книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

трубопровода 3 с контролируемой жидкостью 4), покрытыми звукопоглощаю­ щим слоем 5, и генератором селектирующих импульсов ГСИ с соединенными с ним модуляторами Ml и М2.

Электрические диаграммы узлов расходомера РУЗ-714-1 приведены на рис. 4.32. Принцип действия и работа отдельных узлов расходомера заключа­ ется в следующем.

Генератор /"вырабатывает прямоугольные положительные импульсы 6 дли­ тельностью Т с периодом 2Т (рис. 4.32, б) для управления модуляторами Ml, М2 и импульсом 7 длительностью Тс (рис. 4.32, а) для управления селектор­ ными усилителями У1, У2. Между импульсами Т и Тсимеется промежуток времени, который необходим для того, чтобы свободные колебания демпфи­ рованных преобразователей (после снятия возбуждающего напряжения) за­ кончились к моменту открытия У1 и У2 импульсом Тс Модуляторы одновре-

менно формируют прямоугольные пакеты длительностью Т (см. рис. 4.32, г) из непрерывных высокочастотных колебаний частоты/ = 1МГц (см. рис. 4.32, в) генератора Г. Эти пакеты поступают соответственно на/777771 и П2, излуча­ ющие УЗ-колебания в звукопроводы 7 и 2 под углом а = к/4 относительно нормали к стенке фарфорового трубопровода.

После распространения через контролируемую жидкость под углом р, стен­ ку и звукопровод 2 пакет УЗ-колебаний с Л 1 через промежуток времени т+1) поступает на П2 (рис. 4.32, е) с амплитудой У2, а на П1 пакет с /72 поступает через промежуток времени т и(рис. 4.32, д) с амплитудой Уг Длительность пакетов Т, возбуждающих П1 и П2, выбрана меньшей min времени распрост­ ранения т+иУЗ через преобразователь, чтобы излучение, продолжающееся в течение ^ (р и с . 4.32, д, е) после окончания возбуждающего пакета Vr прекра­ тилось к моменту поступления принятого Уг Для этого должно быть выпол­ нено условие: Т + тзф < т+и. Разность Дер фаз принятых пакетов У{и У2, равная Infix_v- т+и), определяется формулой (4.12).

Принятые пакеты ЭК отделяются селекторными усилителями У1 и У2 от возбуждающих напряжений УГ] и Vn и посредством схем АРУ преобразуются в пакеты стабильной нормированной амплитуды VH(рис. 4.32, ж). Информа­ тивный пакет У2 с фазой ср+и поступает непосредственно на 2-й вход ФМ с небалансным ФД амплитудно-фазовая характеристика которого приведена на рис. 4.27, б. Информативный пакет У1 на выходе усилителя инверсируется по знаку и с фазой ф v + п поступает в ФР, с выходов которого подается на 1-й вход ФМ В среднем положении ФР имеет Дфф = 0, при v = 0 разность фаз на входе ФМ Афф = п и, согласно рис. 4.27, а, выходной сигнал ФМ равен нулю. Для движущейся жидкости (4 % раствора НС1 в диапазоне скоростей потока V= 0-5 м/с) Дфф находится в пределах к - (1,28л) рад.

Напряжение УДна выходе ФДдля информативных пакетов имеет зависимость амплитуды П-образной огибающей вектора суммируемых в ФД пакетов от сдвига фаз Дф в виде: Уд= 2VHs\n(Ayl2).

При недостаточном, но одинаковом демпфировании П\ и Я2, величины вре­ мен тзф спада помеховых колебаний будут одинаковыми и, вследствие инвер­ сии помехи с П2 на выходе У1, взаимно компенсируются на фазосмеситель­ ном элементе ФД. Поэтому при эксплуатации расходомера необходима уста­ новка ПП на трубопроводе с одинаковыми значениями тзф.

По (4.12), изменение скорости с в контролируемой жидкости вызывает про­ порциональные изменения времени прохождения через тж и Дф. Благодаря тому, что при этом происходит обратно направленное изменение тж (рис. 4.32, ж, з), то в произведении Удтж изменения Дфси Дтж могут быть взаимно скомпенсиро­ ваны. С этой целью в РП измеряется не Уд, а средний ток последовательности П-образной огибающей детектированных пакетов:

(4.29)

где кд— константа.

Регулятор нуля PH служит для настройки показаний РП на нуль при v = 0. При монтаже П1 и П2 на трубопроводе 3 (см. рис. 4.31, а) установочное расстояние L (по оси трубопровода) между точками выхода излученных цент­

ральных лучей из звукопроводов 1 и 2 определяется выражением:

Бесконтактный одноканальный синхронно-фазовый расходомер был ис­ следован также в короткопакетном и импульсном режимах: время излучения Т < 0,1ти, задержка Т импульса 7 равна минимуму ти, Тс= 25 мкс при периоде следования 2Т возбуждающих коротких пакетов (импульсов), превышающем 1000 мкс. В импульсном режиме вместо фазометра и фазорегулятора исполь­ зовались измеритель коротких временных интервалов и блок регулируемой временной задержки. Были установлены практическое отсутствие смазыва­ ния переднего фронта информативных сигналов 11 и 12 (рис. 4.32, д, е) много­ кратными отражениями между П1 и П 2 и приемлемая чувствительность конт­ роля скорости потока и расхода жидкостей.

Контактный экспериментальный синхронно-фазовый расходомер М. Швайгера [259], как и РУЗ-714-1, основан на одновременном встречном излучении полунепрерывных колебаний и непосредственном сравнении фаз колебаний, распространяющихся по потоку и против него. В подобных схемах длитель­ ность полунепрерывного излучения ограничивается временем распростране­ ния УЗ-колебаний между Я/7-ми осевого АПР, что обусловливает большие трудности при разработке электронной измерительной схемы, вызванные по­ явлением значительных реверберационных погрешностей, особенно при ма­ лых диаметрах трубопроводов. Для преодоления этих трудностей автор пред­ ложил преобразователь с большой базой измерений (750 мм), представляю-

щей собой цилиндрическую полость с наглухо закрытыми торцами — основа­ ниями цилиндра 1 (рис.4.31,6). На этих основаниях снаружи устанавливают ЯЯ-ли П1 и Я2. Ввод и вывод КС производят через боковые штуцеры.

Очевидно, что такой тип АПР не может быть использован в промышленных условиях для измерения расхода загрязненных жидкостей и пульп из-за нали­ чия колен и карманов. Кроме того, его технические характеристики, вслед­ ствие пакетной реверберации, неудовлетворительны, что ставит под сомнение возможность его использования и для чистых жидкостей.

В бесконтактном синхронно-фазовом расходомере РУЗ-714-1Э излучен­ ный ЯЯ, например Я1, УЗ-пакет через контролируемый поток 4 (рис. 4.31, б) проходит дважды: от ввода из стенки трубопровода 3 в поток под углом |3 до противоположной поверхности трубопровода и после отражения от нее под углом Р через поток к другому ЯЯ, например Я2. Через интервал времени т+и после излучения принятый УЗ-эхопакет (прошедший по потоку) Я Я П2 пре­ образуется в пакет электрических колебаний 12 с напряжением V2 (рис. 4.32,

е ) .

Аналогично Я1 выдает эхо-пакетный сигнал 11 через время T+v(с начала из­ лучения) с напряжением Vx(рис. 4.32, д). Эти интервалы времени превышают аналогичные интервалы в РУЗ-714-1 на 2RJ(\ + Dsina/c3)/(ccosp), где с3— ско­ рость УЗ в звукопроводах, а v — дается со знаком направления волны: «+» по потоку и «-» против потока. При этом использовалась та же электронная схе­ ма, что и в РУЗ-714-1 (рис. 4.31, а). В ней длительность Т импульса 6 в ГСИ (рис. 4.32, б) устанавливалась по формуле:

где п — число отражений в стенке 3 акустической помехи 13, проникающей из одного преобразователя в другой по стенке трубопровода. Время задержки Т импульса селекции 7 устанавливается превышающим T + 2nhJ(c(cos$), а ус­ тановочное расстояние L (рис. 4.31, б) определяется согласно выражения:

Информативная разность Аф равна удвоенной величине (4.12).

В исследованиях РУЗ-714-1 было выявлено, что предшествующий инфор­ мативному пакету F, или V03C акустической помехи 13 (рис. 4.31, б) близок к нему по амплитуде, что подтвердило правильность величины задержки Т . Ре­ верберация не была отмечена, что объясняется малой отражаемостью Я1 и П2, демпферы которых выполнены из звукопоглотителя с импедансом, близ­ ким к импедансу звукопроводов 7 и 2. Эксперименты показали, что согласно (4.30), при контроле скорости потока в трубопроводах малого диаметра целе­ сообразно применять короткопакетное или импульсное излучение.

Прибор РУЗ-714-1Э имеет следующие технические характеристики:

На базе рассмотренных бесконтактных синхронно-фазовых методов полу­ непрерывного излучения и опытных образцов (рис. 4.31, а-б) в последующем были выполнены отраслевые разработки одноканальных расходомеров: хим­ реагентов СКВ ЦМА [12, 215, 260], нефти СКВ ТНА [22, 261-269] и горнообогатительных флотореагентов в МГИ [270-272].

2. Эхо-пакетный фазовый расходомер химреагентов. В разработанном в 1961 г. эхо-пакетном фазовом расходомере Н. Бражникова, схема и электри­ ческие диаграммы которого приведены на рис. 4.33 и 4.34, как и в РУЗ-714-1Э, применено бесконтактное двукратное угловое просвечивание контролируемо­ го потока. Здесь использованы жидкостные акустические камеры 1 и 2 с дем­ пфированными Я/7-ми П\ и #2, размещенными на одной и той же стороне втулки 3, выполненной из химически стойкой звукопоглощающей пластмас­ сы. Втулка 3 с обеспечением герметизации запрессована в корпус 4 фланцево­ го АПР, устанавливаемого в расстыковку трубопровода с химреагентным по­ током 5.

Свыходов генератора Г электрические непрерывные колебания 8 частоты

/= 2,5 МГц (рис. 4.34, в) и в противофазе 8' друг относительно друга поступа­ ют в модуляторы Ml и М2, открываемые селектирующими импульсами б дли­ тельностью Г (рис. 4.34, б) генератора ГСИ. Со сдвигом фаз, равным тс, пакеты ВЧ-электрических колебаний (рис. 4.34, г) с двух выходов модуляторов Ml и М2 одновременно поступают на ПП-ш П\ и П2 одноканального акустическо­ го преобразователя. При этом длительность Т излучения (рис. 4.34, д,ё) уста­ новлена меньшей времен распространения УЗ-колебаний т+и, x vмежду 771 и 772 (по или против потока).

Противофазно излученные 7777-ми пакеты полунепрерывных УЗ-колебаний

взвукопроводы акустических камер 7 и 2 под углом а (относительно нормали

кповерхности втулки 3) через стенку втулки одновременно входят в контро­ лируемую жидкость под углом р, определяемым выражением (4.14). Распрос­ траняясь встречно друг другу от П1 к П2 по потоку, имеющему среднюю ско-

Угол падения а УЗ-луча на стенку трубопровода 3 относительно нормали к его оси зависит от угла ©3 конуса ЗП (рис. 4.37): а = тг/2 - 0 3. Благодаря тому, что все лучи расходятся в плоскостях, проходящих через нормали в точках падения их на границы раздела сред, общий путь и время распространения каждого луча одинаковы, что полностью исключает фазовый астигматизм в принятых УЗ-пакетах. Кроме того, практически исключается акустическая помеха, обусловленная возможным проникновением излученного УЗ-пакетах от ПП-ля к Д/7-лю по периметру трубопровода 3.

4.5. Импульсно-фазовый контроль средней скорости гидропотока

Функциональная схема системы бесконтактного одноканального импульс­ но-фазового контроля скорости потока жидкости приведена на рис. 4.38. Эта схема разработана по методу Н. Бражникова [11,12,211], предусматривающе­ му ввод УЗ в поток 1 из 3/7-дов 2 накладных ПП-лей П1 и П2 непосредственно через стенки 3 трубопровода при закритическом угле ввода, и впервые испы­ танному в 1958 г. на фарфоровых трубопроводах химагрессивных сред хлор­ но-кобальтового производства. Метод позволяет вести бесконтактный конт­ роль скорости потока жидкости без обычно применяемой расстыковки трубо-

Рис.4.38. Функциональная схема бесконтактной импульсно-фазовой УЗ-системы измерения скорос­ ти гидропотока