книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов

провода для скоростемерной трубчатой вставки. Принцип действия системы заключается в следующем.

Электрические ВЧ-импульсы 4 (в виде пакета из 10-15 периодов синусои­ дальных колебаний, имеющих частотуf) через разделительные блоки 5 одно­ временно поступают на ПЭ 6 в 777 и П2 от генератора 7. ПЭ выполнены в виде дисков диаметром 2а= 8мм из пьезокерамики цирконата-титаната свинца ЦТС19, имеющих частоту толщинного резонанса (частоту свободных колебаний) / = 2,8 МГц. Они преобразуют электрические импульсы 4 в импульсы УЗ коле­ баний указанной частоты, одновременно излучаемые в звукопроводы 2 преоб­ разователей П1 и 772 встречно друг другу под углом а = 2к/9 рад, превышаю­ щим первый критический:

а |кр= arcsin(c,/c,),

(4.34)

определяемый отношением скорости УЗ-волны в ЗП к скорости продольных колебаний в стенке 3 трубопровода. Здесь и ниже углы отсчитываются отно­ сительно нормали к поверхности раздела сред. Звукопроводы обоих преобра­ зователей выполнены идентичными из полистирола (умеренно поглощающе­ го УЗ материала) скорость продольной волны в котором меньше скорости по­ перечной волны в материале трубопровода.

Затухание волны в материале ЗП на расстоянии z определяется множителем exp(-zd). Продольные УЗ-колебания с длиной волны Х/з=0.85 мм распростра­ няются в 377-дах и на внешней поверхности трубопровода трансформируются в поперечные колебания с длиной волны для стали 1,12 мм, распространяю­ щиеся в стенке 3 под углом, определяемым выражением:

sinfy = с с”1since.

(4.35)

Среднее время распространения волны в ЗП составляет:

т = / 3/с/3.

(4.36)

Продольная волна в материале стенки не распространяется, испытав полное внутреннее отражение в стенке, (предполагается, что толщина h стенки трубо­ провода значительно больше длины трансформированной поперечной волны). Распространение излученной волны в ЗП происходит в ближней зоне протя­ женностью, определяемой выражением

гБ=а/Х. (4.37)

В этой зоне в «акустическом цилиндре» излучение происходит в виде прак­ тически нерасходящихся УЗ-лучей.

Для применяемых в УЗКР ТП коротковолновых акустических излучателей, волновой параметр которых ka » 1 (к = 2к/Х), распределение УЗ-давления в поле излучения гармонических колебаний и длительных импульсов описыва­

ется [46] интегралом Г. Гельмгольца - Н. Бражникова (2.10). Из его решения следуют формулы для давлений p(z) на оси ПП (2.11) и ра на акустическом цилиндре (2.30). Согласно этим формулам зависимости давлений от обобщен­ ной координаты z/zBбез учета затухания в полистироле, выбранном в качестве материала 377-дов 2, приведены в табл. 1.2 и 2.2. В АПР протяженность ближ­ ней зоны составляет величину zB= 18,8 мм на частоте 2,8 МГц. Протяженность пути волны в 3/7, исходя из минимума затухания, рассчитана меньшей zB.

Из указанных таблиц следует, что в ближней зоне осевое давление и давле­ ние на акустическом цилиндре подвержены существенным изменениям в за­ висимости от безразмерного расстояния zkJa. Однако, измерения среднего, по сечению акустического цилиндра, давления рср, выполненные для воды с по­ мощью ПЭ, имеющего ка = 40, и приведенного на рис. 2.2, показывают, что изменения p{z) и ра в малой степени влияют на среднее давление в ближней зоне. Коэффициенты ослабления среднего давления рср в точке ввода цент­ рального луча в стенку 3 трубопровода (/3/zB= 12/18,8) составляют следующие величины: 0,87 — без учета затухания в 317 и 0,67 — с учетом затухания в полистироле. Затуханием в стенках трубопровода из-за его малости можно пре­ небречь.

В реальных условиях функционирования преобразователей П1 и 772 необхо­ димо принятие мер по ослаблению до приемлемого минимума электроакусти­ ческих помех: низкочастотной, вызванная радиальными колебаниями диско­ вого ПЭ при его импульсном возбуждении, и пяти ВЧ-помех, вызываемых за­ тухающими электрическими колебаниями ПЭ после прекращения колебаний электрического возбуждающего импульса 4 (задний фронт «начального» им­ пульса), а также наклонными отражениями продольной под углом а и попе­ речной 9 под углом а ' = arcsin(c/3c/3_1since) волн в ЗП от его контактной рабочей поверхности и поперечной волны под углом (3, внутри стенки 3 между ее внут­ ренней и внешней поверхностями и отражением от ПЭ в преобразователе на противоположной стороне трубопровода.

Следует отметить, что при прямом поступлении на ПЭ этих отражений по­ мехи по амплитуде более чем на порядок превысят информативный импульс­ ный сигнал, поступающий после прохождения через жидкостный поток 1 от преобразователя на противоположной стороне трубопровода.

Низкочастотная помеха устраняется оптимизацией длительности импульса 4, отношения диаметра к толщине ПЭ и схемной электрофильтрацией. Дли­ тельность начального ВЧ-импульса ПЭ и соответственно ее амплитуду к мо­ менту времени поступления информативного сигнала от противоположного ПП снижают повышением частоты/ и уменьшением механической добротно­ сти ПЭ нагрузкой его на ЗП без промежуточного слоя.

Отражения 8 и 9 от рабочей поверхности ЗП при спроектированных пара­ метрах ПП были направлены мимо наклонной плоскости, где установлен ПЭ,

(соответственно под углами п/2 - а и п/2 - а') на боковую поверхность 10 ЗП 2, покрытую слабоотражающим звупоглощающим слоем. Материал слоя (полимеризовавшаяся эпоксидная смола ЭД-5 с 50%-ным мелкодисперсным по­ рошком окиси свинца) имеет параметры: р = 1980 кг/м3, с/с = 1740 м/с, ô/c=

=190 м~хпри/ = 2,8 МГц. Близость его импеданса zlcк импедансам ЗПzh= ссь

иzn= ссп обеспечивает малый коэффициент отражения. Такое покрытие име­ ют также и две другие нерабочие поверхности ЗП, на которые поступают от­ ражения от поверхности 10. В результате многократного отражения первона­ чально отраженные импульсы 8 и 9 поступают на ПЭ с ослаблением до уровня третьего порядка малости по отношению к информативному сигналу. Анало­ гично ослабляются поступившие в ЗП (трансформированные в продольные и поперечные волны) под углами а и а / отражения поперечной волны из стенки трубопровода. Они также проходят мимо ПЭ к покрытой звукопоглощающим слоем боковой поверхности 10 с последующими отражениями к другим демп­ фированным нерабочим поверхностям ЗП.

Промышленные жидкостные потоки в большинстве своем являются турбу­ лентными с квазипараболическим распределения скорости потока по попе­ речному сечению трубопровода (с максимумом vmна его оси, существенно отличным от средней скорости и). При этом у внутренней поверхности ско­ рость потока близка к нулю. Преломленная волна (трансформированная из поперечной волны стенки) входит в поток контролируемой жидкости под уг­ лом, определяемым выражением

sinp = cc”1sinp/ = cc/3_1since.

(4.38)

Скорость волны в движущейся жидкости cvравна векторной сумме скорос­ тей в неподвижной жидкости с и потока прв слое жидкости с радиусом с отно­ сительно оси трубопровода, и ее модуль определяется выражением

с„= (с2 + V 2+ 2ct>psinp)0-5,

(4.39)

где при распространении волны по потоку (для 771 на рис. 4.38) скорость о берется со знаком плюс, а против потока (для 772) со знаком минус. Вслед­ ствие послойной рефракции угол распространения продольной волны в жид­ кости по потоку плавно увеличивается от р при входе в поток до максимума на оси трубопровода и затем уменьшается до Р на протиивоположной стороне его поверхности. Для акустических лучей, распространяющихся против пото­ ка, угол, характеризующий направление распространения относительно нор­ мали к оси трубопровода достигает минимума и затем увеличивается, дости­ гая Р на противоположной стороне внутренней поверхности трубопровода.

Кажущееся на основании (4.39) представление об уменьшении времени рас­ пространения волны в жидкости по потоку, и его увеличении против потока ошибочно. Согласно теории [7, 212], относительное увеличение скорости с

ультразвука вследствие послойной рефракции приводит к такому же увеличе­ нию пути распространения волны в жидкости. При распространении волны против потока относительному уменьшение скорости УЗ с соответствует та­ кое же уменьшение пути распространения волны. Вследствие этого, время ее распространения в жидкости, как по потоку, так и против него, не зависит от средней скорости потока v и определяется выражением

Тж = 2R j C ^os^p.

(4.40)

Волна, падающая из потока под углом Р на стенку, трансформируется на ее границе в поперечную волну, распространяющуюся в стенке под углом, рав­ ным arcsin^c^sinp), или, с учетом (4.38) — под углом р, (преломления излу­ ченной волны после ввода в стенку), определяемым выражением (4.35). На границе стенки с рабочей поверхностью ЗП противоположного ПП попереч­ ная волна трансформируется в продольную, распространяющуюся в ЗП этого ПП под углом arcsin(c/3c ‘1sinP/), равным углу а излучения. Не изменяя време­ ни тж распространения продольной волны в жидкости, поток, вследствие по­ слойной рефракции и соответствующего изменения скорости волны с в жид­ кости по (4.29), вызывает геометрический «снос» волны. При распростране­ нии волны по потоку (от Я1) «снос» уменьшает средний путь в приемном ЗП П2 и время распространения в нем. Против потока (от П2) «снос» увеличивает средний путь в приемном ЗП П\ и время распространения волны в нем. Пол­ ные времена распространения УЗ в совмещенном акустическом тракте систе­ мы, с учетом (4.40) определяются согласно (4.5) выражениями:

T+V= 2(тз	+ Тж + /7cr_1cosPf) - 2RTvc~2Bartgp по потоку и	(4.41)
T+v= 2(тз +	Тж + /zc-1cospf) + 2RTvc~2BaTtgp против потока.	(4.42)

Акустико-гидродинамический коэффициент лучей УЗ-волн определяется [14, 208] формулой Н. Бражникова. Полагая в этой формуле отношение a/RT« 1, а условие симметрии АПР выполненным, из (4.6) получим:

(4.43)

Зависимость Т|о от Ьа,, определяемого расстоянием b точки излучения луча волны до плоскости, проходящей через ось потока и акустические оси преоб­ разователей, дана в табл. 4.2.

Поступившие в звукопроводы продольные волны с временами распростра­ нения T_VB П1 и т+и в П2 преобразуются пьезоэлементами 6 в электрические высокочастотные импульсы 11 и 12, с фазовым сдвигом друг относительно друга, описываемым согласно (4.41) и (4.42) выражением:

Аф = 2K(X V- x J / = S n fR ^ x c X c * - c2sin2p)0*5sinp

(4.44)

Т аб л и ц а 4.2

В заим озависим ости акустических п арам етров в изм ерителе скорости потока

К	0	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
О - ъ ? Г	1	0,994	0,980	0,954	0,916	0,866
л«	0,442	0,438	0,400	0,357	0,302	0,233
пропорциональным и		контролируемого жидкостного потока.

Импульсы 11 и 12 информативных акустических сигналов (прошедших, со­ ответственно, против и по направлению потока) вместе с начальными импуль­ сами ПЭ поступают через блоки биполярного ограничения 13 и 14 в селектор­ ные усилители 75 и 16, соответственно. Усилители управляяются селектирую­ щими импульсами 17 синхронизатора 18, запускающего также и генератор 7. Блоки 13 и 14 служат для предотвращения электрического пробоя входов уси­ лителей возбуждающими ВЧ-импульсами 4. Селектирующие импульсы 17 блокируют двухсторонне-амплитудно ограниченные начальные импульсы, а также обеспечивают прохождение на выходы усилителей лишь информатив­ ных сигналов.

Через ФР-ры 19 и 20 и амплитудные стабилизаторы 21 и 22 информативные сигналы поступают в импульсный фазометр 23. В последнем разность фаз информативных сигналов преобразуется в выходной сигнал, поступающий в регистратор 29 скорости потока и автоматическую систему управления (АСУ) технологическим процессом в аналоговой или цифровой форме.

Стабильность автоматического контроля скорости потока в существенной мере зависит от амплитуды К р на ПЭ в преобразователях, величины информа­ тивного сдвига фаз Д<р и чувствительности фазометра.

Экспериментальные данные [211] рассматриваемой системы при контроле потока гидрометаллургического раствора сернокислой меди с весовой концен­ трацией 5% в трубопроводе диаметром 2RT = 50 мм и толщиной стенки 5 мм приведены ниже в табл. 4.3. Для скорости потока, равной 3 м/с при 0 Г= 0,03 измеряемый фазовый сдвиг, составляет 1,14 рад. При чувствительности ФЗ, равной в 0,002 рад, разрешающая способность контроля скорости потока ис­ следованного в [211] гидрометаллургического раствора не хуже ±0,2 %. Высо­ кий уровень электрических сигналов преобразователей (десятки мВ) не предъявляет особых требований к электронным блокам.

Т аб л и ц а 4.3

Э к сп ери м ен тальн ы е д ан н ы е исследования систем ы У З -контроля скорости п отока

с, м/с \,Л 1М 2ж, М Н с/м 5,л* Flip» мВ То, МКС

1519

0,54

1,60

0,1

37

52

4.6. Время-импульсные измерения расхода сред

Впервые измерение скорости потока по интервалу времени между приняты­ ми УЗ импульсами, прошедшими по потоку и против потока, предложили: бесконтактным способом в трубопроводах Н. Бражников [11,205] в 1958 г .ив реках — контактным способом Г. Миллер, У. Ричардсон, Н. Серотга [273] в 1959 г. Время-импульсные методы измерения скорости потока и, соответствен­ но расхода, различных сред подразделяются на двухканальные [15,274,275] и одноканальные [16, 276-278] с применением бесконтактных АПР [11, 12] и одноканальные — для малых потоков с использованием контактных осевого [21,279-283] и углового [284] АПР.

Время-импульсное измерение расхода жидких сред в промыленных усло­ виях (особенно когда контролируемая среда является химически агресивной, радиационно-опасной и/или находится под высоким давлением, что исключа­ ет прямой контакт с ней 7777, либо ввод УЗ в среду через «врезные» ЗП в стенке жидкостного трубопровода) базируется на бесконтактном методе Н. Бражни­ кова [11, 12, 278], предусматривающем наклонное УЗ-просвечивание гидро­ трубопровод под закритическим углом.

Погрешность измерения расхода Q минимальна при использовании одного общего акустического канала для волн, распространяющихся по направлению гидропотока и против него. Схема одноканального время-импульсного расхо­ домера приведена на рис. 4.39.

Измеренные импульсно-фазовым способом [4, 278] значения скорости с{и коэффициента S затухания УЗ в контролируемом гидрорастворе сернокислой меди и материалах 3/7-дов вместе с данными по другим твердым средам [6] приведены в табл. 4.4. Для увеличения протяженности ближней зоны излуче­ ния а2IX (а — радиус ПЭ, м;Х — длина волны, м) и повышения крутизны переднего фронта УЗ-импульсов в расходомере использованы: полистирол в качестве материала ЗП и ПЭ из пьезокерамики ЦТС-19 с частотой свободных колебаний 2,8 МГц.

Т а б л и ц а 4 . 4

Значения параметров плотности р, продольной с,и поперечной ct скорости УЗ-волн и коэффициента затухания 5, продольной волны в различных средах

				М атериалы, среда
	П арам етры	полистирол	оргстекло	сталь 1X 18H9T	ЭД-5 с 50%	ф арфор М23	C u S 0 4, 5%
					РЬО		раствор
	р , к г/м 3	10 6 0	11 8 0	7 7 0 0	1980	2 4 0 0	1 100
	си м /с	2 3 8 0	2 6 5 0	5 7 2 0	1740	5 6 0 0	1 5 1 9
	ct м /с	И З О	1 110	3 1 4 0	—	3 3 0 0	—
	5 /,л Г 'д л я :		23	0 ,6	6 0	0 ,2	—
	1,0 М Гц	9
							0,1
	2 ,8 М Гц	2 2	4 8	1,2	190	0 ,4

Р и с .4 .3 9 . Ф у н к ц и о н ал ь н ая сх ем а б еск о н так тн о го У З -вр ем я -и м п у л ьсн о го расходом ера

Ввод УЗ-импульсов в гидропоток 1 из 3/7-дов 2 акустических ППАП1 и AIJ2 осуществляется с противоположных сторон трубопровода через его стенки 3. Электрические импульсы 4 (в виде двух полуциклов синусоидальных колеба­ ний амплитудой 20 В) через разъемы 5 поступают одновременно на ПЭ 6 в АП1 и АП2 от задающего генератора ЗГ через идентичные усилители мощно­ сти УМ1 и УМ2.

Запуск ЗГ осуществляется синхроимпульсами 7 генератора синхроселекции ГСС. ПЭ преобразуют импульсы 4 в импульсы УЗ колебаний, одновременно излучаемые в ЗП 2 АП1 и АП2 встречно друг другу под углом а = 2л/9 рад, превышающим первый критический угол а 1кр = arcsin(c/3c/"1), определяемый отношением скоростей УЗ в ЗП chи стенке 3 трубопровода сг Распространяясь в ЗП 2, продольные УЗ колебания с длиной волны Хь = 0,85 мм на внешней поверхности трубопровода испытывают трансформацию в поперечную волну (длиной X = 1,12 мм для стали), распространяющуюся в стенке 3 под углом р,= arcsin(сьс~'). Продольная волна в стенке, толщина которой h > X, не рас­ пространяется, испытывая полное внутреннее отражение.

Вследствие осевой симметрии гидротрубопровода УЗ-волна, после ввода в

поток 1 под углом Р0и его пересечения, распространяется в противоположной стенке под углом Рг и под углом а в ЗП приема. Принимаемую волну ПЭ пре­ образует в информативный импульсный сигнал с амплитудой V и временем распространения Хь, зависящим от средней скорости V потока и расхода Q. Временной сдвиг Ат между принятыми АП\ и АП2 импульсами после встреч­ ного прохождения УЗ-колебания против и вдоль направления потока и УЗдавление излучения рассчитывают по формулам Н. Бражникова (1.10), (1.22) и (4.11). Взаимозависимость параметров Т |о и Ъа, влияющих на временной сдвиг, приведена на рис. 4.40.

Достигнутая (одноканальностью расходомера) минимизация погрешности измерения расхода Q (за счет симметрии акустических трактов распростране­ ния волны по потоку и против него) сопровождалась возникновением помех, обусловленных затухающими электрическими колебаниями ПЭ после прекра­ щения электрического возбуждения импульсом 4 (задний фронт «начального» импульса) и эхо-импульсной реверберацией. Последняя вызвана отражения-

Р и с . 4 .4 0 . В за и м о з а в и с и м о с т ь а к у с т и ч е с к и х п а р а м е т ­ р о в Т|л и ЬаУ З -р ас х о д о м ер а

	Зависимость экспериментальных значений V , т , V и х				о
		,	р7	р7 пр
		от толщины /1д демпфирующего слоя
ha , м м	Гр,мВ	Тр, МКС	V(o), В	V,р, мВ	Т0, МКС
—	19	86	6,5	84	—
4	2,1	86	6,5	84	88
ми продольной волны 8 под углом а			и поперечной волны 9 под углом

а, ' = arcsin(c/3c7_1) в ЗП от его контактной рабочей поверхности, которые после отражений от боковой поверхности 10 и затем от других нерабочих поверхно­ стей возвращаются к ПЭ со значительным ослаблением.

Экспериментальные значения амплитуды F и времени прихода тр наблюдав­ шегося реверберационного максимума электрических сигналов приведены в табл. 4.5. Здесь же даны амплитуда V и время распространения ^информа­ тивного сигнала в акустическом канале для трубопровода с DT= ОД м и hc = = 4 мм с неподвижным 5 % гидрораствором CuS04. Из полученных данных следует, что реверберационный импульс имеет значительную длительность зад­ него фронта. Он интерферирует с информативным импульсом, «размывая» его передний фронт, по которому ведется отсчет времени распространения.

Для снижения уровня реверберации ЗП 2 было применено покрытие их бо­ ковой поверхности 10 и других нерабочих поверхностей слабоотражающим демпфирующим слоем 11 толщиной /гд = 4 мм из полимеризовавшейся эпок­ сидной смолы ЭД-5 с 50 % наполнением мелкодисперсного порошка окиси свинца РЬО. Значение реверберационного максимума при использовании дем­ пфирования отражено в табл. 4.5. Демпфирование обеспечило приемлемое от­ ношение сигнал/помеха (Fnp/F ), превышающее 30 дБ.

Коэффициент преобразования определяют по величине напряжения F p(o) сигнала при акустическом контакте АП1 с АП2 напрямую (без трубопровода), отнесенной к возбуждающему напряжению, который составил для рассматри­ ваемого случая высокую величину, равную 0,325. Коэффициент акустической прозрачности гидротрубопровода VJV{о), определяющий отношение сигнал/ помеха, сравнительно низок: 0,013. Он значительно возрастает при измерении расхода сред с повышенной химической активностью в случае применения фарфоровых трубопроводов.

Импульсы 12 и 13 информативных сигналов (прошедших, соответственно, против и по направлению потока) вместе с начальными импульсами и ревер­ берационными помехами поступают через узлы биполярного ограничения БП01 и БП02 в селекторные усилители СУХ и СУ2, соответственно. Узлы БПО служат для предотвращения пробоя входов усилителей возбуждающим напря­ жением 4. На другие входы СУ поступают видеоимпульсы 14 длительностью

30 мкс, блокирующие начальные импульсы. Через узлы амплитудной «отсеч­ ки» А01 и А02 реверберационного фона информативные сигналы поступают из СУ1 в генератор нормированных импульсов ГНИдлительностью ти= 150 мкс и из СУ2 в амплитудный детектор АД через усилитель-ограничитель УО. В ГНИ формируется видеоимпульс 15 из сигнала (против потока жидкости) со сдвигом 8т = 25 нс относительно его переднего фронта.

В каскад антисовпадения КАС первым поступает детектированный сигнал 16 (по потоку) от АД и затем, со сдвигом Атд+ 8т относительно него, импульс 15. В КАС из сигнала 16, не совпадающего по времени с импульсом 15, фор­ мируется видеоимпульс 17 с длительностью Лт^+ 8т, пропорциональной, со­ гласно (4.11), расходу Q. Импульс 17 в измерителе длительности ИД преобра­ зуется в выходной сигнал 18, поступающий в регистратор Р расхода и АСУ ТП. Компенсация компоненты 8т в ИД осуществляется сигналом 19, поступа­ ющим из регулятора нуля PH.

Стабильность автоматического измерения расхода зависит (помимо выше­ приведенного отношения сигнал/помеха) от величины информативного сдви­ га Ахд, длительности фронта импульса 15 Дтфн на уровне 0,1 и чувствительно­ сти наносекундного ИД. Для рассмотренного расходомера эксперименталь­ ные данные составили следующие величины: AxQ= 180 нс (для расхода Q = = 120 мъ/ч) и Дтфн= 1 нс на уровне 0,1. При чувствительности ИД в 0,2 нс раз­ решающая способность измерений расхода гидропотока не хуже ±0,12 %.

4.7. Частотно-импульсный контроль расхода жидкостей

Измерение расхода жидкостей по разности частот электроакустической ав­ тоциркуляции импульсов по направлению и против потока впервые предло­ жили: контактным способом Дж. Критц [193-194] в 1954 г. и бесконтактным способом Н. Бражников [12,256] в 1960 г. Частотно-импульсные методы изме­ рения расхода сред подразделяются на двух- и одноканальные с контактными

ибесконтактными АЛР.

4.7.1.Двухканальные методы

Двухканальные частотно-импульсные расходомеры выполняются на основе контактных АПР: углового [192,285], осевого [200], и бесконтактного [12,18, 19, 286-289] типа. Блок-схема получившего значительное распространение бесконтактного частотно-импульсного расходомера УЗР-П Н. Бражникова, О. Вавилова, А. Оганесова [289] приведена на рис. 4.41.

Расходомер состоит из акустического измерительного преобразователя (на трубопроводе 1), в жидкостных трубопроводах которого размещены излучате­