книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

ли 2, 3 и приемники 4, 5, электронной системы. К излучателям подключены ждущие генераторы импульсов 6, 7, а к приемникам — усилители 8, 9. Усили­ тель, генератор, приемник и излучатель образуют замкнутый электронно-аку­ стический канал автоциркуляции импульсов ЭАК, функционирование которо­ го с диаграммной иллюстрацией описано в п.3.7.

Усилители 8, Р, через интегрирующие цепи 10, 11 подключены к входам ло­ гической ячейки 12, управляющей работой генератора 13 импульсов низкой частоты, соединенного с генераторами б, 7. Выходы логической ячейки 12 со­ единены с коммутирующими входами усилителей 8, 9. В начальный момент автоциркуляция импульсов в ЭАК отсутствует, также отсутствуют сигналы на выходе усилителей 8, Р. Генератор 13 включен и работает в автоколебательном режиме. Его импульсы запускают генераторы 6, 7. Одновременно на выходах интегрирующих цепей 10 и 11 появляются сигналы, которые при устойчивой автоциркуляция импульсов в ЭАК достигают порогового значения ячейки 12, выходной сигнал которой запирает генератор 13. Период колебаний генерато­ ра 13 выбран булыиим наибольшего периода автоциркуляция ЭАК и булыие постоянной времени интегрирующих цепей 10, 11.

В случае отсутствия жидкости в трубопроводе или при исчезновении сигна­ ла в одной из ЭАК подается с выхода логической ячейки 12 запирающий сиг­ нал. Исчезает сигнал и во второй ЭАК. Открывается автоколебательный гене­ ратор 13, который запускает генераторы 6, 7. Выходы усилителей 8, 9 подклю­ чены к регистрирующему прибору 14, измеряющему разность частот авто­ циркуляции импульсов в ЭАК, пропорциональную расходу жидкости.

Р и с . 4 .4 1 . Ф у н к ц и о н а л ь н а я сх е м а д в у х к ан а л ьн о го у льтразвук ового беск о н так тн о го ч а сто т н о -и м п у л ь ­ сн о го р асх о д о м ер а

4.7.2. Одноканальные методы

Методы одноканального частотно-импульсного УЗ-контроля расхода жид­ костей разработали в 1964 г. Н. Бражников, А. Оганесов [12, 17, 290-292] с применением бесконтактного АПР и 3. Шафрановская, Л. Журавлев, Е. Крысанова [293] на основе контактного углового акустического преобразователя. Блок-схема расходомера по первому из методов и его импульсные диаграммы приведены на рис. 4.42 и 4.43. Принцип действия расходомера заключается в следующем.

На трубопроводе 1 (с внутренним диаметром 2R и внешним 2/^) во внешних жидкостных 3/7-дах 2,3 установлены ПП 4, 5 на расстоянии 2Н0друг от друга. В некоторый момент времени t0(не показан на рис. 4.43) на ПП 4 от генерато­ ра, находящегося в электронном блоке б, поступает короткий электрический импульс, преобразующийся в УЗ-колебания. УЗ-волна, излученная ПП 4, рас­ пространяется во внешнем ЗП 2 со скоростью с3 под углом а. После преломле­ ния в стенке трубопровода волна распространяется со скоростью ctпод углом Р,, а в КС — под углом р.

Прошедшая через волноводы, трубопровод и (по направлению потока, дви­ жущегося со скоростью v) КС, УЗ-волна поступает на ПП 5, преобразующий ее в электрический сигнал 7 (рис. 4.42, а), который после усиления переклю­ чает ПП-ли 4, 5 (рис. 4.43, б) и с некоторой задержкой т3 (рис. 4.43, в), запуска­ ет генератор, возбуждающий ПП 5 импульсом 8 (рис. 4.43, а). УЗ-волна, излу­ ченная ПП-лем 5, пройдя против потока, через время T_vдостигает ПП-ля 4,

Рис. 4.42. Функциональнаясхемаодноканальногоультразвуковогобесконтактногочастотно-импульс­ ного расходомера

Рис. 4.43. Импульсные диаграммы блоков частотно-импульсного бесконтактного УЗ-расходомера

преобразуясь им в электрический сигнал 9, который после усиления переклю­ чает Я/7-ли и с той же задержкой т3 запускает генератор, вырабатывающий импульс 10, возбуждающий ПП 4 (рис. 4.43, а). Излученный им импульс через время т+и поступает на ПП 5, вырабатывающий электрический импульс 1L

Таким образом, ПП-ли излучают и принимают УЗ-колебания поочередно с периодом Г, равным сумме т+и+ т ивремен распространения УЗ-волны и удво­ енной задержке т3 (рис. 4.43 г) с напряжением VHи длительностью тн. Гармо­ нические составляющие этих импульсов, следующих с периодом Т, зависят от скорости потока. Напряжение первой гармонической составляющей описыва­ ется выражением:

умх= ( У М Л Р ) / [ 2 тгс2(т + т 3)2] .

Это напряжение в блоке б измеряется регистрирующим прибором, шкала которого градуирована в единицах контролируемой скорости v потока или пропорционального ей расхода жидкости.

Глава 5. АВТОМАТИЧЕСКИЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ИСОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СРЕД

Вглаве рассмотрены методы и системы автоматического УЗ-контроля: со­ держания бинарных и трехкомпонентных технологических жидкостей, степе­ ни полимеризации и давления сред в гидрометаллургических, химических и др. производствах по скорости УЗ-волн, спектру и затуханию УЗ-импульсов; плотности, концентрации и уровня жидких сред - методами «звенящей стен­ ки» гидрорезервуара с локальным возбуждением в ней УЗ-волны, распростра­ няющейся вдоль поверхности стенки, или эхо-импульной реверберации.

5.1. КОНТРОЛЬ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРОВ И ПОЛИМЕРИЗАЦИИ СРЕД

Ультразвуковой автоматический контроль концентрации и полимеризации сред в технологических процессах по скорости УЗ впервые предложили: в 1957 г. Г. Биргер и Н. Бражников — фазовым [27, 108]; в 1958-1959 г.г. Н. Бражников [79, 294] — фазовым с амплитудной модуляцией и время-импуль- сным методами; в 1959 г. О. Бабиков, Б. Михалев и Г.С. Поль-Мари [295-296]

— автоциркуляционным частотно-импульсным методом Р. Холбрука - Дж. Критца [155-156]. Значительное распространение получили также методы кон­ троля чистоты жидкости, концентрации гидропульп и влагосодержания жид­ ких продуктов по затуханию УЗ-импульсов [6, 296-298].

5.1.1. Фазовый концентратомер УЗК-Ф

Схема фазового концентратомера бинарных растворов приведена на рис. 3.5. Функционирование прибора заключается в следующем. Непрерывные УЗ-ко- лебания излучающего /777, возбуждаемого ВЧ-напряжением генератора/", после прохождения через контролируемый раствор поступают на приемный /7/7. Электрическое напряжение последнего через усилиитель У, охваченный АРУ, подается на вход фазового детектора ФД, другой вход которого соединен через фазорегулятор ФР с генератором Г

На выходах У и ФР напряжения сигналов имеют стабильную нормирован­ ную амплитуду VHи синусоидальную форму. Выходное электрическое напря­ жение ФД поступающее в РП, пропорционально отклонению Ас, соответству­ ющего начальному значению концентрации цинкового электролита. В прибо­ ре предусмотрена автоматическая компенсация температурных изменений

времени распространения УЗ в растворе [108] обратно направленным темпе­ ратурным изменением времени распространения через протектор приемного

Я Я

Основные характеристики прибора:

Акустическая база, м м .........................................................	10
Диапазон измеряемых отклонений Ас,м/с......................	±30
Частота ультразвука, МГц....................................................	1
Погрешность измерений Ас,%............................................	±3

5.1.2. Фазовый концентратомер с модуляцией УЗК-292

Схема концентратомера и электрические диаграммы приведены на рис. 3.7, 3.8, а ее описание — в п. 3.4.

Основные характеристики прибора:

Акустическая база, м м .........................................................	80
Диапазон измеряемых отклонений Ас,м/с....................	0-60
Несущая частота ультразвука, МГц.................................	1,5
Частота модуляции, кГц......................................................	125
Погрешность измерений Ас,% не более.........................	2

Конструктивно УЗ-концентратомер бинарных растворов с модуляцией из­ лучения [7, 79] выполнен в виде акустического преобразователя, электронной измерительной системы и РП (самопишущего потенциометра). В сравнении с УЗК-Ф здесь АБ увеличена в 8 раз. Электронная система смонтирована на од­ нопанельном шасси, устанавливаемом в кожухе щитового исполнения. На пе­ редней стенке панели расположены органы управления и стрелочный индика­ тор, на задней — ВЧ- и сетевой разъемы.

Акустический преобразователь состоит из опоры, посредством которой он крепится к магистральному желобу с раствором, подвески, в которой крепит­ ся корпус из оргстекла со смонтированными в нем Я и Я, и системы автомати­ ческой очистки протекторов Я и Я от осаждающихся кристаллов солей.

5.1.3. Время-импульсные концентратомеры УЗК-1Э и УЗК-1

Время-импульсный метод автоматического контроля концентрации бинар­ ных гидрометаллургических растворов реализован в концентратомере УЗК1Э с электронной задержкой опорного импульса [79,294,299] в 1959 г. и в его модификации УЗК-1 с акустической задержкой [299-301] в 1960 г. Схема УЗК1Э и его импульсные диаграммы приведены на рис. 3.11 и 3.12, а ее описание

— в п. 3.5. Акустический измерительный преобразователь выполнен по схеме

рис. 4.5, а в варианте без преломления (а = 0) и конструктивно представляет собой участок трубопровода, который на фланцах устанавливается в разрез магистрали с контролируемым раствором. УЗ-колебания И (1 на рис. 4.5, а) через протектор передаются жидкостному волноводу, находящемуся в наклад­ ной акустической камере 4, в качестве которого использован глицерин. Ввод УЗ-колебаний из жидкостного волновода в КС 3 осуществляется через мемб­ раны из фторопласта, установленные в стенке трубопровода, обработанные заподлицо с внутренней поверхностью трубопровода, благодаря чему исклю­ чается нарушение потока контролируемой жидкости и предотвращается их технологическое «зарастание». Аналогично происходит прохождение УЗ-им- пульса из раствора 3 к П (2 на рис. 4.5, а).

В концентратомере УЗК-1 в качестве блока задержки БЗ использован эта­ лонный акустический преобразователь ЭАП, из УЗ-импульса которого (рис. 3.12, г) формируют задержанный электрический опорный импульс (рис. 3.12, з). Конструктивно ЭАП состоит из двух камер, аналогичных камерам измери­ тельного преобразователя. Одна из камер может перемещаться относительно другой по направляющим, а другая имеет сильфонное устройство для плавно­ го перемещения в пределах 10 мм, чем осуществляется установка начала шка­ лы измерения изменения Ас скорости УЗ от ее номинала со. Преобразователь помещен в отдельный корпус, который приваривается к трубопроводу с КС. С помощью ЭАП осуществляется также автоматическая акустическая компенса­ ция температурных погрешностей. С этой целью в качестве эталонной среды подбирается жидкость, температурный коэффициент скорости УЗ в которой обратен температурному коэффициенту скорости в КС.

Основные характеристики концентратомеров:

Внутренний диаметр трубопровода, мм.........................	200
Диапазон измеряемого изменения скорости Ас,м/с	0-40
Частота ультразвука, МГц...............................................	1
Погрешность измерений Ас, % не более........................	2,5

5.1.4. Частотно-импульсный прибор ОСП-2

Прибор ОСП-2, разработанный ЦКБ УВУ [295-296], предназначен для из­ мерения и регистрации глубины эмульсионной полимеризации синтетическо­ го каучука. Прибор основан на частотно-импульсном автоциркуляционном методе, схема реализации и импульсные диаграммы которого приведены на рис. 3.19 и 3.20, а ее описание дано в в п. 3.7. Вследствие того, что измеряемая частота автоциркуляции F = 1/(TJ + тф) имеет малые изменения (пропорцио­ нальные изменению Ас скорости УЗ), в приборе ОСП-2 измеряется разность между F и эталонной частотой отдельного генератора.

Основные технические данные прибора:
Диапазон измеряемого изменения скорости Ас,м/с.......	0-25; 0-50
Погрешность, отнесенная к диапазонам
измерений, % не более.................................................	5; 2,5
Контролируемый диапазон скоростей с^м/с	1100-1600

5.2. Система контроля трехкомпонентных алюминатных растворов

Система, функциональная схема которой приведена на рис. 5.1, разработана М. Авербух, Г. Биргером, Н. Бражниковым, С. Михайловым и Б. Стернбергом

в1965 г. [28, 303-304] на базе импульсного УЗ-концентратомера УЗК-1Э [294, 299] и кондуктометрического метода [302]. Принцип ее действия заключается

вследующем.

Из генератора 1 короткие электрические импульсы (рис. 3.12, б) одновре­ менно поступают (рис. 5.1) в акустический измерительный преобразователь 2 (жидкостные камеры которого установлены на трубопроводе с алюминатным раствором — КС) и в блок задержки 3, который формирует опорный импульс с временем задержки, равным времени прохождения УЗ-колебаний в акусти­ ческом преобразователе (АП) при скорости УЗ, соответствующей началу тре­ буемого диапазона измерений (рис. 3.12, в). Принятый электрический сигнал (рис. 3.12, б) АП 1 и сигнал с выхода линии задержки 3 подаются на усилители 4 и 5, а затем на формирователи импульсов б и 7 и на триггер 8, образуя после­ довательность прямоугольных импульсов (рис. 3.12, и), длительность кото-

Рис.5.1. Функциональная схема системы контроля трехкомпонентных алюминатных

рых пропорциональна разности времен прохождения сигналов в блоке задер­ жки 3 и АП 2 и, следовательно, пропорциональна изменению скорости УЗ в КС. Импульсы триггера 8 (рис. 3.12, и) поступают (рис. 5.1) на вход выходного каскада 9, где ограничиваются по амплитуде и с помощью интегрирующей цепи преобразуются в напряжение постоянного тока, пропорциональное дли­ тельности импульсов триггера 8, и, соответственно, изменению скорости УЗ Ас в КС.

Контроль удельной электропроводности раствора осуществляется измери­ телем электропроводности с трансформаторным блоком 10 (рис. 5.1) погруж­ ного типа. Генератор 11 непрерывных колебаний 4 кГц, питает первичную об­ мотку трансформатора питания 12 блока 10, вторичной обмоткой которого служит жидкостной виток 13, образованный КС. Этот поток охватывает также измерительный трансформатор (ИТ) 14 блока 10 и служит его первичной об­ моткой. При постоянном напряжении питания сила тока в жидкостном витке 13 прямо пропорциональна электропроводности КС, следовательно напряже­ ние на вторичной обмотке измерительного трансформатора 14, пропорцио­ нальное ампервиткам жидкостного контура, также пропорциональна измеряе­ мой электропроводности. Напряжение со вторичной обмотки ИТ 14 поступает на измерительный преобразователь 15, на выходе которого вырабатывается напряжение постоянного тока, подаваемое на вход счетно-решающего блока (СРБ) 16.

Напряжения с выхода СРБ 16, пропорциональные концентрациям компо­ нентов (глинозема А120 3 и щелочи Na20 ) КС, подается на регистрирующий прибор 17. Для обеспечения требуемой точности измерения, работоспособно­ сти и эксплуатационной надежности конструкции погружного трансформа­ торного блока 10 измерителя электропроводности должна удовлетворять ряду частично противоречивых требований. Вся конструкция в целом должна быть достаточно прочной и жесткой в условиях высокого давления и агрессивной среды в трубопроводе при повышенной температуре. Вместе с тем, централь­ ная трубка, геометрические размеры которой определяют омическое сопро­ тивление жидкостного витка, должна быть выполнена из неэлекгропроводного, но достаточно жесткого материала, иметь гладкую несмачиваемую поверх­ ность во избежание зарастания. Наряду с обеспечением разборности конст­ рукции блока 10 должна быть надежная герметизация внутренней полости блока 10.

Для обеспечения всех этих требований используется разборная конструк­ ция блока 10 (рис. 5.2), составные части которой выполнены из различных материалов: корпус 18 выполнен из нержавеющей стали, внутри него распо­ ложены два тороидальных трансформатора — питания 12 и измерительный 14; центральная трубка 19 выполнена из фторопласта и имеет гладкую повер­ хность (несмачиваемость фторопласта предохраняет трубку от зарастания);

Рис.5.2. Конструкция погружного трансформаторного блока электропроводности алюминатных ра­ створов

уплотнение осуществляется двумя одинаковыми манжетами 20из резины, стой­ кой в условиях КС (из тепло- и щелочестойкой резины марки ИРП-1257 для алюминатных растворов, например). Для обеспечения достаточного уплотня­ ющего усилия, особенно при уменьшении упругости резины вследствие ее старения при высокой температуре в местах уплотнения (по поверхности кор­ пуса и трубки) манжеты армированы плоскими пружинами, скрепленными в кольцо 21, навитыми из стальной проволоки. Такое уплотнение обеспечивает: надежную герметичность блока в течение длительного периода времени в широком диапазоне изменений давления и температур КС, а также минималь­ ные габариты трансформаторного блока. Защита электрических выводов осу­ ществляется трубкой 22 из нержавеющей стали, приваренной к корпусу.

5.3. Бесконтактный контроль давления в гидросистемах

УЗ-контроль давления в гидросистемах безрасстыковкитрубопроводов впер­ вые реализован в 1965 г. на основе время-импульсного метода Н. Бражникова автором совместно с Э. Крыловой [33,299, 305-313] в приборах конструкции НИАТ. Блок-схема бесконтактного импульсного измерителя давления УИД-1 приведена на рис. 5.3.

Измеритель давления состоит из излучателя 7, приемника 2, импульсного генератора 3, линии задержки 4, усилителя 5, триггера 6, выходного каскада 7, преобразователя «время - напряжение» 8, РП 9, компенсатора напряжения 10 и генератора селектирующих импульсов 77.

Принцип действия УИД-1 заключается в следующем. Излучатель и прием­ ник УЗколебаний устанавливают на наружной поверхности контролируемого трубопровода гидросистемы, после точного измерения его диаметра Д. Гене­ ратор вырабатывает прямоугольные импульсы (с длительностью, равной полупериоду УЗ-колебаний), которые поступают на излучатель. Последний воз­ буждается на своей резонансной частоте и излучает УЗ-импульсы, которые через стенки трубопровода и КС поступают в приемник, где преобразуются в электрические информативные импульсы. Одновременно с началом излуче­ ния импульсы генератора через блок задержки (устанавливаемый в положе­ ние, соответствующее измеренному диаметра Д) запускают триггер 6, кото­ рый прекращает работу в момент поступления на него информативного им­ пульса, прошедшего через усилитель 5 и выходной каскад 7. Импульс тригге­ ра, длительность которого равна изменению времени распространения УЗ в жидкости, вызываемого контролируемым давлением, с помощью преобразо­ вателя «время - напряжение» 8 измеряется РП 9. Регулируемый компенсатор напряжения 10, соединенный с преобразователем, служит для подстройки ну­ левого показания РП 9.

Блок задержки предназначен для начальной компенсации времени распрост­ ранения УЗ, соответствующего отсутствию давления в системе. Генератор 11

Рис. 5.3. Функциональная схема бесконтактного УЗ-импульсного измерителя давления в трубопро­ водах УИД-1