книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

янной толщине hQстенки 4 резервуара, амплитуды У0сигнала при начальном значении концентрации g0, толщине стенки hQи коэффициенте пропорциональ­ ности eg, величина которого определяется видом химического раствора КС и параметрами акустического тракта:

При изменении толщины h стенки в процессе эксплуатации относительно начальной толщины hQпринятый сигнал V имеет следующую зависимость от Ag,Ah = h0- h n безразмерного коэффициента пропорциональности К: У= У0

(1 + KAh/hQ)exp(-EgAg). (5.14)

Электрический сигнал Я б через усилитель 8 поступает в пиковый детектор 9, вырабатывающий аналоговый сигнал, амплитуда Удкоторого пропорцио­ нальна амплитуде сигнала Я с постоянным коэффициентом Ъ:

Этот аналоговый сигнал поступает в блок 10 логарифмирования, где срав­ нивается с опорным аналоговым сигналом внутреннего источника. Амплиту­ да Уодопорного сигнала (после предварительного измерения амплитуды ^си г­ нала Я при начальных значениях толщины h0стенки и концентрации gQKC) имеет значение:

Vm=bV0. (5.16)

В результате сравнения блок 10 вырабатывает выходной сигнал с амплиту­ дой, пропорциональной логарифму сравниваемых величин с коэффициентом пропорциональности Kv имеющем размерность аналогового сигнала:

Из выражений (5.14) и (5.17) следует, что выходной сигнал блока 10 зависит от изменений величины Ag и толщины Ah стенки резервуара.

Исключение зависимости контроля концентрации g от уменьшения толщи­ ны стенки производится в сумматоре 11, на один из входов которого поступает сигнал блока логарифмирования. Это достигается следующим образом. Я Я эхо-импульсного УЗТ13 имеет резонансную частоту, на порядок булыпую ча­ стоты И 2 и Я 6 в тракте распространения нормальной волны. Преобразова­ тель возбуждается коротким импульсом, вырабатываемым в блоке 14 измере­ ния отклонения толщины h стенки от начального ее значения h0, и через ЗП излучает продольную ВЧ-импульсную УЗ-волну по нормали к поверхности стенки 4 резервуара, которая частично отражается от стенки 4, а частично про­ никает в нее. Отраженная от внешней поверхности стенки ВЧ-импульсная УЗволна достигает Я Я УЗТ 13, который вырабатывает из нее первый электричес­ кий эхо-сигнал. Частично вошедшая по нормали в стенку 4 ВЧ-импульсная

УЗ-волна достигает внутренней поверхности стенки и, отразившись от этой поверхности, распространяется через стенку обратно к ПП УЗТ 13, который формирует второй электрический эхо-сигнал.

Интервал времени т между 1-ми 2-м электрическими эхо-сигналами:

где с1— скорость продольной УЗ-волны в материале стенки резервуара.

В УЗТ 13 измеряется интервал т между принятыми эхо-импульсами и его абсолютное изменение Ат относительно первоначального значения т0, кото­ рое предварительно определяют при начальном значении hQтолщины стенки. Сформированный аналоговый ЭС по амплитуде пропорционален уменьшению Ат временного интервала т относительно его начального значения т0:

где К2— коэффициент пропорциональности, имеющий размерность аналого­ вого сигнала, поделенного на размерность времени.

Величину коэффициента К2устанавливают такой, чтобы обеспечивалось исключение влияния зависимости (5.14) сигнала от изменения Ah на измене­ ние Ag. Тогда аналоговый сигнал, поступающий на второй вход сумматора 11, будет иметь амплитуду:

Блок 11 вырабатывает сигнал, равный сумме поступающих на его входы ана­ логовых сигналов. ВыхС сумматора 11, пропорциональный измеряемой вели­ чине Ag и не зависящий от уменьшения толщины стенки Ah:

поступает в РБ 12, шкала которого градуирована в единицах концентрации g КС (электролита).

Глава 6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АЭРО-ГИДРОЛОКАЦИЯ

УЗ-аэролокационный контроль расстояний в горных выработках, между пе­ ремещающимися блоками механизмов, в машиностроении и других производ­ ствах, в основном, осуществляется время-импульсными методами [34-35,144, 344—347]. Контроль уровня жидкости в гидрометаллургических, химических, электролизных и других производствах и уровня сыпучих сред производится фазовым [7] и эхо-импульсным [348-354] методами. Широко распространен также УЗ-контроль геометрических размеров движущейся в технологическом потоке продукции обработки металлов давлением и полимеров биэхолокационным методом [355-358].

В аэрогидролокации применяют преимущественно бездемпферные ПП, из­ лучение которых максимально на круговой частоте согЭМР. Величина уг, рав­ ная отношению (0 к круговой частоте (О0 ПВР (рассмотренной в п. 1.1) опреде­ ляется трансцендентным выражением (1.3) для ЭИм zЭ0ПП без потерь, рав­ ным нулю при со= ©г. Это выражение преобразуется в резонансное уравнение

и 0г — трансцендентный коэффициент, отличающийся от 1 на величину тре- тьего-четвертого порядка малости.

Из решения уравнения (6.1) следует формула Н. Бражникова для прецезион-

Начальное значение г в (6.1) определяется при 0r = 1 из второго слагаемого

Величины г для ПК типа ТБ-1, ЦТС-19, ПКР-28 и пьезокварца составляют, соответственно: 0,976703, 0,891953, 0,947732 и 0,996406.

УЗ-давление на частоте^ЭМР, в соответствии с (1.12), определяется плас­ тинным пьезомодулем Ъ1Н. Бражникова, введенным в 1972 г. им в практику созданных с его участием научных акустических школ и групп [2-3] ВНИКИ ЦМА, ГИРЕДМЕТ, МГИ, МИСиС, НИАТ и СКБ ТНА:

Здесь blпредставляет собой УЗ-давление ПП в жидкости и газообразных сре­ дах при заданных / , V и Z h, zc. Величина 6, определяется выражением (1.11) через кр рп и е/ Я/7.

При ПВР УЗ-давление, согласно (1.12), рассчитывают по формуле:

Анализ эквивалентной схемы пластинного ПП (рис. 1.2) методом, близким к изложенному в гл.1, дает возможность вывести формулы расчета напряжений ЭС на приемном ПП: V0для ПВР на частоте^ и F для ЭМР на частоте^:

Здесь rjj— отношение модуля ЭИм емкости С1закрепленного ПЭ к электри­

В нагрузку входит также сопротивление диэлектрических потерь ПЭ (ква-

где Q3— электрическая добротность ПЭ, в частности равная 50 для ТБ-1, 30 для ЦТС-19 и 250 для PZT-8.

6.1. Эхо-импульсный локатор горных выработок

Функциональная схема аэроимпульсной локации горных выработок [346] приведена на рис. 6.1. Локатор состоит из ИГ 7, И 2 и 3, П 4 и 5, приемно­ усилительных цепей 6 и 7, триггеров 8,9 и РБ, состоящего из каскадов совпа­ дений 10 и 77, формирователей 12 и 73, суммирующей цепи 14, счетчика им­ пульсов 75, генератора 16 калиброванной частоты и фазосдвигающей цепи 77. Импульсный генератор 7 вырабатывает импульсы с периодом следования, бульшим суммы времени распространения УЗ-импульсов обоих каналов.

С ИГ 1 электрические импульсы, вырабатываемые с периодом следования, бульшим суммы времени распространения УЗ-импульсов обоих каналов, по­ ступают на И 2 и 3, функционирующие на частоте^ ЭРМ\ и преобразуются в импульсы УЗ-энергии. Одновременно с ИГ 1 импульс поступает на пусковые входы триггеров 8 и 9 и перебрасывает их в рабочее состояние. Отраженные от поверхностей 18 и 19 УЗ-импульсы поступают соответственно на 77 4 и 5, с которых ЭС через приемно-усилительные цепи 6 и 7 поступают на другие вхо-

Рис. 6.1. Функциональная схема УЗ-эхо-импульсного локатора горных выработок

ды триггеров 8 и 9 и перебрасывает их в первоначальное состояние, где обра­ зуются импульсы длительностью, равной времени распространения УЗ-им- пульсов до отражающих поверхностей и обратно для каждого из каналов.

Импульсные напряжения с выходов триггеров 8 и 9 поступают на каскады совпадений 10 и 11, на вторые входы которых поступают короткие импульсы с выходов формирователей 12 и 13, формируемые из синусоидального напря­ жения, вырабатываемого генератором 16 калиброванной частоты. Напряже­ ние с генератора 16 поступает на вход формирователя 12 непосредственно, а на вход формирователя 13 — через фазосдвигающую цепь 17, обеспечиваю­ щую: а) сдвиг фазы синусоидального напряжения, близкий к п рад.; б) нео­ дновременное поступление импульсов с выходов каскадов совпадений 10 и 11 на входы суммирующей цепи 14, которая обеспечивает суммирование после­ довательностей импульсов. Счетчик импульсов 15 подсчитывает количество импульсов, прошедших из первого и второго каналов. Количество импульсов пропорционально расстоянию между локируемыми поверхностями 18 и 19.

6.2. Фазовый уровнемер жидкостей

Схема фазового уровнемера с амплитудной модуляцией [7] приведена на рис. 6.2. Принцип действия уровнемера заключается в следующем.

Акустический излучатель И и приемник П устанавливаются над контроли­ руемой жидкостью на специальной штанге или на крышке резервуара. Низко­ частотное (40 кГц) напряжение ЗГ в модуляторе М модулируется напряжени­ ем модулирующего генератора МГ и поступает на И, работающий в режиме

Рис. 6.2. Функциональная схема аэроакустического фазового уровнемера с амплитудной модуляцией

ЭМР. Одновременно напряжение МГ ограничивается диодным ограничителем ДО, и из него по фронту положительных полупериодов с помощью дифферен­ цирующей диодной цепочки ДДЦ2 формируются короткие пусковые импуль­ сы, которые запускают триггер Т.

Излученная УЗ-волна (по давлению пропорциональная пластинному пьезо­ модулю Ь) распространяется вниз от Я в воздухе или парах контролируемой жидкости. На границе воздух-жидкость (или пар-жидкость) волна отражается и поступает в П, расположенный рядом с И. Принятый сигнал поступает через усилитель У в демодулятор ДМ, где сигнал демодулируется, а напряжение его огибающей подается на усилитель-ограничитель УО, формирующий напря­ жение прямоугольной формы. Из этого напряжения по переднему фронту его положительного полупериода дифференцирующей диодной цепочкой ДДЦ1 формируется импульс, который опрокидывает триггер Т в исходное состоя­ ние.

Импульсы триггера с длительностью, пропорциональной сдвигу фазы на­ пряжения демодулированного принятого сигнала относительно моделирую­ щего напряжения, и, следовательно, измеряемому уровню, подаются на вы­ ходной каскад ВК. Средний ток импульсов выходного каскада, пропорциональ­ ный указанному сдвигу фаз и, следовательно, измеряемому уровню, подаются в РП, шкала которого градуирована в единицах уровня.

синхронизирует его с периодом, равным времени распространения УЗ по воз­ духу между акустическими головками.

УЗ-импульсы, излученные 7777-ми 7 и 2, достигнув КО, отражаются к ним и преобразуются ими в ЭИ. Последние поступают в блоки 5 и 6 временной се­ лекции, управляемые импульсами селекторного генератора 77, где отделяются от возбуждающих импульсов ИГ 3 и поступают затем на ФК 7и 8. Нормализо­ ванные импульсы, соответствующие моментам приема эхо-сигналов, посту­ пают на входы время-измерительных блоков 9 и 10, открывая их. На другие входы этих блоков поступают закрывающие их импульсы с выхода ФК 15. Выходные сигналы время-измерительных блоков, пропорциональные разно­ сти между временем распространения импульсов в дополнительном канале (между 7777-ми 12, 13) и УЗ-сигнала в эхолокационных каналах, подаются на входы блока 16 вычитания, подключенного к Р П 17. ПП-яи 1 и 2 размещены относительно средней траектории движения контролируемого объекта с за­ данной асимметрией, которая устанавливается так, чтобы время распростра­ нения эхосигнала во втором канале постоянно превышало время прямоуголь­ ного распространения сигнала в дополнительном канале. Это обеспечивается в том случае, если величина асимметрии будет равна или больше суммы поло­ вины максимально измеряемого размера объекта контроля и максимальной флуктуации траектории его движения.

При выполнении этого условия разность временных интервалов прямо про­ порциональна размеру объекта контроля и обратно — скорости УЗ. Показания РП пропорциональны отношению суммы этих интервалов к периоду их сле­ дования, который обратно пропорционален скорости УЗ-волны. Поэтому по­ казания РП прямо пропорциональны размеру объекта контроля в направле­ нии излучения - приема УЗ-колебаний и не зависят от скорости их распрост­ ранения в воздухе.

Глава 7. СТАБИЛИЗАЦИЯ УРОВНЯ, ДОЗИРОВАНИЕ ПУЛЬП И РЕАГЕНТНЫХ СРЕД

ВТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ

Вглаве рассмотрены разработанные по методу «звенящей стенки» Н. Браж­ никова системы стабилизации уровня гидрометаллургических пульп и реа­ гентных растворов и автоматического УЗ-дозирования в горно-обогатитель­ ном производстве.

7.1. Стабилизация уровня технологических сред

В системах стабилизации уровня технологических сред используются нуле­ вая антисимметричная нормальная [50-54, 330] волны УЗ-колебаний, локаль­ но распространяющихся в стенке гидроемкости параллельно или по нормали относительно поверхности стабилизируемой среды.

7.1.1. Стабилизатор уровня и расхода твердой фазы гидропульпы

Функциональная схема стабилизатора уровня и расхода твердой фазы ТФ пульп в флотомашине для обогащения руд приведена на рис. 7.1. Стабилиза­ тор содержит расхододозирующий резервуар 1 с профилированной выходной щелью 2, выполненной в одной из его стенок. Отверстие на противоположной стенке состыковано с выходом трубопровода 3, по которому поступает поток 4 контролируемой пульпы. Из резервуара пульпа 5 сливным потоком поступает во флотомашину. При этом высота Я сливного потока определяется расстоя­ нием между нижним срезом 6 и уровнем 7 пульпы в резервуаре. Выше щели 2 на внешней боковой поверхности резервуара установлен электроакустичес­ кие Я и Я нулевой АНВ Н. Бражникова с вертикальной ориентацией оси излученияприема. При этом Я, соединен через мощный усилитель 8 с импульсным генератором 9, а Я — и с одним из входов время-измерительного блока 10, вто­ рой вход которого через блок задержки 11 соединен с выходом генератора 9.

Излучающий и приемный ЯЯ-ли 12 и 13 нулевой АНВБ установлены на внешней поверхности резервуара в плоскости нижнего среза щели со встреч­ ной ориентацией друг относительно друга. Излучатель 12 соединен с выходом генератора 9, а Я 13 — с входом усилителя 14. Выход усилителя через пико­ вый детектор 15 подключен к одному из входов дискриминатора 16, к другому входу которого подключен последовательно соединенные Ат 17 и второй пи­ ковый детектор 18, соединенный с выходом генератора 9. Входы блока умно­ жения 19 соединены с выходами дискриминатора и время-измерительного бло­ ка, а его выход — с РП 20.

Рис. 7.1. Функциональная схема У3-стабилизатора уровня и расхода твердой фазы гидропульпы

Работа блоков стабилизатора уровня и расхода пульпы заключается в следу­ ющем. В резервуар 1 через трубопровод 3 поступает контролируемая пульпа. Благодаря параболическому профилю щели 2, объемный расход пульпы 5 на сливе и ее высота в щели Н пропорциональны друг другу. Для определения величины Н используется эхолокационный измеритель, включающий И, П и измерительный блок 10.

Электроакустический преобразователь И, возбуждаемый усиленными ЭИ- ми генератора 9, излучает в стенку резервуара импульсы изгибной волны, ко­ торые, достигнув поверхности пульпы 7, отражаются и принимаются ПП- лем, где преобразуются в ЭИ, которые поступают на один из входов блока 10. Необходимость увеличения мощности излучения усилителем 8 вызвана ма­ лым (порядка долей %) коэффициентом отражения вертикально распростра­ няющейся изгибной волны от поверхности 7 пульпы. На другой вход блока 10 поступают задержанные блоком 11 возбуждающие импульсы. В блоке 10 фор­ мируются прямоугольные импульсы с длительностью, пропорциональной ве­ личине Н и объемному расходу. Одновременно с излучением преобразователя И, импульсами генератора 9 возбуждается И 12, посылающий в стенку резер­ вуара на уровне нижнего среза щели 6 короткие импульсы акустической нуле­ вой АНВБ волны, которые при распространении испытывают затухание, про­