книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

порциональное плотности пульпы. Принятые П 13, УЗ-импульсы преобразу­ ются в ЭИ и через усилитель 14 поступают на вход первого пикового детекто­ ра 15, где преобразуются в напряжение постоянного тока, по величине про­ порциональное амплитуде принятых сигналов. Это напряжение подается на один из входов амплитудного дискриминатора 16, на другой вход которого через аттенюатор поступает напряжение постоянного тока, преобразованное 2-м пиковым детектором 18 из импульсов генератора 9, по величине равное напряжению детектора 15 при начальном значении плотности пульпы (без со­ держания ТФ). При этом выходное напряжение амплитудного дискриминато­ ра 16 пропорционально концентрации твердой фазы в пульпе.

Выходные напряжения время-измерительного блока 10 и дискриминатора 16, пропорциональные, соответственно, объемному расходу пульпы и концен­ трации ТФ в ней, поступают на входы БУ19, выходной сигнал которого про­ порционален расходу ТФ пульпы. Шкала прибора 20 проградуирована в еди­ ницах измеряемого расхода ТФ пульпы.

7.1.2. Стабилизатор уровня реагентов в электролизном производстве

Для многих технологических процессов актуально использование как авто­ матических датчиков бесконтактной стабилизации уровня реагентных сред в закрытом гидрорезервуаре, так и уже применяемых в промышленных услови­ ях приборов и средств контроля. Результаты последних исследований с ис­ пользованием серийного прибора УД2-12 свидетельствуют о резервных воз­ можностях надежного контроля уровня жидкостей на основе метода «звеня­ щей стенки» Н. Бражникова [54].

Структурная схема УЗ-стабилизатора уровня реагентов в электролизном производстве на основе метода «звенящей стенки» дана на рис. 7.2.

УЗ-поле продольной волны 1 в наклонном полистироловом ЗП 2, имеющем акустический контакт с внешней поверхностью стальной стенки 3 гидроре­ зервуара, создается излучающим ПП 4, возбуждаемым ЭИ 5 гармонических колебаний напряжением V = 80 В. Импульсы поступают с частотой следова­ ния 250 Гц от генератора, настроенного на частоту/ = 0,5 МГц канала «1,25» в УД2-12.

Излучатель 4 и П 6 выполнены с применением пьезопластины ЦТС-19 диа­ метром 20 мм с частотой свободных колебаний^ = / на базе серийных Д/7-лей П111-1.25-К20 серийных комплектов УД2-12. Измеренные в [54] значения ос­ новных параметров составляет: динамический коэффициент электромехани­ ческой связи к= 0,397; пьезоконстанта деформации /*33 = 20,1-1082?/лг, удель­ ный АИм пьезопластины zn= 31,1 МН'с/м ; электрическая емкость С, = 570 пФ закрепленного ПЭ и механическая добротность ПЭ QK=70. УЗ-поле излучаю­

где rm= (z2 + a2)°'5,zH— удельный АИм среды излучения, g n— полная механи­ ческая добротность среды акустически нагруженного ЯЯ-ля, определяемая вы­ ражением (1.9). Экспериментальные исследования скоростей распростране­ ния продольных и поперечных с(УЗ-волн и их амплитуд для материалов ЗП и стенки резервуара, а также коэффициента затухания dt для / = 0,5 МГц, вы­ полненные импульсно-фазовым методом [6], сведены в табл. 7.1.

Структура поля излучения с длиной У3-волны X = c/fQв полистироловом ЗП исследовалась на воде. При этом значение волнового параметра ка - 13,2 было сохранено за счет применения Я уменьшенного диаметра (до 12,5 мм) в про­ порции отношения скоростей с{в воде и полистироле по экспериментальным данным (табл. 7.1).

Измерения в поле, производившиеся «точечным» Я, подтверждают нерав­ номерность распределения давления, следующей из выражений (7.1) и (7.2). Минимумы осевого давления p(z) в ближней зоне протяженностью гБ = а /X имеют место для значений фазы <p(z) = Цгт~ г)>кратных четному, а максиму­ мы — нечетному числу тс. Характерно, что полусумма минимумаp(z) и после­ дующего максимума равна (с погрешностью 2-го порядка малости) начально­ му давлению излучения /?0. При этом каждый минимум p(z) окружен кольце­ вым максимумом вне оси И, а максимум p(z) (кроме последнего при z = zB)~ кольцевым минимумом.

Зависимость среднего давления рсрв УЗ-поле от приведенного расстояния z/zEопределяли посредством использования Я диаметром 12,5 мм (при обес­ печении соосности с Я), подключенного к входу УД2-12 с измерением УЗ-

Таблица 7.1 Акустические параметры материалов звукопровода, трубопровода

и контролируемых жидкостей

Таблица 7.2 Распределение среднего давлениярср в функции приведенного расстояния z/zE

для жидкостного иммитатора звукопровода

сигнала по цифровому индикатору 77 (рис. 7.2). Результаты исследования в диапазоне z= (0,17-1,6)zEприведены в табл. 7.2.

Обследования поля в точках осевых экстремумов давления не выявило от­ клонений от слабо выраженного, с ростом расстояния z, спада среднего давле­ ния. Это позволяет волну 1 (в первом приближении) представлять в виде нерасходящегося пучка УЗ-лучей диаметром 2а при обычно выполняющемся условии, что длина ЗП менее l,6z^.

Полная МД и модуль ЭИм ПП-ля без демпфера рассчитывались по (7.4) и вышеприведенным значениям z, ЗП, zn и Qu ПП-ля. Их величины Qn= 15,2 и |ZJ = 1443 Ом обеспечивают приемлемый режим работы генератора прибора УД2-12. Вычисленное по формуле (7.3) начальное давление излучения в поли­ стироловом ЗП [р0| = 14,6 Н/см2является достаточно высоким для реализации метода «звенящей стенки». Поле импульсной продольной волны ЗП возбуж­ дает в стенке 3 антисимметричную нормальную волну 7, которая распростра­ няется внутри стенки параллельно поверхностям по направлению к ЗП 8 П 6, создавая «звенящую» полоску шириной, незначительно превышающей значе­ ние 2а. При этом нормальные составляющие колебательного движения проти­ воположны по знаку для половинок (относительно срединной плоскости) стен­ ки 3, прилегающих к внутренней и внешней поверхностям гидрорезервуара.

Фазовая скорость распространения возбужденной нормальной волны саза­ висит от угла а наклона входной поверхности ЗП и скорости с/з продольной волны в нем: с = c j sina. При значении угла а, превышающем 2-й критичес­ кий угол, из всех мод нормальной волны в стенке 3 распространяется только одна, а именно — нулевая антисимметричная aQ.Для используемого И (f= = 0,5 МГц) в стальной стенке толщиной hc= 5 мм измеренная [54] скорость волны са= 2820 м/с. В соответствии с этим и данными табл. 7.1, расчетный угол наклона ЗП а составляет: a = arcsin{сJe) = 57,6°. Идентично выполненные ЗП 2 и 8 (с установленным с обеспечением акустического контакта на выходной по­ верхности П 6) имеют АБ1= 0,29 м, фиксируемую гибкой лентой 9.

На пути распространения волны а0к ЗП 8 П акустическая энергия ее поля из «звенящей» полоски стенки 3 частично переходит в среду 10, находящуюся в резервуаре на уровне установки ЗП-дов, в виде энергии продольной волны 77, которая распространяется под углом р = arcsin(сJeJ, где ск— скорость про­ дольной волны в среде 10. Отмеченный переход энергии экспоненциально ос­ лабляет волну а0. Коэффициент затухания 5ои давлениеpa(zк) ослабленной жид­ костью волны а0в стенке (после прихода к приемному ЗП 8) определяются

где z(— АИм в материале стенки для поперечной волны, Zk— АИм КО - жидко­ сти ,/?^) = /?0аехр(/а^/0) — давление волны а0, приходящей к ЗП 8 в отсутствии в резервуаре жидкости, 0 а— безразмерный коэффициент (для волны а0, рас­ пространяющейся в стальной стенке со скоростью 2820 м/с, равен 0,45). Часть энергии поля нулевой АНВ переходит в ЗП 8 в виде энергии импульсной про­ дольной волны 12, распространяющейся к Я б по нормали к его рабочей по­ верхности со скоростью сь= 2380 м/с.

Импульсный ЭС 13 с напряжением, пропорциональным давлению pa{z^, от Я поступает через Ат 14 в УМ прибора УД2-12. Высота Яэ изображения 15 детектированного сигнала на экране 16 пропорциональна давлению pa(zK). В соответствии с (7.5) и (7.6) величина Яэ зависит от АИм ZKсреды в резервуаре, экспоненциально снижаясь с ростом АИм, максимальна при наличии воздуха (с импедансом го< < г„.) в резервуаре на уровне установки ЗП-дов. Отсчет амп­ литуды импульсного сигнала осуществляется в дБ по показаниям ^циф рово­ го индикатора 17, включаемого сенсором 18 после стробирования сигнала 15.

Исследование распространения волны aQв «звенящей» полоске стенки про­ изводились для следующих сред: воздух, вода и 10 % Си- и Zn-электролиты на стальном резервуаре с толщиной стенки hc= 5 мм. Предварительно, в отсут­ ствии контролируемой жидкости (посредством Ат и имеющегося в приборе «плавного» регулятора усиления) высота Нэсигнала, пропорциональная дав­ лению ра(0), устанавливалась близкой к 7.9 большим делениям экрана, соот­ ветствующих Nn= 0,1 ± 0,01 дБ. Результаты экспериментальных исследований функции Яц= 201og|po(0)//?o(zK)| + 0,1 даны в табл. 7.3.

Сильное ослабление (>15 дБ) жидкостями позволяет использовать для конт­ роля их уровня имеющийся в приборе трехканальный блок ACD УЗ-волны. При регулировке амплитуды импульса 15 (без жидкости в резервуаре) настрой­ кой усиления и Ат 14 «зажигание» (+)/«гашение»(-) свето-индикаторов ACD- 1, ACD-2, ACD-3 происходит при показаниях Уц цифрового индиикатора: 1,7 и 13 дБ соответственно. Результаты испытаний УЗ-стабилизатора (по схеме рис. 7.2) на 10%-х Си- и Zn-электролитах при изменении их уровня Я относи-

Т а б л и ц а 7.3

Зависимость показании N цифрового индикатора ослабления УЗ-давления нулевой антисимметричной волны и коэффициента ее затухания 5а

от вида контролируемой жидкости в резервуаре

* Экспериментальные значения коэффициента затухания 5„ и ослабления давления p a(zK) величины а0 соответствуютрасчетнымданным по формулам (7.5) и(7.6).

Т а б л и ц а 7.4

Зависимость «зажигание» (+) /«гашение» (-) светоиндикаторов трехканального блока ACD от изменений уровня электролита в контролируемом гидрорезервуаре

тельно высоты Н0середины «звенящей» полоски (в плоскости, проходящей через оси И 4 иП 6) даны в табл. 7.4.

При индикации предупреждающего и предельно-допустимого уровней мо­ гут использоваться каналы ACD-1 и ACD-3, сигнализирующие о подходе по­ верхности жидкости соответственно за 0,8а к уровню Н0и 0,9а выше уровня Н0. В автоматических стабилизаторах уровня, например для дозаторов химре­ агентов, целесообразно использование каналов ACD-2 и ACD-3, обеспечиваю­ щих поддержание уровня в пределах ±0,3 а. Для систем автоматики съем уп­ равляющих сигналов 19 из каналов ACD производится с выходов их логичес­ ких схем через эмитгерные повторители.

7.2. Автоматическое дозирование реагентов и жидко-сыпучих сред

Бесконтактные УЗ-датчики дозирования, устанавливаемые на дозировочной гидроемкости, являются управляющими компонентами систем автоматичес­ кого регулирования. Они обеспечивают своевременное включение и выклю­ чение электроприводов для подачи того или иного технологического продук­ та. Дозирование подачи жидких реагентов, жидко-сыпучих и иных компонен­ тов в дозировочную емкость осуществляется автоматически срабатыванием устанавливаемых на трубопроводах электромагнитных клапанов, которые уп­ равляются релейно-коммутационной системой по сигналам датчиков, установ­ ленных на дозировочной емкости.

В УЗ-датчиках дозирования используется демпфирующий эффект «звеня­ щей» стенки дозируемым реагентом при распространении нулевой АНВ Н. Бражникова [51-54, 359] и жидко-сыпучей средой при распространении НПВ в стенке гидроемкости [56, 73, 321, 360].

лены на наружной поверхности стенки мерного резервуара 20 с дозируемой жидкостью 21. Принцип действия УЗ-датчика дозатора заключается в следую­ щем. На И 1 подаются с выходной секции 20 автотрансформатора 2 ЭИ, под воздействием которых Сформирует импульсы нормальной волны УЗ-колеба- ний в стенке резервуара 20, распространяющиеся в ней по горизонтали к П 18. Последний преобразует поступившие в него импульсы нормальной волны в ЭИ УЗ-частоты. Эти сигналы поступают затем в усилительно-преобразова­ тельный блок 19, который из них формирует выходной сигнал 22, если ампли­ тудный уровень сигнала превышает опорный сигнал. Его амплитуда установ­ лена так, чтобы он исключал формирование выходного сигнала при уменьше­ нии амплитуды волны по стенке под воздействием жидкости 27, уровень кото­ рой сравнивается с уровнем зоны распространения волны.

В процессе дозирования из-за воздействия дозируемых сред на стенку ре­ зервуара 20, толщина ее уменьшается, в результате чего скорость распростра­ нения нормальной волны са в стенке может измениться, если частота вводи­ мых УЗ-колебаний постоянна. Это изменение приводит к нарушению равен­ ства между сн в стенке и скоростью следа наклонно падающей волны в И 1. Нарушение же этого равенства приводит к изменению интенсивности возбуж­ дения нормальной волны в стенке и к уменьшению амплитуды сигнала на П 18, что снижает точность управления дозированием.

Ослабление отрицательного эффекта в дозировании достигается тем, что И 1 нормальной акустической волны, выполненный по схеме клинового ПП (т.е. в виде преломляющей пластмассовой или жидкостной призмы) с демпфиро­ ванным ПЭ, возбуждают униполярными видео-импульсами, имеющими дли­ тельность, равную полупериоду резонансных колебаний ПЭ в И 1. Частоту ПЭ выбирают такой величины, чтобы произведение ее на Min. и шах. толщины стенки соответствовали скоростям нормальной волны в стенке, полусумма которых равна скорости следа излученной волны в клине ПП.

Формирование видеоимпульсов электрического напряжения с такой длитель­ ностью и периодом, на порядок превышающим время прохождения нормаль­ ной волны по стенке резервуара между И и Я, осуществляется блокинг-гене- ратором (БГ) 12. Период видеоимпульсов определяется постоянной времени в цепи базовой обмотки 23 БГ, зависящей от произведения номиналов резисто­ ра 24 и конденсатора 25. Резистор 26 в эмитгерной цепи служит для стабили­ зации периода генерации импульсов. Например, для УЗ-частоты 500 кГц, ко­ торую целесообразно использовать при толщине стенки резервуара 20 от 4 до 6 мм, длительность видеоимпульса устанавливается равной 0,5 мкс.

С нагрузочной обмотки 14 видеоимпульсы БГ поступают в Ат 3. С аналого­ вого плеча Ат(движка потенциометра) импульсы подаются на базу транзисто­ ра 16 эмиттерного ключа 15. С повышающей секции 27 импульсного транс­ форматора 2, включенного в нагрузочную цепь ключа, мощные ЭИ идут в И 1,

вызывая его широкоспектральное возбуждение. В результате через призму Я в стенку вводится спектр УЗ-колебаний с составляющими, приблизительно сим­ метрично смещенными ниже и выше частоты собственного резонанса ПЭ Я. Благодаря этому при изменении толщины стенки в отдельном диапазоне, на­ пример на 20-30 %, соблюдаются условия возбуждения нормальной волны со скоростью, близкой к скорости следа падающей волны, что, в свою очередь, значительно уменьшает изменения интенсивности нормальной волны в стен­ ке. Выполнение П 18 аналогичным Я 1 способствует уменьшению изменений интенсивности амплитуды принятого сигнала.

Для дальнейшего повышения точности управления дозированием настрой­ ка аналогового плеча Ат производится при отсутствии жидкости на сигнали­ зируемом уровне при разомкнутых контактах выключателя 8 по моменту про­ падания выходного сигнала 22. При такой настройкевеличина сопротивления в группе резисторов 4-6 дискретного плеча Атустанавливается в обратно про­ порциональной зависимости номинальной толщине стенки резервуара и та­ ким образом, чтобы пропадание сигнала 22 происходило в момент пересече­ ния поверхностью жидкости горизонтальной поверхности, проходящей через линию, соединяющую центр И 1 иП 18 нормальной волны.

7.2.2. Двухволновый ультразвуковой датчик дозирования жидко-сыпучих сред

Автоматизация управления трубчатыми питателями в гидрозакладочных ком­ плексах требует создания надежных и эффективных средств бесконтактного измерения границ раздела сред: воздух - вода, вода - твердая фаза (сыпучий материал). При малых поперечных сечениях дозировочных емкостей приме­ нимы радиоизотопные устройства. Эти приборы компактны и при возможно­ сти отвода контролируемой жидкой среды по вертикальной сообщающейся трубке в них применяют источники малой активности, которые позволяют уп­ ростить защиту персонала от облучения. Однако для трубчатых питателей от­ вод неоднородной среды по сообщающейся трубке практически исключен. Вследствие этого оправданным является применение других, безопасных для персонала методов.

Функциональная схема УЗ-датчика дозирования жидко-сыпучих сред [321, 360] приведена на рис. 7.4, а диаграммы электрических напряжений ее блоков

— на рис. 7.5. Акустические тракты датчика находятся в зоне раздела трех сред: воздух - вода, вода - твердая фаза (сыпучий материал) (рис. 7.4) и пре­ дусматривают образование локального УЗ-поля в трубопроводе питателя на дозируемом уроне Н0. При этом поток КС перемещается по вертикали в труб­ чатом питателе и пересекает УЗ-поле, изменяя его параметры.

22

Рис. 7.4. Функциональная схема двухволнового УЗ-датчика дозирования жидко-сыпучих сред

Датчик дозатора представляет собой систему, которая содержит общий ПЭИ 1 с преломляющим ЗП 2, размещенным на стенке 3 трубопровода питателя, в который поступает среда из технологической емкости. С этой же стороны стен­ ки на фиксированном расстоянии установлен 1-й ПЭП 4 на преломляющем ЗП 5 ,2-й ПЭП 6 — на преломляющем ЗП 7 на противоположной стороне стенки 8 трубопровода. С выходом электрического генератора 9 соединен И, а Я 4 и 6 подключены к усилительно-преобразовательным блокам 10 и 77, выходы ко­ торых соединены с входами диагностического блока 12. Усилительно-преоб­ разовательный блок 10 состоит из последовательно включенных: каскада вре­ менной задержки 13, формирователя стробимпульсов 14, селекторного усили­ теля 15 и блока формирования 16. Аналогично выполнен блок 77, имеющий каскад задержки 77, формирователь стробимпульсов 18,селекторный усили­ тель 19 и блок формирования 20. В процессе дозирования граница раздела жидкости 21 и твердой фазы 22, как и граница «жидкость 27 - воздух 23» и, соответственно их уровни Яжи Я , могут перемещаться по вертикали.

Принцип действия датчика заключается в следующем. ЭИ24 (рис. 7.5) гене­ ратора 9 возбуждает Д который посылает УЗ-импульс 25 продольной УЗ-вол- ны в ЗП 2. В стенке 3 импульс 25 испытывает преломление [72-73], превраще­ ние в импульс поперечных колебаний, и в виде многократных отражений рас-