книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

Рис. 4.2. Акустический канал контактныхугловыхизмерительныхпреобразователей: а —с карманами в стенке трубопровода; б — с выступающими внутрь трубопровода стержневыми звукопроводами

трубопровода — на рис. 4.1, б. Схема распространения волны в канале контак­ тного углового АПР с излучателем И и приемником Я с протекторами 1 и 2, утопленными в карманах 3 и 4, показана на рис. 4.2, а; с Я и Я , установленны­ ми на выступающих внутрь трубопровода, стержневых ЗП 4 и 5, приведена на рис. 4.2, б.

Схемы бесконтактного АПР Н.И. Бражникова и указанного выше полубесконтактного АПР рассмотрены ниже в подразделе 4.1.2.

Во многих производствах контролируемая среда химически агрессивна и находится под высоким давлением, что исключает механический контакт с ней снабженных протекторами ЯЯили ввод УЗ-колебаний в среду через «врезны» звукопроводы, устанавливаемые в отверстиях в стенке трубопровода. Это предопределяет преимущественность применения бесконтактных АПР [12, 207-211].

4.1. Акустико-гидродинамические свойства бесконтактно просвечиваемого потока

4.1.1 Акустико-гидродинамические свойства потока

В УЗ-расходомерах успешно применены бесконтактные угловые АПР с п преломляющими поверхностями раздела сред между Я Я и потоком. При этом центральной частью АПР является трубопровод с контролируемым гидропо­ током (рис. 4.3). Анализ таких систем целесообразно вести на основе пред­ ставлений лучевой акустики, приняв также допущения о том, что прием УЗколебаний производится в ближней зоне излучателя.

В АПР точки входа центрального УЗ-луча в поток и выхода из него обозна­ чены, соответственно через п и n + 1. Поступающий на Я Я луч, характеризу-

ется полным временем распространения т, расстоянием г2и+1 точки пересече­ ния лучом плоскости ПП до его центра и углом ос2;|+1 между лучом и осью /7/7.

Эти параметры всех совокупности лучей определяют интегральную фазу электрического сигнала приемника.

Аналитические выражения Н. Бражникова для параметров АПР с п цилинд­ рическими преломляющими поверхностями приведены в [6, 207, 212]. Ско­ рость потока ир в точке у, отстоящей на расстоянии р от оси трубопровода радиусом RTдля турбулентной области потока и большей части ламинарного подслоя может быть записана в виде выражения

где 0 Г— коэффициент сопротивления трубопровода; х — средняя скорость потока.

На рис. 4.3 показан профиль скоростей потока и схематичное распростране­ ние центрального УЗ-луча при 0 Г= 0,03. Скорость потока ир резко падает до нуля вблизи поверхности трубопровода и достигает максимума на его оси.

Прямолинейная траектория луча между точками п и n + 1 соответствует рас­ пространению в неподвижной жидкости, а криволинейная — между точками

где 2п — точка выхода луча из внешней поверхности АПР\ 2n + 1 — точка поступления луча на приемный ПИ, а 2л+1 = Да — угол между принимаемым лучом и осью приемного 7777 (при отсутствии асимметрии в АПР для цент­ рального и субцентральных лучей равен нулю).

На основании изложенного, с учетом

cosPy = [1- (z0p-'ctga0tgP„)2f 5cosP„,

из интегрирования (4.4) можно получить формулу Н. Бражникова [7,210,212] для времени распространения луча АПР:

Здесь ВаГ— акустико-гидродинамический коэффициент; т — время распро­ странения УЗ-волны в АПР при неподвижной жидкости.

Средняя скорость потока V, объемный расход Q (м3/ч) и радиус RT(м) внут­ ренней поверхности трубопровода связаны соотношением:

В соответствии с (4.5) и (4.10) основные уравнения УЗ-расходомера будут иметь вид:

4.1.2. Основные схемы бесконтактных АПР

Как отмечено во вводной части гл.4, в сравнении с контактными осевыми и угловыми акустическими преобразователями, полубесконтактные и бескон­ тактные АПР имеют ряд существенных преимуществ. К их числу относятся ненарушение потока в зоне измерений, что исключает зарастание коленных изгибов трубопровода (рис. 4.1, б), уступов и выступов на его внутренней по­ верхности (рис. 4.2), что присуще контактным АПР.

Схемы каналов полубесконтактных АПР показаны на рис. 4.4 и 4.5. В угло­ вом АПР с одной преломляющей поверхностью (рис. 4.4) между ПП1 (или 2)

Рис. 4.4. Распространение центрального акус­ тического луча в канале полубесконтактных измерительных преобразователей с одной пре­ ломляющей поверхностью

и контролируемым гидропотоком 3 [203,204] размещен (рис. 4.4) стержневой ЗП 4 или (5), который с обеспечением герметизации под требуемым углом зак­ реплен («врезан») в трубопроводе 6 (или трубчатой вставке того же диаметра, что и трубопровод) через отверстие в его стенке.

На внешней торцевой поверхности ЗП с обеспечением акустического кон­ такта закреплен излучатель 1 (или приемник 2). Преломляющая поверхность ЗП с высокой степенью чистоты обработана заподлицо с внутренней поверх­ ностью трубопровода (или трубчатой вставки). В гидропотоке УЗ-волна начи­ нает свое распространение под углом р, определяемым выражением:

где с, сз— скорости УЗ-волны, соответственно в жидкости 3 и ЗП; а — угол наклона ЗП относительно нормали к оси трубопровода.

Вугловом полубесконтактном АПР с двумя преломляющими поверхностя­ ми [213,215] между излучателем 1 (или приемником 2) и гидропотоком 3 (рис. 4.5) размещены: внешний звукопровод 4 (или 5) и герметично вмонтирован­ ная в стенку трубопровода 6 звукопроводная мембрана 7 (или 8).

Аналогично вмонтирование мембран и в случае использования трубчатой вставки на фланцах в разрез трубопровода. Поверхность мембран, гранича­ щей с гидропотоком чисто обрабатывается заподлицо с внутренней поверхно­ стью трубопровода 6 (или вставки). В поток УЗ-волна начинает распростране­ ние под углом, определяемым (4.14).

Вкачестве внешних ЗП применяют жидкую (рис. 4.5, а) или твердую (рис. 4.5, 6) среды.

Схема полностью бесконтактного углового АПР Н. Бражникова [11,12,211— 217] приведена на рис. 4.6. Она отличается от схем на рис. 4.5 отсутствием мембран и в поток 3 волна вводится непосредственно через стенку трубопро­ вода 4 под углом в, также определяемым (4.14). Внешняя преломляющая по­ верхность может выполняться цилиндрической формы или плоской (по ши­ рине, близкой к диаметру ПП).

Рис. 4.5. Канал полубесконтактных акустических преобразователей с двумя преломляющими повер­ хностями и звукопроводными мембранами в стенках трубопровода при угле излучения, большем первого критического с жидкостными (а) и твердыми (б) звукопроводами

Рис. 4.6. Канал бесконтактного акустического измери­ тельного преобразователя с двумя преломляющими по­ верхностями и жидкостными внешними волноводами при угле излучения, большем первого критического

4.2. Двухканальные фазовые методы

В двухканальных методах используются различные способы построения двух акустических каналов АПР, в одном из которых распространение УЗ-волны происходит по потоку, а в другом — против потока.

На рис. 4.7, а схематично показано параллельное размещение двух акусти­ ческих каналов АПР осевого (рис. 4.1) и погружного типа, а на рис. 4.7, б — их последовательное размещение. Для этих же модификаций на рис. 4.7, в, г по­ казаны две схемы расположения двух каналов. По первой из схем общий И излучает УЗ-колебания в обе стороны по потоку и против потока, а приемники Я, и П2 принимают их. По второй схеме, наоборот, два излучателя Их и И2 излучают сдвинутые по фазе на к УЗ-колебания навстречу друг другу к обще­ му приемнику Я.

Рис. 4.7. Способы построения двухканальных осевых акустических измерительных преобразовате­ лей с размещением каналов: а — параллельным; 6 — последовательным; в — последовательным с общим И; г — последовательным с общим Я

Этот Я одновременно является и ФЯ-узлом, так как суммарное напряжение принятых сигналов па нем пропорционально разности фаз сигналов, поступа­ ющих на Я.

Времена распространения УЗ-колебаний по потоку ф+х и против потока фхи разность фаз Дц при симметричных каналах АПР осевого и погружного типа определяются выражениями:

где / — акустическая база; с — скорость УЗ в контролируемой среде; т^ — время распространения ультразвука в протекторах Я Э ;/— частота УЗ-колеба- ний.

Как видно из выражения (4.16), измерениям скорости потока и соответственно расхода жидкостей при использовании АПР погружного и осевого типа соот­ ветствует квадратичная температурная зависимость от скорости УЗ в контро­ лируемой жидкости.

На рис. 4.8, а и б схематично показаны параллельные и перекрестное разме­ щения угловых акустических каналов в двухканальном АПР. При параллель­ ном размещении акустических каналов более легко выполняется симметрич­ ность их построения. Но значительные затруднения вызывает акустическая изоляция каналов. Трудности объясняются тем, что при таком построении пре­ образователя излучатель одного канала располагается рядом с приемником второго канала.

няется по потоку, а в другом — против потока. Разность фаз принятых звуко­ вых колебаний пропорциональна скорости потока и измеряется фазометром

ФМ.

Аналогичное устройство в 1939 г. предложил Дж. Вольф [191] для измере­ ния скорости воздушных потоков. На звуковых частотах осуществлено также устройство, запатентованное в 1941 г. Н. Кафарелли [218]. В одном из предло­ женных им вариантов применен компенсационный способ измерения разно­ сти фаз путем перемещения одного из приемников или излучателя до совпаде­ ния фаз принятых сигналов. Величина перемещения пропорциональна изме­ ряемой скорости потока.

Рассмотренные двухканальные АПР погружного типа с ПП звукового диапа­ зона для фазовых схем имеют существенные недостатки: значительные разме­ ры И иП , необходимость большой базы для получения равномерного потока между излучателем и приемниками, невозможность измерения потока жидко­ стей в трубопроводах. Вследствие этих недостатков схемы на звуковых часто­ тах практического применения не получили.

На УЗ-частотахдвухканальную фазовую схему впервые предложил в 1949 г. Д. Спроуль, в устройстве которого [189] предусмотрено использование двух раздельных акустических каналов, в каждом из которых имеются И иП . Про­ мышленного применения это устройство не получило.

Одна из основных проблем, которую надлежало решить при контроле пото­ ков в трубопроводах, — ввод УЗ в контролируемую среду и соответственно размещение излучающих и приемных ПЭ. Другие трудности возникли при разработке фазометрических устройств автоматического действия. В частно­ сти, необходимо было исключить зависимость показаний фазометра от значи­ тельных колебаний амплитуды принятых сигналов, имеющих место при конт­ роле потоков в промышленных технологических производствах.

Эти затруднения в одинаковой мере относятся также к фазовым одноканаль­ ным методам и импульсно-фазовым методам.

Попытку обойтись без электронного ФЧУпредпринял У. Велковитц в 1960 г. [219]. В его схеме, приведенной на рис. 4.10, ФЧ-элементом является общий приемный пьезоэлемент Я, на который по потоку и против поступают УЗ-ко- лебания от излучающих пьезоэлементов И\ и И2.

На излучающие ПЭ возбуждающее электрическое напряжение поступает от одного и того же генератора Г, но со сдвигом фаз на р, получаемым с помощью фазовращательного каскада ФВ. При установке излучателей под одним и тем же углом б к оси приемника Я на одинаковых от него расстояниях и равенстве амплитуд напряжения принятых сигналов Vnp суммарное напряжение Vc на