3,2 |
4,1 |
5,0 |
с& м/с |
1482,7 |
1490,5 |
1500,1 |
1510,5 |
1518,4 |
1526,2 |
4 fs= fg -fo 'Kr4 |
0 |
9,4 |
21,0 |
33,7 |
43,3 |
53,0 |
|
|
|
|
|
|
обеспечивающей высокую чувствительность измерений g спектральным ме тодом с исключением влияния амплитудных изменений УЗ-давления.
5.5. Методы «звенящей стенки» и устройства их реализации
Методы «звенящей стенки» в бесконтактном технологическом контроле массотеплопереноса, уровня и физических свойств жидкости впервые исследо вал и применил в 1970 г. Н. Бражников [50-55, 317-319]. Согласно его мето дам, источником информации о контролируемой среде является участок стен ки гидроемкости при возбуждении в нем одной или двух нормальных волн Н. Бражникова (НВБ) [51-53], продольно-поверхностной, рэлеевской [52,55], на клонно распространяющихся одной или двух поперечных [56, 321, 322] волн или эхо-импульсной реверберации продольной волны [317, 323, 324].
УЗ-контроль параметров сред может осуществляться: по затуханию распро страняющейся в стенке гидрорезервуара (с АИм z, и z(, толщина h) волны, вы зываемому оттоком части энергии продольной, поперечной, поверхностной волн и НВБ из стенки в КС с АИм = zr [50, 322, 325-332] и по изменению времени распространения поверхностной и нормальной волн [51, 316, 333— 335].
5.5.1 Распространение ультразвуковых волн в твердой среде
Скорости распространения продольной с, и поперечной с объемных волн в «безгранично» протяженной среде и, в случае импульсных УЗ-колебаний в твердом слое, толщиной h на порядок и более превышающей длину волны lt, имеют следующую взаимосвязь в зависимости от коэффициента Пуассона s:
с,2/с,2= 1 + (1 -< т )-' |
(5.3) |
Величины скоростей продольной с}и поперечной с{волн и коэффициентов их затухания для некоторых сред приведены в [6, 7] и табл. 4.1,4.4, 5.1, 7.1.
Скорость УЗ-волны свв стержнях, поперечные размеры которых на порядок меньше длины поперечной волны 1{, связана со скоростью с(поперечной вол ны следующим образом:
св2/с2 = 2 +2с. |
(5.4) |
Продольные и стержневые УЗ-колебания излучают и принимают посредством 7777-лей с пластинными ПЭ из кварца береза или пьезокерамики с продоль ной электрической поляризацией (см. п. 1.1). Для излучения и приема попе речных колебаний применяют ПЭ из 7-среза или пьезокерамики с поперечной электрической поляризацией.
Скорость продольно-поверхностной волны clsблизка к скорости сг Эта вол на возбуждается при первом критическом угле ввода продольной или попе речной волны из наклонного 377, определяемом выражением (4.34).
Скорость ^поверхностной релеевской волны описывается волновым урав нением Дж. Рэлея - Н. Бражникова:
A s -B s +1+Д = 0, |
(5.5) |
где |
|
s = \ - с//сД 5 = 1 2 - 1 6 с 2/сД А = В -в , |
(5.6) |
Aj — константа Н. Бражникова, определяемая выражением: |
|
Д = (42Г3+ Я^)(1,0636 + 2,324/В2). |
(5.7) |
Из решения волнового уравнения (5.5) с учетом s = 1 - сД/сД следует точная формула для расчета скорости релеевской поверхностной волны:
с//с,2= 1 - 0,5{5 - [В2- 44(1 +Д,)]°'5}А4. |
(5.8) |
Отклонение расчета csпо cjc = (0,87 + 1,12с)/(1 + а) из [336] от расчета по точной формуле (5.8) может достигать десятков м/с.
Скорости симметричных сти антисимметричных стНВ (СНВ и АНВ соот ветственно) и затухание 8^, 8ш в стенке гидроемкости определяются уравне ниями Н. Бражникова:
для СНВ:
3/ctg(a/2) + Stctg(bl2) + Sc+ iSb= 0, |
(5.9) |
для АНВ: |
|
Sfe(a/2) + Sfg(b/2)-Sc- iS b= 0, |
(5.10) |
где 5 = 0.125Y м (1 + 0,65ДУ) , Ss= ^ [2 + 2(1 + 5 Д /м У Т |
, S2= z2/cos02, |
5 = 4zsin20cos0, S. = z. cos220 /cos0. a = йсосДсов©,, 6 = Acoc"‘cos0 , cos0, = = (1 - c . V s i n V ^ , COS0, = (1 - C,2Cl-2sin20,)0’5, COS0,= (1 - c,2c,2sin2©,)0’5
Уравнениям, используемых в дефектоскопии и технике временной задерж ки, НВ Дж. Лэмба не требуются 3 и 35 НВБ из (5.9), (5.10).
5.5.2. Бесконтактные сигнализаторы уровня сред
На основе методов «звенящей стенки» в НТК СЦМА разработаны две груп пы бесконтактных (относительно КС) УЗ-приборов: «Сигнал-13», «Сигнал14», «Сигнал-15» с применением нулевой АНВБ [50, 337-340] и «Сигнал-11» с использованием наклонно распространяющейся поперечной волны [56, 73, 321, 341]. Они предназначены [340-342] для автоматического контроля и ре гулирования уровня жидкости и сжиженных газов в закрытых резервуарах.
Рис. 5.5. Акустический преобразователь бесконтактных сигнализаторов уровня жидких сред
Возбуждение волны в стенке 1 резервуара производится наклонным акусти ческим ПП (рис. 5.5) с дисковым ПЭ 2 из пьезокерамики ЦТС-19 и со свинцо вым преломляющим звукопроводом 3, угол наклона которого а и материал за висят от типа возбуждаемой в стенке волны 4. Возбуждающий и идентично ему выполненный приемный (2 -3') ПП-яи устанавливаются на внешней по верхности стенки резервуара на контролируемом уровне и на фиксированном расстоянии L друг от друга так, чтобы УЗ-волна распространялась по стенке параллельно поверхности жидкости 5. Приборы «Сигнал-13», «Сигнал-14», «Сигнал-15», основаны на регистрации вызываемого жидкостью затухания в стенке нулевой антисимметричной волны я0, которая в определенном диапа зоне частот и толщин стенок резервуаров испытывает значительное затухание при демпфировании жидкостью стенки. Форма волны а0показана на рис. 5.6 ((а — пустой, б — заполненный жидкостью резервуар). Метод прибора «Сиг нал-11», основан на регистрации затухания в стенке поперечной волны, кото рая на пути от возбуждающего к приемному ПП-яю со скоростью ^испытыва ет п отражений под углом от внутренней поверхности резервуара, соприка сающейся с жидкостью:
sin(î/ = (с/с) since, |
(5.11) |
где с3— скорость волны в оловянном звукопроводе 3.
Схема расположения наклонных ПП прибора «Сигнал-11» на стенке 1 ре зервуара и наклонных отражений поперечной волны приведена на рис. 5.7. Здесь ПЭ излучения 2 и приема 2' УЗ-волны, как и в предыдущей группе при-
Рис. 5.6. Форма электрического сигнала приемника нулевой антисимметричной нормальной волны: резервуар: а — пустой; б — заполнен
3 |
1 |
L
Рис. 5.7. Схема расположения наклонных ПП на стенке резервуара
боров, с обеспечением акустического контакта, закреплены на торцах излуча ющего 3 и приемного 3' преломляющих ЗП, которые служат для создания и приема наклонно отражающейся поперечной волны 4 от границы: стенка 1 - контролируемая жидкость 5. Крепеж акустических ПП осуществляется ско бой 6, приваренной к металлическому ободу 7, предварительно затянутому по окружности резервуара. Болтами 8 планка 9 прижимается к скобе, а болтами 10 излучающий и приемный ПП прижимаются к стенке резервуара. При каж дом отражении поперечной волны 4 (рис. 5.7) часть акустической энергии ухо дит в жидкость (если она присутствует), другая — идет на последующее отра жение поперечной волны и на образование поверхностной головной волны, име ющей скорость, близкую к скорости следа поперечной волны, равной c/sinpr. При этом головные волны распространяются вдоль внешней поверхности ре зервуара, распространяются быстрее и затухают в свободной стенке значитель нее, чем информативная поперечная волна.
Форма колебаний приведена на рис. 5.8 с обозначениями 1,2, 3 ,..., п - 1 для головных поверхностных волн, образующихся при отражении от поперечной волны. Чисто поперечная волна t, испытавшая п отражений до поступления в ПП, имеет наибольшее затухание под воздействием жидкости, которое в зави симости от амплитуды волны BQв отсутствии жидкости и коэффициента отра жения Rt поперечной волны от внутренней поверхности стенки, демпфируе мой жидкостью определяется выражением:
(5.12)
Здесь затухание поперечной волны меньше, чем волны а0в первом методе, при равном расстоянии между ПП-и и использовании каждого метода в своем
Рис. 5.8. Поперечно-поверхностные волны в стенке гидрорезервуара: о —пустого; б —заполненно го жидкостью
диапазоне толщин стенок резервуаров, но при больших толщинах стенок волна я0не возбуждается, что обусловливает применение метода поперечной волны.
В основном исполнении приборов БЭ устанавливается непосредственно на стенке резервуара (между ПП-ми). У приборов с индексом «-1» БЭ выносной
сдлиной кабелей к излучающему и приемному ПП-м 25 м.
Технические характеристики приборов типа «Сигнал» приведены ниже:
|
Резонансная частота |
Угол наклона |
Диапазон толщины |
Максимальная |
|
Тип прибора |
звукопроводов. |
погрешность |
|||
|
/7/7, мГ11 |
град. |
стенок резервуаров, мм |
сигнализации, мм |
|
Сигнал-13 |
0,5 |
|
|||
60 |
2-6 |
±5 |
|||
Сигнал-13-1 |
0,5 |
||||
|
|
|
|||
Сигнал-14 |
0,5 |
50 |
4-10 |
±5 |
|
Сигнал-14-1 |
0,5 |
||||
|
|
|
|||
Сигнал-15 |
0.5 |
50 |
Врезной звукопровод |
±5 |
|
Сигнал-15-1 |
0,5 |
толщиной 7 лш |
|||
|
|
||||
Сигнал-11 |
1,2 |
39 |
12-30 |
±10 |
|
Сигнал-11-1 |
1,2 |
||||
|
|
|
Приборы «Сигнал-11-1» и «Сигнал-14-1» внедрены на предприятиях, в час тности на водопроводных станциях, обеспечивают эффективную автоматичес кую сигнализацию уровня жидких сред, а также сжиженных хлора и аммиака в технологических резервуарах. Имеющийся в приборах типа «Сигнал» ре-
лейный выход позволяет использовать их в системах автоматического контро ля и регулирования соответствующего технологического процесса.
5.5.3. Бесконтактный датчик уровня в закрытом резервуаре по методу эхо-импульсной реверберации
Автоматизация дозирования химически агрессивных жидких сред осуще ствляется посредством специальных датчиков уровня, устанавливаемых сна ружи закрытого резервуара и обеспечивающих бесконтактность их 7777-лей относительно дозируемой жидкости. Функциональная схема датчика уровня по эхо-реверберационному методу Н. Бражникова [324, 343] приведена на рис. 5.9.
Датчик уровня содержит: электроакустический преобразователь 7, установ ленный в фиксированной точке на внешней поверхности резервуара 2 с конт ролируемой жидкостью 3 и соединенный с импульсным генератором 4 и при емным блоком 5; блок 6 формирования информативного им импульса, триггер 7 и релейный блок 8. Приемный блок 5 состоит из последовательно соединен ных генераторов 9 запирающих импульсов, селекторного усилителя 10 и де тектора 77, выход которого является выходом приемного блока. Вход селек торного усилителя 10 соединен с преобразователем 7, а вход генератора 9 — с дополнительным выходом импульсного генератора 4. Блок формирования 6 выполнен в виде последовательно соединенных каскада 12 отсечки, усилите ля-ограничителя 13 и дифференцирующее диодного блока (ДЦБ) 14.
Датчик уровня снабжен также последовательно соединенными детектором 75, управляющим каскадом 76, формирователем 77 видеоимпульсов регули-
Рис. 5.9. Функциональная схема бесконтактного УЗ-датчика уровня в закрытомгидрорезервуаре по методу эхо-импульсной реверберации
руемой длительности и ДДБ 18, выход которого подключен к другому входу триггера 7. При этом вход пикового детектора 15 соединён с выходом прием ного блока 5, а второй вход формирователя 17 видеоимпульсов подключен к выходу генератора 4 возбуждающих импульсов.
Функционирование блоков датчиков заключается в следующем. Посредством электроакустического преобразователя 1 периодически вводят
импульс УЗ-колебаний в стенку резервуара 2 с контролируемой жидкостью. Возбуждение преобразователя осуществляется электрическими импульсами 19, поступающими с выхода генератора 4. Многократно отраженные в стенке резервуара 2 УЗ-импульсы ПП 1 трансформируются в импульсы 20 электри ческих колебаний УЗ-частоты. Вместе с возбуждающим импульсом генерато ра эти импульсы подаются на вход селекторного усилителя 10, управляемого генератором 9 запирающих импульсов, формируемых им на время действия возбуждающего импульса 19. В результате возбуждающий импульс генерато ра 4 на выход селекторного усилителя не поступает и многократно отражен ные импульсы 20 подаются на вход детектора 11, который выделяет их огиба ющую.
Выделенная огибающая в каскаде 12 отсечки ограничивается снизу на амп литудном уровне, величину которого устанавливают на порядок меньше пико вого значения амплитуды огибающей. Верхняя часть импульсной огибающей усиливается до ограничения сверху в усилителе-ограничителе 13. Далее она поступает в ДДБ 14, где по заднему фронту формируется короткий пусковой импульс, которым триггер 7 перебрасывается в одно из устойчивых состоя ний.
С временной задержкой на стопный вход триггера 7 поступает с выходаДДБ 18 опорный импульс, переводящий триггер в другое устойчивое состояние. В результате на выходе триггера формируется прямоугольный электрический импульс. Опорный импульс в блоке 18 формируется путём дифференцирова ния видеоимпульса 17, периодически запускаемого импульсом генератора 4. Длительность видеоимпульса регулируется с помощью УК 16 в прямой зави симости от амплитуды огибающей выходного сигнала детектора 11. При этом на вход УК 16 подается напряжение, полученное путем пикового детектирова ния сигнала детектора 11 в пиковом детекторе 15. Опорный импульс формиру ется выделением заднего всплеска дифференцированного импульса.
В результате на выходе триггера 7 формируется положительный электричес кий импульс, когда жидкость поднимается выше уровня установки преобразо вателя 1 на стенке резервуара 2, и отрицательный, когда жидкость опускается ниже уровня установки преобразователя 7. импульсом триггера 7 запускается релейный блок 8, вырабатывающий сигнал 21 наличия жидкости. Этот сигнал подается в систему управления дозированием жидкости.
5.5.4. Бесконтактный эхо-импульсный концентратомер
Бесконтактный контроль физико-химических свойств жидких сред методом «звенящей стенки» Н. Бражникова [50-55] включает в себя также измерение концентрации гидрометаллургических и химических растворов по степени акустического демпфирования КС-дой локального участка стенки гидроемко сти.
Функциональная схема такого УЗКр, разработанного автором данного мето да, приведена на рис. 5.10. УЗКр растворов содержит: генератор 1 импульсов, И 2 с преломляющим ЗП 3, который установлен на внешней стенке 4 резерву ара с КС 5. На расстоянии от И 2 на внешней поверхности стенки резервуара расположен П 6 с преломляющим ЗП 7. В УЗКр входят также: усилитель 8, пиковый детектор 9, блок 10 логарифмирования, соединенный с входом сум матора 11, выход которого соединен с входом РП 12, эхо-импульсный УЗТ13, имеющий ПП, установленный на внешней поверхности стенки резервуара и подсоединенный своим выходом ко второму входу сумматора 11.
Функционирование блоков УЗКр заключается в следующем. Электрический импульс генератора 1 воздействует на И 2, его импульсная УЗ-волна вводится через ЗП 3 наклонно к поверхности стенки 4 резервуара, где находится КС 5, и возбуждает в стенке нормальную УЗ-волну. Проходя внутрь стенки вдоль ее поверхности, она испытывает затухание, зависящее от концентрации g КС 5. После прохождения по стенке нормальная УЗ-волна, достигнув 2-го прелом ляющего ЗП 7, трансформируется в нем в продольную импульсную волну, поступающую в П б. Для электрического сигнала П волны, установленного на наклонном ЗП 2, имеет место следующая зависимость амплитуды сигнала F, при текущем значении концентрации g от ее изменения Ag = g - g0при посто-
Рис. 5.10. Бесконтактный эхо-мпульсный концентратомер с использованием нормальной УЗ-волны, возбуждаемой в стенке гидрорезервуара