книги / Ультразвуковой контроль и регулирование технологических процессов
..pdfН.И. Бражников, В. А. Белевитин,
А.И. Бражников
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КОНТРОЛЬ
И РЕГУЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ТУ
/т
«Теплотехник» Москва, 2008
УДК 620.179; 621.034.4-8 Б87
Рецензенты: Кафедра «Физико-технический контроль производства» Московского государственного горного университета,
Докт. техн. наук, проф. В.В. Родионов
Бражников Н. И., Белевитин В.А., Бражников А.И. Ультразвуковой контроль и регулирование. Технологических процессов. — М.: «Теплотехник», 2008. — 256 с.
Книга представляет собой монографию, содержащую Системное изложение физико-тех нических основ современного ультразвукового контроля и регулирования технологичес ких процессов (УЗКР ТП). В-ней рассмотрены исследования и контроль: физических свойств веществ, скорости потока, массотеплообмена и расхода жидких и газообразных сред, концентрации и плотности пульп, бинарных и многокомпонентных растворов, рас стояний, уровня, давления, толщины, поверхностной плотности и качества твердых сред; управление и регулирование обработки металлов и полимеров, дозирование реагентов и других сред технологических процессов. Рассчитана на специалистов по акустике, элек тронике и автоматике, физике, занимающихся исследованиями и контролем твердых, жидких и газообразных сред, разработкой и применением приборов и систем автомати ческого контроля и регулирования технологических процессов в промышленности^Кни га может быть использована инженерно-техническими работниками, студентами, аспи рантами и преподавателями, специализирующимися по направлениям «Приборы и уст ройства контроля веществ, материалов и изделий», «Физико-технический контроль и ав томатизация производственных процессов», «Техническая эксплуатация авиатехники и наземных средств» и др.
Ил. 113. Табл. 22. Библиогр. список: 432 назв.
ISBN 5-98457-056-4 |
© Бражников Н. И., Белевитин В. А., Бражников А. И., 2008 |
г. |
© «Теплотехник», 2008 |
г. |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Предисловие.................................................................................................................. |
6 |
Основные условные обозначения................................................................................. |
8 |
Сокращения............................................................................................................ |
8 |
Предприятия и организации.................................................................................. |
9 |
Обозначения.................................................................................................. |
10 |
Индексы................................................................................................................. |
12 |
Введение....................................................................................................................... |
13 |
Глава L Излучение и общие параметры ультразвукового поля......................... |
16 |
1.1. Излучение ультразвуковых колебаний................................................................. |
16 |
1.2. Общие параметры поля излучателя..................................................................... |
21 |
Глава 2. Структура поля в системе УЗКР ТП ........................................................ |
26 |
2.1. Концепции распределения давления вультразвуковом поле............................. |
26 |
2.2. Параксиальная область поля................................................................................ |
30 |
2.3. Дифракционная поправка на среднее давление |
|
и скорость распространения волны..................................................................... |
32 |
2.4. Давление на акустическом цилиндре в промежуточной |
|
и дальней зонах ультразвукового поля................................................................. |
34 |
Глава 3. Исследование характеристик твердых, жидких и газообразных сред 39 |
|
3.1. Геометрические методы....................................................................................... |
39 |
3.2. Методы акустического импеданса................. |
39 |
3.3. Методы^измерения длины ультразвуковой волны............................................... |
40 |
3.4. Фазовые методы исследования скорости ультразвука........................................ |
48 |
3.5. Время-импульсные исследования скорости ультразвука................................... |
53 |
3.6. Импульсно-фазовые методы контроля скорости ультразвука............................. |
63 |
3.7. Частотно-импульсные методы..................................... |
68 |
3.8. Ультразвуковое давление в поле излучения........................................................ |
71 |
3.9. Методы измерения затухания ультразвука.......................................................... |
72 |
3.9.1. Методы переменного расстояния |
72 |
3.9.2. Методы фиксированного расстояния......................................................... |
76* |
3.9.3. Интерферометрические методы.................................................................. |
77 |
3.9.4. Реверберационные методы............................................................. |
78 |
Глава 4. Ультразвуковой контроль скорости потока |
|
и расхода технологических сред.............................................................................. |
80 |
4.1. Акустико-гидродинамические свойства бесконтактно |
|
просвечиваемого потока....................................................................................... |
82 |
4.1.1. Акустико-гидродинамические свойства потока.................. |
82 |
4.1.2. Основные схемы бесконтактных акустических |
|
преобразователей расхода............................................................................ |
85 |
4.2. Двухканальные фазовые методы........................................................................... |
87 |
||
|
4.2.1. Контактные методы...................................................................................... |
89 |
|
|
|
1. Расходомер газообразных сред................................................................... |
91 |
|
4.2.2. Методы с полубесконтактными акустическими |
|
|
|
|
преобразователями расхода........................................................................ |
93 |
|
V 1. Расходомер РУЗ-282..................................................................................... |
93 |
|
|
V 2. Расходомер УЗР-1......................................................................................... |
96 |
|
|
4.2.3. Бесконтактные методы................................................................................. |
99 |
|
|
V 1. Бесконтактный расходомер РУЗ-714........................................................... |
99 |
|
|
V 2. Бесконтактные экспресс-расходомеры НИАТ.......................................... |
103 |
|
4.3. Одноканальные фазовые методы с коммутацией направления излучения..... |
106 |
||
|
4.3.1. Методы с косвенным измерением разности фаз...................................... |
107 |
|
|
4.3.2. Методы с прямым измерением разности фаз........................................... |
111 |
|
|
|
1. Метод акустической задержки на такт коммутации............. |
111 |
|
|
2. Метод сфазирования опорного напряжения с тактовым сигналом........ |
114 |
4.4. Бескоммутационные одноканальные фазовые методы...................................... |
118 |
||
|
4.4.1. Двухчастотный одноканальный фазовый метод....................................... |
118 |
|
|
4.4.2. Синхронно-фазовые одноканальные методы............................................ |
119 |
|
|
|
1. Расходомеры с одно- и двукратным просвечиванием потока................. |
119 |
|
|
2. Эхо-пакетный фазовый расходомер химреагентов.................................. |
125 |
|
7 |
3. Синхронно-фазовый расходомер нефти УЗР-Т4..................................... |
128 |
|
|
4. Синхронно-фазовый расходомер флотореагентов |
|
|
|
с фокусированием излучения..................................................................... |
128 |
4.5. Импульсно-фазовый контроль средней скорости гидропотока......................... |
130 |
||
4.6. Время-импульсные измерения расхода сред....................................................... |
136 |
||
4.7. Частотно-импульсный ультразвуковой контроль расхода жидкостей.............. |
140 |
||
|
4.7.1. Двухканальные методы............................................................................... |
140 |
|
|
4.7.2. Одноканальные методы.............................................................................. |
142 |
|
Глава 5. Автоматический ультразвуковой контроль физико-химических |
|
||
свойств и состояния технологических сред......................................................... |
144 |
||
5.1. Контроль концентрации растворов и полимеризации сред.............................. |
144 |
||
7 |
5.1.1. Фазовый концентратомер УЗК-Ф.............................................................. |
144 |
|
/ |
5.1.2. Фазовый концентратомер с модуляцией УЗК-292................................... |
145 |
|
|
5.1.3. Время-импульсные концентратомерыУЗК-1Э и УЗК-1............................ |
145 |
|
|
5.1.4. Частотно-импульсный прибор ОСП-2...................................................... |
146 |
|
5.2. Система контроля трехкомпонентных алюминатных растворов....................... |
147 |
||
5.3. Бесконтактный контроль давления в гидросистемах......................................... |
149 |
||
5.4. Спектральный метод............................................................................................ |
151 |
||
5.5. Методы “звенящей стенки” и устройства для их реализации........................... |
153 |
||
|
5.5.1. Распространение ультразвуковых волн в твердой среде........................ |
153 |
|
|
5.5.2. Бесконтактные сигнализаторы уровня...................................................... |
154 |
|
|
5.5.3. Бесконтактный датчик уровня жидкости в закрытом |
|
|
|
|
гидрорезервуаре по методу эхо-импульсной реверберации..................... |
158 |
5.5.4. |
Бесконтактный эхо-импульсный концентратомер........................................ |
160 |
|
Глава 6. Технологическая аэро-гидролокация................................................... |
163 |
6.1. Эхо-импульсный локатор горных выработок.................................................... |
164 |
6.2. Фазовый уровнемер жидкостей......................................................................... |
165 |
6.3. Биэхо-локатор движущихся объектов................................................................ |
167 |
Глава 7. Стабилизация уровня, дозирование пульп |
|
и реагентных сред в технологических процессах............................................... |
169 |
7.1. Стабилизация уровня технологических сред................................................... |
169 |
7.1.1. Стабилизатор уровня и расхода твердой фазы гидропульпы........................ |
169 |
7.1.2. Стабилизатор уровня реагентов в электролизном производстве.................. |
171 |
7.2. Автоматическое дозирование реагентов и жидко-сыпучих сред.................... |
176 |
*7.2.1. Датчик дозатора жидких химреагентов с применением |
|
ультразвуковой нормальной волны........................................................... |
177 |
7.2.2. Двухволновый ультразвуковой датчик дозирования |
|
жидко-сыпучих сред.................................................................................... |
179 |
Глава 8. Автоматизированный ультразвуковой контроль толщины.............. |
184 |
8.1. Контактные ультразвуковые методы.................................................................. |
184 |
8.1.1. Эхо-импульсный высокочастотный толщиномер.................................... |
184 |
8.1.2. Метод ультразвуковой эхо-локации без мертвой зоны........................... |
187 |
8.1.3. Эхо-импульсные толщиномеры без мертвой зоны................................... |
189 |
8.1.4. Контактный толщиномер с совмещенным апериодическим |
|
пьезопреобразователем.............................................................................. |
192 |
8.2. Иммерсионные ультразвуковые методы............................................................ |
197 |
8.2.1. Иммерсионный метод ультразвукового просвечивания.......................... |
198 |
8.2.2. Эхо-импульсный иммерсионный толщиномер........................................ |
199 |
8.3. Методы и системы бесконтактного измерения толщины твердого слоя...... |
201 |
8.3.1. Метод измерения по степени аэроакустической прозрачности............. |
201 |
8.3.2. Информативная отражаемость пленок при аэролокации........................ |
204 |
8.3.3. Бесконтактные ультразвуковые толщиномеры........................................ |
208 |
Глава 9. Ультразвуковой контроль и регулирование качества прессизделий, |
|
проката и поковок.................................................................................................... |
210 |
9.1. Ультразвуковой контроль прессутяжины в прессованных прутках |
|
из цветных металлов................................................................................................. |
210 |
9.2. Контроль качества кованых валов..................................................................... |
213 |
9.2.1. Осевой зонный контроль эхо- и зеркально-теневымспособами.............. |
214 |
9.2.2. Эхо-локация поковок с их цилиндрической поверхности....................... |
215 |
9.3. Экспресс-контроль поверхностной плотности фольги и полимеров............... |
218 |
9.4. Ультразвуковой контроль структуры твердых сред........................................... |
221 |
9.5. Ультразвуковые автоматические датчики натяжения |
|
и толщины тонколистового металлопроката..................................................... |
225 |
9.6. Ультразвуковая САРТ прокатного стана............................................................ |
227 |
Список литературы.................................................................................................... |
233 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Новая область теоретической и прикладной акустики: ультразвуковой конт роль и регулирование технологических процессов (УЗКР ТП) находится в ста дии интенсивного развития. Ее достижения широко используются в авиаци онной, горнодобывающей, машиностроительной, металлургической, нефте химической и других отраслях промышленности. Современное состояние этой области, основы ее теории и практики системно и с достаточной полнотой изложены в данной монографии.
В ее теоретической части значительный интерес вызывают исследование: пьезоэлектрического излучения, гидродинамики потока, свойств УЗ-полей продольных и поперечных колебаний в средах на основе интеграла Г. Гельм гольца - Н. Бражникова, пьезомодуля электро-механического резонанса Н. Бражникова, уравнений Дж. Рэлея - Н. Бражникова для поверхностных коле баний в твердом теле и Н. Бражникова для нормальных волн в гидроемкостях, модуля Юнга для железо-углеродистых сплавов посредством квазипараболы Н. Бражникова.
Крупным этапом в развитии УЗКР ТП стали применения методов: бескон тактного (относительно контролируемой среды) УЗ-просвечивания гидропо тока и быстро движущегося в воздухе твердого слоя с определением поверх ностной плотности и толщины слоя по степени его аэроакустической прозрач ности и «звенящей стенки», по которому источником информации о физичес ких свойствах и уровне жидкости служит стенка гидрорезервуара (или магис трального трубопровода) при возбуждении в ней мод симметричной и анти симметричной нормальных, продольно-поверхностной, релеевской поверхно стной или наклонно распространяющейся поперечной волн. Возможность осу ществимости этих методов открыл, соответственно в 1958, 1968 и 1970 г.г. основоположник УЗКР ТП выдающийся ученый и изобретатель XX века Н. Бражников (автор ряда монографий, свыше 200 научных статей, 187 авторс ких свидетельств СССР, патентов РФ, в том числе 4-х именных, и 38 патентов Великобритании, Германии, США, Франции, Японии и др. стран).
Книгу написали основоположник УЗКР ТП и, известные в научном мире своими публикациями в данной области, его последователи докт. техн. наук Белевитин В.А. и Бражников А.И.
Во введении кратко рассмотрены основные направления УЗКР ТП в различ ных отраслях промышленности.
Глава 1 посвящена теоретическим аспектам УЗ-излучения и общим пара метрам поля пьезопреобразователя.
Вглаве 2 рассмотрены структура поля, концепции его теории на базе работ
Г.Грина, Г. Гельмгольца, Дж. Рэлея, Н. Бражникова, С. Ржевкина, Е. Скучика,
Г.Штенцеля и распределение УЗ-давления на оси, в параксиальной области и
по боковой поверхности акустического цилиндра излучения в промежуточной и дальней зонах поля.
Глава 3 системно излагает методологию измерений длины волны с регистра цией резонанса по амплитуде, фазе, частоте принимаемых колебаний или ре акции возбуждающего генератора; время- и частотно-импульсный, компенса ционный импульсно-фазовый контроль скорости распространения волн; из мерения давления в поле стоячей волны и затухания колебаний.
Вглаве 4 рассмотрены элементы теории акустико-гидродинамических свойств бесконтактно просвечиваемого потока, импульсно-фазовый контроль скорости жидкости, двух- и одноканальный фазовые, частотно- и время-им- пульсные расходомеры, экспресс-контроль расхода жидкости.
Вглаве 5 «Автоматический ультразвуковой контроль физико-химических свойств и состояния технологических сред» рассмотрены методы и устрой ства измерения: концентрации бинарных и трехкомпонентных гидрометаллур гических растворов и давления по УЗ-скорости и спектру импульса ударного возбуждения; плотности и акустического импеданса жидких сред методом «зве нящей стенки» с применением мод нормальных волн и эхо-импульсной ревер берации.
Глава 6 посвящена аэрогидролокации уровня жидкостей, гидропульп и под водных и надводных объектов, горных выработок, расстояний между компо нентами конструкций и механизмов, биэхолокации размеров движущихся объектов.
Вглаве 7 рассмотрены основы методов и системы автоматической стабили зации уровня и дозирования пульп и реагентных сред в гидроемкости посред ством локального возбуждения в ее стенке УЗ-полей поверхностной, попереч ной волн, мод симметричной и антисимметричной нормальных волн.
Глава 8, называемая «Автоматизированный ультразвуковой контроль толщи ны», описывает контактные эхоимпульсные толщиномеры с уменьшенной мер твой зоной измерений (за счет повышения частоты УЗ) и без нее — по методу
Н.Бражникова, основы бесконтактных методов и системы измерения толщи ны твердых листовых технологических сред по степени их аэроакустической прозрачности и отражаемости в воздухе.
Вглаве 9 рассмотрены УЗ-контроль качества и поверхностной плотности обрабатываемых давлением металлов и полимеров, структуры твердой среды по затуханию и скорости УЗ-волн, автоматическое регулирование удельного натяжения и толщины металлопроката с использованием бесконтактных УЗдатчиков.
Приведенный подробный список литературы позволит облегчить широкому кругу читателей более углубленное изучение УЗКР ТП.
Докт. техн. наук А.И. Вольхин
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ (Докт. техн. наук А. И. Вольхин)
Сокращения
АБ - акустическая база (расстояние меж ду излучателем И и приемником П); АД - амплитудный детектор; АЛ - акустический излучатель; АИм - акустический импеданс;
АО - амплитудный ограничитель; АПР - акустический преобразователь рас хода;
АСУ - автоматическая система управле ния; АСД - автоматический сигнализатор дав
ления УЗ-волны; Ат - аттенюатор;
АЭ - акустическая энергия; БГ - блокинг-генератор; БИ - бюллетень изобретений; БИЛИ - блок ИЛИ;
БПО - биполярный ограничитель; БПУ - биполярное пороговое устройство; БУ - блок умножения; БЭ - блок электроники;
ВАЛ - время-аналоговый преобразова тель; ВхС - входной сигнал;
ВыхС - выходной сигнал; ГВИгенераторвозбуждающихимпульсов;
ГНИ - генератор нормированных импуль сов; ГС - генератор синхронизации;
ГСС - генератор синхроселекции; Д - делитель; ДУ - дифференциальный усилитель;
ЖБГ - ждущий блокинг-генератор; ЗГ - задающий генератор; ЗИ - зондирующий импульс; ЗП - звукопровод; ЗС - задатчик скорости;
ЗТ - задатчик толщины; ЗУ - запоминающее устройство;
И - излучатель; ИГ - импульсный генератор;
ИД - измеритель длительности; ИК - измерительный акустический канал;
ИЛИ - информативный прямоугольный импульс; ИЛ - излучающий ПП;
ИС - импульсный сигнал; ИТ - измерительный трансформатор;
КАС - каскад антисовпадения; КИ - контролируемое изделие; КГИ - кварцевый генератор; КО - контролируемый объект; КС - контролируемая среда;
КУ - коммутационное устройство; МД - механическая добротность; МУ - мощный усилитель; ОВ - одновибратор; П - приемник;
ПД - пиковый детектор; ПК - пьезокерамика;
ПП - пьезообразователь; приемный ПП; ГГУ - предварительный усилитель; ПЭ - пьезоэлемент; ПЭИ - пьезоэлектрический И;
ПЭЛ - пьезоэлектрический П; Р - регистратор; РБ - регистрирующий блок;
РДИрасширитель длительности импуль са;
PH - регулятор нуля;
РП - регистрирующий прибор; PC - регулятор скорости;
РСП - раздельно-совмещенный ПП; СБ - селекторный блок;
СПП - совмещенный ПП (и И, и П УЗколебаний); СУ - селекторный усилитель; Трг - триггер;
Тр - трансформатор; УЗ - ультразвук (ультразвуковой); УЗГ - УЗ-генератор;
УК - управляющий каскад; УМ - усилитель мощности; УО - усилитель-ограничитель; УЗКр - УЗ-концентратомер; УЗП - ультразвуковой ПП;
УЗТ - ультразвуковой толщиномер; УУ - управляющее устройство; ФВ - фазовращатель; ФК - формирующий каскад; ФД - фазовый детектор; ФМ - фазометр;
ФР - фазорегулятор; ФРС - феррорезонансный стабилизатор;
ФЧУ - фазочувствительное устройство; ФЧЭ - фазочувствительный элемент; ЭАП - эталонный акустический ПП; ЭАК - электронно-акустический канал; ЭИ - электрический импульс; ЭИм - электрический импеданс; ЭКэлектрические колебания; ЭЛТ - электронно-лучевая трубка; ЭлИ - электрический импеданс; ЭН - электрическое напряжение; ЭП - электрическое поле; ЭС - электрический сигнал.
Предприятия и организации
ВНИИ ТВЧ - Всесоюзный научно-иссле довательский институт токов высокой ча стоты; ВНИКИ ЦМА - Всесоюзный научно-ис
следовательский и конструкторский ин ститут «Цветметавтоматика» ГОСНИИ - Государственный научно-ис следовательский институт;
ГОУ ВПО «ЮУрГУ» - Государственное образовательное учреждение высшего про ф ессионального образования «Ю жноУральский государственный университет»; ГИРЕДМ ЕТ - Государственный институт редкометаллической промышленности; ИГД - Институт горного дела; ЛГУ - Ленинградский государственный университет;
ЛЭТИ - Ленинградский электротехничес кий институт;
МГИ - Московский горный институт; МГИРЭА - Московский государственный институтрадиоэлектроники и автоматики; МИСиС - Московский институт стали и сплавов; НИАТ - Национальный институт авиаци
онных технологий; НТК СЦМА - Научно-исследовательский
комплекс «Союзцветметавтоматика»; СКВ ТНА - Специальное конструкторс кое бюро «Транснефтьавтоматика»; СКВ ЦМА - Специальное конструкторс кое бюро «Цветметавтоматика»; ТРТИ - Таганрогский радиотехнический институт;
ЦКБ УВУЦентральное конструкторское бюро УЗ- и ВЧ-установок.
Обозначения
а - радиус ПЭ и «акустического ци линдра», образуемого излученными лучами ПЭ в ближней зоне, м; Ваг - акустико-гидродинамический коэффициент;
b - расстояние от точки излучения до точки наблюдения УЗ-давления, м; Ъа, Т|а - акустические параметры; Ср Соэлектрическая емкость закреп
ленного ПЭ, эквивалентная емкость
ПЭ, Ф; с, с - векторы скорости распростра
нения волны в жидкости неподвижной и подвижной соответственно, м/с;
с, с,, ch, с1с-скорости распространения продольной волны в неподвижной и подвижной жидкости, звукопроводе и звукопоглощающем слое соответ ственно, м/с;
ср с9,сп, cs- скорости продольной, стер жневой, нормальной и поверхностной волн соответственно в твердой среде,
м/с; Ср сйскорости поперечной волны в
твердой среде (стенке трубопровода) и в звукопроводе, м/с; д/дг- символ частной производной по расстоянию г ;
dS - элемент поверхности излучения
S ,м ,
/ - частота свободных колебаний ПЭ,Гц; G - модуль сдвига, ГПа;
g - концентрация, %; / - мнимое число;
h, hn- толщина, толщина ПЭ, м;
hn- пьезоконстанта деформации, В/м; J0- функция Бесселя нулевого поряд ка;
kæ kh - динамический и статический (по толщине И) коэффициенты элект ромеханической связи; к - волновое число, м
кр kt, ke, kn, ks- волновые числа про дольных, поперечных, стержневых, нор мальных и поверхностных УЗ-ко- лебаний соответственно в твердой сре де, лГ1;
I, î, в, n, s - продольная, поперечная, стержневая, нормальная и поверхност ная волны в твердой среде, м/с; ка - волновое число ПП;
/з - средняя длина звукопровода, м; p(z) - УЗ-давление на оси преобразо вателя при излучении, Н/м; р0, ра- УЗ-давление излучения и на
акустическом цилиндре радиусом а, Н/ м2;
рср- среднее давление излучения по сечению акустического цилиндра, Н/ м ;
Qir Qj? Qie QM~ добротность соответ ственно: полная, демпфера, конструк ционная, механических потерь нагруз ки (акустической);
Rc Ry Rjp RM- сопротивление акусти ческое соответственно: суммарное, демпфера, конструкционное, механи ческих потерь нагрузки, Ом; г - расстояние между точками излу чения и приема, м;
гт- расстояние от точки приема на оси до края излучающей поверхности, м; го- условное расстояние, м;
RT- радиус внутренней поверхности трубопровода, м;
S - поверхность излучения, м ;
ю