книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

нелинейной АФХ), а при уходе за пределы измерений меняется также и знак показаний. В частности, если в результате изменения скорости УЗ начальная рабочая точка сместится в точку пп (п = 0, ±1, ±2,...), то разность фазометри­ ческих показаний в двух смежных тактах обращается в нуль при любой скоро­ сти потока V. Таким образом, прибор фактически выходит из строя. Поэтому должно выполнятся следующее неравенство:

где Асрс — изменение фазы принятого сигнала, вызываемое температурными, либо концентрационными изменениями скорости УЗ, a Acpv — разность фаз принятых сигналов.

Нетрудно показать, что с целью обеспечения этого условия выбор рабочего диапазона разности фаз должен удовлетворять неравенству

где 0 — острый угол между направлением распространения УЗ-волны и ско­ рости потока. Метод применим в условиях стабильности скорости УЗ.

4.3.2. Методы с прямым измерением разности фаз

Прямое измерение разности фаз пакетов УЗ-колебаний, прошедших по по­ току в одном из тактов коммутации излучения и против потока в смежном такте коммутации осуществимо двумя методами: 1) задержка на такт комму­ тации принятого пакета по потоку; 2) сфазирования принятым пакетом опор­ ного напряжения из задающего генератора .Гс последующим измерением раз­ ности фаз задержанного (или сфазированного) сигнала и принятого сигнала УЗ-пакета, прошедшего против потока в смежном такте.

1. Метод акустической задержки на такт коммутации. Метод акустичес­ кой задержки, как и бескоммутационные одноканальные бесконтактные ме­ тоды (см. п. 4.4), были спроектированы и экспериментально опробованы Н. Бражниковым в 1958 г. на базе прибора РУЗ-714 [11, 12, 205] в качестве его одноканальной модификации. Схема реализации метода задержки в 1959 г. в расходомере УЗР-2 [213, 256-257] и импульсные диаграммы блоков расходо­ мера приведены на рис. 4.25 и 4.26.

Жидкостные звукопроводы (ЖЗ) 1 и 2 отделены от гидропотока втулкой 3 из температуростойкого органического стекла марки 2-55, герметично установ­ ленной в стальном корпусе 4 с фланцами. Возбуждающее напряжение с часто­ той УЗ-колебаний 2,5 МГц поступает из генератора Г на #1 и П2 через модуля­ торы Ml и М2, управляемые коммутирующим устройством КУ. Этот Г выпол­ нен с кварцевой стабилизацией частоты F = 772 напряжения синхронизации

Рис. 4.25. Схема одноканального УЗ-расходомера с попеременной электронной коммутацией и пря­ мым измерением разности фаз сигналов при использовании блока задержки принятого УЗ-пакета на такт коммутации

(рис. 4.26, а), из которого в КУ формируется равнотактные импульсы комму­ тации 5, 6 (рис. 4.26 б, в) длительностью Т В результате этого на выходах Ml и М2 из напряжения Г формируются возбуждающие пакеты синусоидального напряжения (рис. 4.26, д, е). В одном из тактов коммутации (первом на рис. 4.26, ж) ПП Я1, возбуждаемый напряжением Vn , излучает пакет УЗ-колеба- ний длительностью Т в ЖЗ 1 под углом а относительно нормали к оси гидро­ потока. После двойного преломления на поверхностях втулки 3 АПР УЗ-пакет проходит через поток и противоположную стенку втулки в ЖЗ 2 ПП П2 под углом сх. Пакет по потоку на П2 через интервал времени т+и с момента начала излучения Я Я Я 1, преобразуется в пакет электрических колебаний с напряже­ нием V2(рис. 4.26, з), поступающий на вход блока задержки БЗ.

В блоке БЗ, открытом на время излучения Я1 и управляемом импульсом 5 (рис. 4.26, б) открытия M l, принятый сигнал V2селектируется от возбуждаю­ щего пакета Vn (рис. 4.26, з) и задерживается на время, равное полупериоду Т коммутации. Задержанный селектированный импульс (рис. 4.26, и) поступает на 2-ой вход ФМв такте излучения П2 (второй на рис. 4.26, з) с амплитудой VH. В этом такте на 1-й вход ФМчерез ФР поступает сигнал ППП1 с амплитудой

г

W W W W W W W W W

Рис. 4.26. Электрические диаграммы сигналов блоков пакетно-фазового расходомера с коммутацией направления излучения и тактовой задержкой пакета, прошедшего по потоку

Vx(рис. 4.26, ж), преобразованный из УЗ-сигнала, прошедшего против потока от ППП2 (излучающего в ЖЗ 2) с временем т_и. В итоге, на входы ФМ(с ФД, выполненным по схеме ФМРУЗ-714, с характеристикой, показанной рис. 4.27, б) поступают (рис. 4.26 и, к) два сигнала, имеющие амплитуду VHn разность фаз

Рис. 4.27. Амплитуцно-фазовые характеристики фазометров по суммовекторной (а) и суммо-разно­ стной (б) схемам

где фз, срфр— фазовые сдвиги БЗ и ФР.

В ФМ до входов ФД сигналы нормируются до амплитуды Vw причем Vlсе­ лектируется от Vn (рис. 4.26, к). Фазовый сдвиг фз + ффр регулируют посред­ ством ФР до величины к и фазометр на выходе выдает напряжения: -2VHпри 1> = 0 и +2VHпри предельном значении v. Выходной сигнал ФМ, поступает в РП, на который подается компенсирующее напряжение +2VHиз PH.

Испытания экспериментального образца прибора показали его устойчивую работу при Г реды = const, в которой находится ЭБ. При несоблюдении этого условия дрейф нуля довольно значителен. Рабочий диапазон составляет около 0,9л. Поэтому для снижения этой составляющей погрешности измерений (есть и другие компоненты) до 0,5 %, требуется изменение длительности задержки <0,0002 %. В расходомере в качестве материала звукопровода акустической задержки в БЗ на время Псз было использовано армкожелезо, скорость про­ дольной УЗ-волны в которой по данным Н. Бражникова при температуре 20 °С равна 5950,46 м/с, а относительное температурное изменение скорости не пре­ вышает 0,01° на 1 °С. Обычное термостатирование звукопровода в БЗ обес­ печивает требуемую стабильность задержки.

2. Метод сфазирования опорного напряжения с тактовы м сигналом. Данный метод разработан Г. Биргером и Н. Бражниковым в 1960 г. [238,256] и является модификацией вышеописанного метода акустической задержки, от­ личаясь применение АПР из прибора РУЗ-282 [201, 257] и заменой твердого звукопровода в БЗ на жидкостной с плавно регулируемой его длиной для сфа­ зирования опорного напряжения, поступающего из генератора, с тактовым сигналом, прошедшим через АПР по потоку.

Блок-схема расходомера по методу сфазирования, в котором АПР имеет одну преломляющую поверхность между ПП и гидропотоком, и импульсные диаг­ раммы его блоков даны на рис. 4.28 и 4.29.

Звукопроводы 7 и 2 ППП1 и П2 выполнены из теплостойкого органического стекла марки 2-55 и своей преломляющей поверхностью обработаны заподли­ цо с внутренней поверхностью трубопроводной фланцевой вставки 3. Функ-

результирующие напряжение Кдст на верхнем смесителе максимально, а на ниж­ нем — равно нулю. При этом потенциал в точке выхода отрицателен относи­ тельно нулевой схемы ФД.

Если фазы пакетов сдвинуты на п, то на верхнем смесителе сдвиг фаз равен +7С, а на нижнем — нулю. Тогда на нижнем контуре Кдст= 0, а на верхнем мак­ симально. Потенциал в точке выхода (в точке съема выходного напряжения) становится положительным.

Если фазы пакетов сдвинуты на п/2, то на нижнем контуре сдвиг фазы равен +п/2, а на верхнем будет -п/2. Результирующие напряжение на обоих смесите­ лях одинаково, потенциал точки входа равен нулю. Выходное напряжение ФД и, соответственно ФМС, положительны, если сдвиг фазы >п/2 и отрицатель­ но, если <п/2. В итоге, выходной сигнал ФМС меняет полярность в зависимо­ сти от знака разбаланса фаз на выходах ФМС, откуда сигнал поступает на БРФ, где фазы напряжения на выходе БРФ регулируются до тех пор, пока сдвиг фазы не установится равным п/2.

БРФ. Устройство регулировки фазы БРФ состоит из усилителя мощности УМ, реверсивного двигателя РДи жидкостной акустической линии АЛ— кон­ струкции из двух ПЭ, неподвижного ИП и подвижного ЯЯ, расстояние между которым регулируется с помощью реверсивного двигателя РД, и редуктора. При этом меняется время распространения УЗ-волны от ИП к ЯЯ и соответ­ ственно фазы волны на Я Я относительно ИП. ПЭ служат пластины из титаната бария диаметром 10 мм с рабочей частотой 2,5 МГг/. При подаче от Яна ИП напряжения 1 В ВЧ-напряжение на ЯЯ составляет около 0,1 В. В качестве ис­ полнительного механизма, управляющего АЛ, используют однофазный ревер­ сивный асинхронный двигатель конденсаторного типа РД-09. При изменение полярности сигнала разбаланса ФД1 точки в обмотках двигателя меняют сдвиг фаз с п/2 на -п/2 и соответственно меняется направление вращения ротора. Чувствительность РД, соответствующая моменту трогания при нагрузке на.АЛ, составляет -0,01 рад разбаланса фаз на входах ФД в ФМИ.

С выхода БРФ сфазированное напряжение (рис 4.29, л), имеющее фазовый сдвиг п/2 относительно напряжения Vr на П2, поступает в ФР, где создается дополнительный сдвиг фазы на п/2 и с его входа опорное напряжение, имею­ щее относительно Vrсдвиг фазы р, поступает на 2-й вход ФМИ. Посредством коммутирующего импульса 6 в ФМС производится: селекция принятого паке­ та П1 с временем распространения x_v(рис. 4.29, м), от возбуждающего напря­ жения Vn (рис. 4.29, эю) и формирование пакета сфазированного напряжения (рис. 4.29, н). Сформированный и селектированный пакеты нормируются до постоянной амплитуды VHи поступает в имеющийся в ФМИ ФД, аналогич­

При скорости потока, равной нулю, Дф = к и выходное напряжение ФМИ равно -2УК При скорости потока, соответствующей верхнему пределу изме­ рения расхода жидкости, Дф = 2л: и выходное напряжение ФМИ равно +2КЯ. Для того, чтобы неподвижной жидкости соответствовал нуль РП, соединенно­ го с выходом ФМИ, на РП из регулятора нуля PH поступает компенсирующее напряжение постоянного тока, равное +2КЯ.

4.4. Бескоммутационные одноканальные фазовые методы

Бескоммутационный одноканальный фазовый контроль скорости потока и расхода различных сред осуществим при одновременном встречном УЗ-излу- чении: двухчастотных непрерывных колебаний методом Р. Фишбахера - Н. Бражникова, В. Колмакова [7, 20, 258];синхроннофазовых полунепрерывных колебаний и импульсно-фазовыми методами Н. Бражникова [11-14, 205, 211].

4.4.1. Двухчастотный одноканальный фазовый метод

Одноканальный фазовый контроль расхода без коммутации можно осуще­ ствить путем встречной посылки непрерывных разночастотных УЗ-колебаний с последующим определением разности фаз принятых сигналов. Впервые та­ кую идею выдвинул в 1960 г. Р. Фишбахер, ее реализовали Н. Бражников и В. Колмаков в 1967 г. в УЗ-расходомере по схеме рис. 4.30.

Генератор 71 непрерывными электрическими колебаниями возбуждает ПП П1 на его основной частоте полуволнового резонанса 0,5 МГц. УЗ-колебания этой частоты распространяются в контролируемой жидкости по потоку и по­ ступают на ПП П2, который излучает колебания на 3-й высшей гармонике. Электрическое напряжение частоты 1,5 МГц поступает на него с генератора 71 через умножитель частоты УЧ2 и мощный усилитель МУ. УЗ-колебания частоты 1,5 МГц распространяются в контролируемой жидкости и поступают на 7777Я7, который преобразует их в электрические колебания частоты 1,5 МГц. Принятые колебания на ПП П1 сдвинуты по фазе относительно генератора 71 на величину:

где та — время распространения волны в акустическом преобразователе при неподвижной жидкости, а Ат/2 — приращение времени распространения УЗволны, вызванное движением жидкости.

Напряжение принятых колебаний на ПП П2 сдвинуто по фазе относительно возбуждающего напряжения МУ на величину

Рис. 4.30. Схема бесконтактного одноканального бескоммутационого двухчастотного УЗ-расходомера

С помощью фильтров Ф1 и Ф2 принятые сигналы отделяются от возбужда­ ющих напряжений.

Принятый сигнал частоты 0,5 МГц поступает через умножитель частоты УЧ\ на один вход фазометра ФМ, а принятый сигнал частоты 1,5 МГц через фазов­ ращатель ФВ попадает на другой вход фазометра ФМ Так как параметры ум­ ножителей частоты УЧ\ и УЧ2 достаточно близки, то частоты принятых сиг­ налов, поступающих на фазометр ФМ, совпадают.

Показания фазометра ФМ, согласно (4.27) и (4.28), пропорциональны сдви­ гу фаз Лф = ЗтгДтЮ6 и, соответственно, скорости потока v и расходу жидкости.

4.4.2. Синхронно-фазовые одноканальные методы

1. Расходомеры с одно- и двукратным просвечиванием потоков. При раз­ работке бесконтактного расходомера РУЗ-714 были исследованы его однока­ нальные модификации в 1958 г. [11,12]: РУЗ-714-1 с однократным и РУЗ-714- 1Э с двукратным (в эхо-режиме) УЗ-просвечиванием контролируемого гид­ ропотока.