книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdft - текущее время (и обозначение по перечной волны), с;
vm- скорость потока на оси трубопро вода, м/с;
V, vc, vc —средняя скорость потока, скорость и ее вектор в слое потока радиусом с соответственно, м/с;
V, F р - электрические напряжения ге нератора на излучателе и принятого сигнала, В;
Y - модуль Юнга, ГПа;
Z - ось преобразователя;
z - координата, проекция г на ось пре образователя, м; 2бпротяженность ближней зоны, м;
7ж» 2и z!c ~ УДельные акустические импедансы жидкости, звукопровода и звукопоглощающего слоя для продоль ной волны, Н'с/м3;
zc - суммарный акустический импе данс ПП, Н'с/м; а1кр- первый критический угол ввода
волны в твердую среду, рад; а, а', а' - углы излучения, отражения
продольной и отражения поперечной волн в звукопроводе, отсчитываемые относительно нормали к оси трубо провода соответственно, рад; Аа - отклонение угла приема от угла излучения, рад; Д<р - фазовый сдвиг, рад;
сокруговая частота, Гц; (Зг Рг - углы преломления волн: про
дольной в и поперечной волн в стенке трубопровода относительно нормали
коси трубопровода, рад;
Р- угол распространения волны в жидкостном потоке относительно нор мали к его оси,рад;
В„ 8/з, 8/с - коэффициенты затухания продольной волны в жидкости, звуко проводе и слое соответственно, лГ1; Ър 8;, 8в, 8я, 8s- коэффициенты затуха ния продольной, поперечной, стерж не вой, нормальной и поверхностной волн соответственно, лГ1;
ee, 8о, £j - аргументы функции Бес селя; е - параметр АПР;
X, Х^ Х13- длина продольной волны в среде излучения, в жидкости и звуко проводе соответственно, м; р, рз, рс - плотности среды, звукопро
вода и звукопоглощающего слоя, кг/м; а - коэффициент Пуассона; т - время распространения волны в среде, с;
т+и, т , - полные времена распростра нения волны в акустическом тракте по потоку + V и против него - V соответ ственно, с; то - время распространения волны в
акустическом тракте при iH), с;
%3, тж - время распространения волны в звукопроводе и жидкости, с; 0 а - коэффициент пропорционально
сти для коэффициента затухания ан тисимметричной нормальной волны; 0 Т- коэффициент сопротивления тру бопровода; ф^, фа - фазы УЗ-колебаний на оси и
акустическом цилиндре преобразова теля при излучении, рад; \|/ - потенциал точечного источника,
|
Индексы |
||
а - от радиуса а ПЭ\ |
т - максимум; |
||
а - |
акустика; |
м - |
механика; |
аг - акустико-гидродинамический; |
пр - приемник; |
||
ср - |
среднее; |
с - |
от радиуса слоя; |
/, t, |
в, n, s - от обозначений продоль |
с - |
слой; |
ной, поперечной, стержневой, нор |
т - трубопровод; |
||
мальной и поверхностной волн; |
О, 1 - цифры. |
||
ВВЕДЕНИЕ
Развитие науки и техники тесно связано с политикой и экономикой обще ства любой исторической эпохи. Возникновению в девятом веке древнерус ского государства предшествовал длительный процесс объединения восточ но-славянских и родственных им племен, исторически неизбежный перед вне шними угрозами. В завершающем этапе процесса, согласно русским летопи сям, приняли участие представители норманнского этноса— Рюрик и его спод вижник Олег, ставший первым руководителем государства. Как известно, на это время пришелся пик интенсивного проникновения находившегося на ста дии военной демократии упомянутого этноса в прибрежные регионы Север ной, Южной и Восточной Европы, Британии и востока Северной Америки (за несколько веков до «открытия» последней Христофором Колумбом и Америго Веспуччи). Имея низший уровень экономического развития, проникшие слои этноса везде исторически скоро ассимилировались с населением регионов.
К середине XIX века на одной шестой части земного шара, включающей необъятные просторы Евразии и значительный западный регион Северной Америки (позднее переданный США), расширилась и окрепла Россия, кото рая при достаточно высоком уровне народного образования и науки вступила на путь капиталистических реформ.
В начале следующего века, достигнув впечатляющего прогресса промыш ленности и науки, Россия подверглась опустошительным воздействиям трех революций, первой мировой и гражданской войн, завершившихся образова нием СССР. В последующие десятилетия века, преодолев колоссальные труд ности и потери в хозяйственном строительстве и второй мировой войне, стра на стала мировой сверхдержавой и лидером в ряде областей науки и техники,
втом числе ядерной физике, космосе, радиоэлектронике и ультразвуке. Ультразвуковыми в акустике считают такие колебания (УЗ-колебания), час
тота которых выше предела слышимости человеческого уха (от 16 кГц до де сятков ГГц). Для частот от сотен кГц до единиц МГц УЗ-коле-бания являются коротковолновыми, т.е. в диапазоне от десятых долей до единиц мм. Коротковолновость УЗ-колебаний обусловила возможность их широкого научно-про мышленного применения. Первым в мире в 1928 г. высказал и позже осуще ствил идею использовать УЗ-колебания в дефекто-скопии выдающийся рос сийский физик С. Я. Соколов [1].
От этой идеи в последующем был совершен переход [2,3] к созданию новой области науки и техники — ультразвуковому контролю ирегулированию тех нологических процессов (УЗКР ТП), общие вопросы теории и метрологии ко торой рассмотрены в [4-10].
В металлургической, теплоэнергетической, горной, нефтехимической и др. отраслях промышленности используется УЗ-контроль: скорости потока жид ких и газообразных сред — фазовым [11-13], импульсно-фазовым [7,14], вре- мя-импульсным [15-16], частотно-импульсным [17-19] и частотно-фазовым [8, 20] методами; массотеплообмена, объемного и массового расхода жидко стей — согласно [7,8-26]; концентрации и плотности пульп, бинарных и мно гокомпонентных растворов [6, 27-31], давления, расстояний, уровня различ ных средств [7, 32-35], толщины, поверхностной плотности [36-38], качества материалов [7, 39-42] и автоматическое регулирование технологических про цессов [43-46].
Значительным шагом в развитии техники контроля параметров потоков сред стало применение впервые предложенных Н. И. Бражниковым метода УЗ-про- свечивания в воздухе твердого слоя с определением его физических свойств по степени акустической прозрачности [38, 46-49] и метода «звенящей стен ки», по которому акустическим источником инфор-мации о контролируемой жидкости является стенка гидроемкости при возбуждении в ней мод симмет ричной или антисимметричной нормальной [26, 45, 50-54], поверхностной [55] волн, наклонно распространяющихся поперечных колебаний [56] или эхо импульсной реверберации [57].
УЗКР ТП вобрал в себя результаты работ авторов данной монографии и мно гих исследователей и разработчиков. К ним относятся:
в России: специалисты НТК СЦМА — Белых Л.Г., Биргер Г.И., Казинцев В.А., Киселева В.В., Кондрашов Л.А., Кузнецова З.М., Марголин В.С., Собо лева И.Е., Шавыкина Н.С.; ВНИИ ТВЧ — Михалев Б.Е., Химунин А.С.; ГИРЕДМЕТ— Каневский И.Н., Сиваков М.А., Тарелкин А.К.; ИГД— Курьянова Е.И.; ЛГУ— Михайлов И.Г., Феофанов Г.Н.; ЛЭТИ — Соколов С.Я., Бабиков О.И., Яковлев Л.А.; МГИ— Карбачинский В.М., Негурица В.П., Рогожников В.И., Ямщиков В.С.; МГИРЭА — Бражникова Е.В., Иванов Е.Л.; МИСиС — Агранат Б.А., Хавский Н.Н.; МОЛИ— Голубь П.Д., Ноздрев В.Ф., Перепечко И.И.; НИИД— Выборнов Б.И.; НИАТ— Крылова Э.Д.; НИИИнтроскопии — Клюев В.В., Королев М.В., НИИ Тегтоприбор — Журавлев Л.И., Шафрановская З.М.; Приборостроительного завода — Вавилов О.С., Иванов А.А., Мед ведев В.В., Оганесов А.С.; СКВ ТНА — Полянский А.А., Рохлин В.Б.; ТРТИ- Дюдин Б.В., Колмаков В.А., Лепендин Л.Ф., Меркулов Л.Г., ЮУрГУ — Гуре вич С.Ю., Бражников Ф.И., Лавлинская Е.Н.;
США — Берлинкур Д., Велковитц У, Гринспан М., Керран Д., Критц Дж., Мэзон У., Пирс Г, Уильямс Дж., Чигг К.;
Белоруссии — Крылович В.И., Солодухин А.Д., Шашков А.Г., Шуев Г.Я.; Болгарии — Ангелов Г., Миховски М.; Великобритании — Лэмб Дж., Рэлей Дж., Спроуль Д.;
Германии — Гидеман Е., Рютген О., Швайгер М.; Грузии — Джапаридзе И.Т., Якобишвили А.З.;
Литве — Илгунас В., Кундротас К., Рукас И., Сукацкас В., Яронис Э.; Украине — Здоренко В.Г., Ногин И.С., Скрыпник Ю.А.;
Франции — Бикар IL, Ланжевен IL; Японии — Мацуо С., Номото О.
В девяти главах всесторонне изложены основы теории и достигнутые прак тические результаты УЗ-контроля и регулирования технологических процес сов в различных отраслях промышленности. Приложенный список литерату ры содержит значительное число ранее не публиковавшихся, вследствие ноухау и патентования, источников.
Введение и гл.1 написаны Н.И. Бражниковым; гл.2 — А.И. Бражниковым; гл.З, 8 — Н.И. Бражниковым и А.И. Бражниковым; гл.4, 7 — В.А. Белевитиным и А.И. Бражниковым, гл.5, 6 — Н.И. Бражниковым и В.А. Белевитиным; гл.9 — В.А.Белевитиным.
Глава 1. ИЗЛУЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ПАРАМЕТРЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ПОЛЯ
В системах УЗКР ТП излучение и прием УЗ-колебаний осуществляется пре имущественно пьезоэлектрическими преобразователями (ПП). Связь ПП с контролируемой средой осуществляется посредством газообразных, жидко стных и твердых (в основном полимерных) звукопроводов (3/7). Прием ин формативного сигнала в первых из них [34, 35, 38, 46-49], а также при про хождении ультразвука через стенки технологических резервуаров и трубопро водов [12-16, 21-26] сопровождается высокими энергетическими потерями.
В связи с этим, актуально исследование взаимосвязи характеристик среды, в которую излучается УЗ-колебания, 7777, с часто применяемым на круговой ча стоте свободных колебаний со0 пластинным ПЭ полуволновой толщины hn=
=XJ2, и распределения УЗ-давления р в поле 7777.
1.1.Излучение ультразвуковых колебаний
Общая электрическая схема ПП (рис. 1.1) включает в себя сопротивления: емкостное (/œCj)-1 закрепленного ЯЭ, Za— эквивалента механического коле бательного контура и Rc — эквивалента суммарных акустических потерь. В схему введен также некоторый ЭИм Z', характеристики которого определяют ся из анализа общего выражения ЭИм Z3 ЯЯ, не имеющего потерь (Rc= 0).
Пьезопреобразование описывается системой, состоящей из двух уравнений связи механического напряжения и деформации ЯЭ с индукцией D3и напря женностью ЭЯ и из уравнения механического движения. Решение этой систе мы для ПП без потерь позволяет [58-60] выразить V, приложенное к электро дам ЯЭ ЭЯ, через индукцию Я 3 (индекс 3 — направление Э77), частоту со, ди
электрическую проницаемость £33 закрепленного ЯЭ, его пьезоконстанту де
формации /233, толщину hn, АИм zn= z3A3 и скорость распространения колебаний
Рис. 1.1. Эквивалентная электрическая схема измерительного пьезоэлектрического преобразователя
(ПП)
2(Ù QE L A |
KCÙ ' |
7üœznCn |
2œ0 J |
Емкость С, закрепленного /7Э, его статический khи динамический kdкоэф фициенты электромеханической связи определяются выражениями:
C,=s4Ъ/К, kl = h yn {cnznr , k l = U l / n \ |
(1.2) |
где S - площадь излучающей (или приемной) поверхности ПЭ.
Из выражения для напряжения V, с учетом значений С, и из (1.2) и проте
кающего через ПЭ электрического тока J= mSD3следует общая формула ЭИм Z3o преобразователя без потерь:
1 |
2а>0 |
7t© |
/©С, ч |
71© |
(1-3) |
|
На частоте ©о= 7icjhnполуволнового резонанса (ПВР) эквивалентное сопро тивление контура Z =0 и электрическая проводимость ПЭ без потерь (Лс=0): y'3o(cOo)=/coCi+(Z')"1. При со = соо проводимость F o(co0) = Z3o_I = 0, то Z' = - (/©С,)"1 Следовательно, правая (электромеханическая) ветвь эквивалентной схемы ПЭ включает в себя отрицательную емкость (-С,) закрепленного ПЭ, возникшую вследствие его пьезореакции на прило-женное электрическое воздействие с напряжением V. С учетом этого Z3— комплексный ЭИм ПЭ, на частоте © (см. рис. 1.1) определяется как:
Z„+R+ Z' |
1 |
1 — |
(1.3, a) |
i(ùC. i(ùCx(Za+Rc)
/©С, Z,. + R + Z ' + - i(ùCx
Сравнение (1.3,a) приR=0 c (1.3) для импедансаZ^ дает формулу эквива лентного импеданса механического колебательного контура:
Za =7i(2z©0C ,^ ) lctg(0,57t© / ©0) . |
(1.4) |
Данный контур, состоящий из эквивалентной емкости С0 и индуктивности
-0,5
L0с резонансом на частоте ©0=(Z,0C0) *, имеет импеданс
z fl= f l- © 2/©o2Л/cûCor, |
(1.4, а) |
Из равенства двух формул Zuследуют выражения:
С учетом (1.5) эквивалентная схема ЯЭ приобретает вид, показанный на рис. 1.2, где Rc— суммарное сопротивление акустических потерь:
R C = R M + R K + R M + R H |
0 - 6 ) |
Зависимость параметра С0 от отношения частот CÛ/CDO (табл. 1.1) свидетель ствует, что отношение эквивалентной емкости С0на частоте ПВР к емкости С{ закрепленного ЯЭ представляет собой, согласно (1.2), квадрат динамического коэффициента kd электромеханической связи. Равенство С0 = 0 при со = 2со0 означает отсутствие излучения на четной гармонике.
Нагрузкой генератора возбуждающего напряжения V в акустической изме рительной системе является электрический импеданс ЯЭ, определяемый в соответствии с (1.3, а) - (1.5) выражением:
Z3 = О'соС,)-1{1 - С0СГ‘ /[1 - ©2 / (ùî + i(oC0 / (Ю о С ^ а Ш . |
(1.7) |
Значения модуля looÇZj отношения ЭИм к емкостному сопротивлению ПЭ
вчастотном диапазоне со/ю0 = 0,2-2,0 даны в табл. 1.1.
Компоненты суммарного сопротивления потерь: RM— внутри ЯЭ, RK— в
креплении и герметизации в корпусе ЯЯ, RR— в демпфере нерабочего торца ЯЭ и RH— на излучение в ЗП (или в КС) с АИм ZHопределяются механической добротностью Q. ПЭ для z-й среды, а для сред с АИм z .« zn— коэффициентом Cj/233 электромеханической трансформации:
Ri-' =w oC tfQ i> |
Rr SzfwoC ? h \y |
(1.8) |
Суммарное сопротивление Rc, определяемое из (1.6) и (1.8), рассчитывается по величине полной механической добротности ЯЭ:
Q n = Q M + Q K + Q „ + Q . H |
(1-9) |
Для сопротивления внутренних механических потерь Ru механическая доб ротность QM(так же как khи А33) является паспортным параметром ЯЭ, находя-
Таб л и ца 1.1 Частотные зависимости эквивалентной емкости С0 и модуля
электрического импеданса Z, ПЭ
С0/С0о |
0,2 |
0,5 |
1 |
1,2 |
1,5 |
2 |
С ьС Г 'к н 2 |
0,993 |
0,955 |
8 / j t 2 |
0,718 |
0,531 |
0 |
|0)CiZ.I |
1 - 1,03kh2 |
1 - 1 ,2 7 kh2 |
(i + fe 4e „ 2)0’5 |
1 + 1,63*А2 |
1 +0,42fc,2 |
1 |
щимся в зависимости от вида пьезокристалла или пьезокерамики {ПК), в пре делах 50-3000. Для сопротивления RKдобротность QKзависит от конструкции ПП и при специальных технических решениях может достигать значений 5005000. В бездемпферных ПП при излучении в газообразные среды с АИм Z h, на 4 порядка меньшим zn, величина Rc= (QM+ Q^{QMQK® kjCJx. В акустической измерительной технике демпфер, жидкостные и твердые ЗПимеютАИм, обыч но на порядок меньший АИм zn ЯЯ. В этом случае механические добротности рассчитываются по формулам: Q. = 0,5лгп z~\ Qn = 0,5лzn z~x
При излучении в среду с акустическим импедансом zH, существенно мень шим АИм z n ЯЭ, суммарная акустическая мощность Wa(излучения в среду Z H и акустических потерь) выражается через смещение Uторцев ЯЭ и суммарный АИм zc = Kzn{2Q^~xследующим образом: Wa= Szc{i(ûU)2/2. Выделяемая на ак тивном сопротивлении Rcмеханической ветви эквивалентной схемы электри ческая мощность W=J*R /2, где У — ток этой ветви (рис. 1.2). Так как ток У = F /[Z + Л -
Wt = 0,5RC(i(0C,V)2[l - iwC,(Za +Rc) f
Приравнивание (согласно закону сохранения энергии) Waи W}дает выраже ние SzcU2 =C2V2Rc[l - /0)C,(Za + Дс)]~2, откуда:
C/ = F [l-/œ C 1(Z0 +Rc)]~l[RcCf /{Szc)]°-5
Так как, согласно выражения (1.8), подкоренное выражение
RcCf{Szc)~l =(2h33y 2, то давление излучения, пропорциональное смещению
U, определяется формулой:
p =i(ùz„U= 0,5ioazHVk£ [1- ЛйС,(Za +ЛС)]~‘
L
Рис. 1.2. Уточненная эквивалентная схема пьезоэлектрического преобразователя с компонентами электромеханического колебательного контура и суммарного сопротивления акустических потерь
Из этого выражения, согласно (1.6) и (1.8), с учетом значений i(ùZa =Q 1(1 - ш2/ toj ) и C,Rc =((о0^(2 п) '‘следует известная [14] формула Н.
Бражникова для давления излучения: |
|
р =0,5i'©zHP7£j /[1 -C ,C Q'(1-(02 / coJ)-i(D((o0^ ô n ) '] • |
(1-10) |
Эта формула может быть выражена через впервые введенный в практику УЗКР ТП в 1972 г. Н. Бражниковым пластинный пьезомодуль
Ь„=4кк(рпг1Г |
( 1.11) |
следующим образом: |
|
р =ibhjVzHZ; ' / { [ i - c {c-\i-(ù2/<*l)}k]Qn -*»/©„}, |
(1.12) |
где Qn— добротность ПК или пьезокристалла,/ = 0,5©/я — частота УЗ-коле- баний.
Как видно из (1.12), пьезомодуль bh (bt — для /- и Ь( для /-волн) численно равен давлению излучения ПП на круговой частоте со = ©электро-механичес- кого резонанса (ЭМР) при заданных К ,/и zH/zc. Его значения Ь1для ПК типа ТБ-1, ЦТС-19, ПКР-28 и пьезокварца составляют для продольных УЗ-колеба- ний: 7,3, 14,9, 8,88 и 0,122 мН/(м2Тц-В) соответственно. Для газообразных сред ЦТС-19 утрачивает преимущество в Ь(перед ТБ-1 и ПКР-28 из-за более высокого (на порядок) z M, входящего в zc.
ПП с ПЭ диаметром 9 мм и толщиной hn= 1,43 мм из ПК титаната бария ТБ- 1 (zn = 27,3 МНс/м3, со0= 11,3 МГц, к{ = 0,237, z = 0,143 мНс/л/и, соответ ственно, g M=300, е*= 11,2Т0"9 Ф/м, рп= 5300 кг/м , Л33= 841 МВ/м) на частоте со0ПВР имеет по (1.2), (1.5) параметры: Ь0=345 мкГн, С0= 22,7 и С, = 498 пФ. При излучении, например в ЗП расходомера, выполненный из оргстекла ( Z H = = 3,13 МН-с/м3, X= 1,47 мм, zK= 0,1мНс/л/3 и, соответственно, Qk=430) полная добротность, ЭИм и давлениер0(при V - 10 В) бездемпферного ПП при © = ©0 согласно выражениям (1.7)-(1.10) итабл. 1.1, составляют: Q= 12,7,Z3o=205 Ом и/?0= 10,6 Н/см:
Согласно ( 1.12) на круговой частоте ЭМР ©г = 11,04 мГц давление рг и ЭИм меняются несущественно, составляя:рг= 12,3 H/cM2nZ3r= 157 Ом.
Для ПП в режиме излучения на частоте ©0 свободных колебаний, как следу ет из выражения (1.10), проектирование оптимально на базе пьезокерамики с пониженной пьезоконстантой деформации /*33 и удовлетворительной механи ческой добротностью Qм(например ТБ-1). Следование некоторым рекоменда циям о необходимости использования [41] ПК с высоким стержневым пьезо модулем d}3, например PZT-5, приводит к значительному (на 8-12 дБ) сниже-