Главная | Обратная связь

Контроль параметров движения

Для предотвращения аварий опасных технологических установок часто бывает необходимо контролировать параметры поступательного, вращательного и колебательного движения ее деталей и элементов конструкции. Методы контроля параметров движения по естественной входной величине делятся на две группы. К первой относятся методы, основанные на непосредственном контакте между движущимся объектом и системой, принятой за неподвижную. Контакт при этом может быть механическим, акустическим, оптическим, радио или другим. Входной величиной этих методов является перемещение. Ко второй группе относятся методы, не требующие непосредственного контакта с неподвижной системой отсчета. Они носят названия инерциальных методов. Входной величиной, в этом случае является сила инерции. При осуществлении контроля обычно измеряется параметр, наиболее легко поддающийся измерению. Все остальные параметры получают путем дифференцирования или интегрирования с использованием операционных звеньев.

В качестве последних используются дифференцирующие и интегрирующие электрические цепи (рис. 2.13а) и операционные усилители (рис. 2.13б), а также некоторые виды преобразователей. Так свойством интегрировать входную механическую величину обладают некоторые механические колебательные системы, дифференцировать – индукционные преобразователи. Интегрирующими свойствами обладают

также различные виды указателей: вибраторы, цифровые указатели и др.

 

Рис. 2.13. Пассивные и активные электрические операционные звенья

 

Измерение перемещения при взаимном движении различных узлов механизмов обычно осуществляют теми же методами, что и измерение линейных и угловых размеров. Измерение скорости поступательного движения производится как дифференцированием пути, так и интегрированием ускорения этого движения. Измерение пути и скорости поступательного движения при использовании инерциальных методов производится только путем интегрирования измеряемого ускорения.

Осуществление тех или иных технологических процессов может быть связанно с движением жидкостей или газов. Основными параметрами, которые контролируются при этом, являются расход и общее количество протекшего вещества. Иногда контролируется скорость потока. Расход измеряется непосредственно. Количество жидкости или газа определяется, как правило, путем интегрирования расхода. Приборы, предназначенные для измерения расхода, носят название расходомеров.

Расходомеры, чаще всего применяемые для контроля технологических процессов, могут быть с преобразованием в перепад давления, в скорость вращательного или возвратно-поступательного движения, со сносом излучения, тепловыми и индукционными.

Расходомеры с преобразованием в перепад давлений чаще всего состоят из некоторого сужающего устройства (диафрагма, сопло и др.) и дифференциального манометра, измеряющего перепад давления, создаваемый сужающим устройством. Объемный и массовый расходы при этом выражаются соответственно зависимостями:

и ,

где - коэффициент расхода; s - площадь сечения сужающего устройства; ρ - плотность вещества; Δρ - перепад давления. Подобные расходомеры находят применение для измерения расходов как жидкостей, так и газов при температурах до сотен градусов и давлениях до десятков мегапаскалей.

Наиболее распространенной разновидностью расходомеров с преобразованием в скорость вращательного или возвратно-поступательного движения являются тахометрические расходомеры с турбинными преобразователями (крыльчатками). Они находят применение в трубопроводах и в открытых каналах для измерения расходов различных жидкостей при давлениях до 50 МПа и температурах от –240 ^О до +500 ^ОС. Принцип действия расходомера основан на преобразовании линейного движения жидкости во вращательное движение крыльчатки и далее в э.д.с. обычно с помощью индукционных преобразователей. Кроме того, используются частотные, т.е. с преобразованием в частоту, и стробоскопические тахометры. Применяются также шариковые, поршневые и др. разновидности расходомеров.

Расходомеры со сносом излучения основаны на измерении интенсивности ультразвукового излучения или ионизационного тока, направляемого поперек потока. Для измерения используются, как правило, дифференциальные преобразователи с двумя приемниками излучения или ионизационного тока.

Ионизационный расходомер, принципиальная схема которого показана на рис. 2.14, состоит из помещенных в поток газа приемных электродов и дифференциальной измерительной цепи. На общий электрод (корпус) нанесен слой радиоактивного вещества, ионизирующего пространство между электродами. Электрическое поле, создаваемое между электродами, заставляет ионы двигаться поперек потока со скоростью пропорциональной подвижности ионов и напряженности поля. Измерительная цепь, создающая разность токов обоих приемных электродов, при отсутствии потока уравновешивается. При движении потока ионы приобретают дополнительную скорость в направлении потока, и ток левого на рисунке электрода уменьшается, а ток правого – возрастает.

Кроме рассмотренных расходомеров также применяются тепловые и индукционные расходомеры. Тепловые расходомеры по принципу действия делятся на калориметрические, которые величину расхода измеряют по изменению температуры потока, и термоанемометры, измеряющие величину скорости потока по изменению температуры подогреваемого тела, помещенного в поток.

 

 

Индукционные расходомеры основаны на возникновении между полюсами электромагнита, питаемого переменным током, э.д.с.,

пропорциональной скорости движения потока электропроводной жидкости в трубопроводе, из немагнитного материала.

Особое место в диагностике и контроле повреждений занимает контроль вибраций. При этом контролироваться могут как механические, так и гидродинамические вибрации, носящие периодический, случайный или импульсный характер.

В настоящее время разработаны высокочувствительные методы контроля вибраций всех типов.

Для измерений виброперемещений используют датчики с реостатными, тензорезисторными, индуктивными, фотоэлектрическими, индукционными и другими типами преобразователей.

Для измерения виброускорений применяются те же приборы, что и для измерения ускорений поступательного движения. Наиболее широкое

распространение получили пьезоэлектрические акселерометры, отличающиеся простотой и надежностью конструкции, высокой чувствительностью, малыми габаритами и массой. При контроле низкочастотных процессов применяются акселерометры с параметрическими преобразователями, снабженными цепями коррекции.

При контроле вибраций опасных технологических установок, как правило, используют несколько типов датчиков, устанавливаемых на их наружных поверхностях. Применение разных датчиков позволяет получить достоверную и полную информацию о состоянии установки. Информация снимается периодически и сопоставляется для правильной интерпретации результатов с начальными измерениями вибрационных характеристик.

Для контроля износа и крепления деталей применяются датчики детектирования слабо закрепленных и изношенных деталей.

Контроль прочности

 

Контроль прочности элементов конструкции и деталей технологических установок обычно связан с контролем таких диагностических параметров, как деформации и напряжения, контролем циклической усталости, не разрушающим контролем материалов.

Методы контроля деформаций и напряжений, как правило, основаны на использовании различных типов тензорезисторов, струнных или индуктивных тензометров. Тензорезисторы применяются для контроля внутренних динамических напряжений и малых деформаций, струнные тензометры – статических деформаций. Диапазон контролируемых относительных деформаций (1,5…50,0) %, напряжений до 150 МПа. Типовая схема измерения деформаций приведена на рис. 2.15.

При измерениях линейно-напряженного состояния деталей тензисторы наклеиваются на контролируемый объект в направлении действия напряжения. При контроле сложного напряженного состояния, когда направления главных напряжений неизвестны, используется розетка тензорезисторов.

Тензорезисторы обычно включаются в мостовую цепь. Для уменьшения температурной погрешности в соседнее плечо моста включается такой же преобразователь, наклеенный на тот же самый материал и помещенный в те же температурные условия, что и рабочий преобразователь. Измерительный мост питается переменным напряжением от генератора несущей частоты. Модулированный сигнал несущей частоты с измерительной диагонали моста подается на вход усилителя, где усиливается, а затем демодулируется фазочувствительным демодулятором и через фильтр поступает на вход регистратора, в качестве которого обычно используются шлейфные осциллографы. Цепи усилителя и генератора несущей частоты питаются от выпрямителя.

Обычно деформации и напряжения контролируются в нескольких точках детали или машины, поэтому приборы для их измерения (тензостанции) выполняются многоканальными и содержат до 24 измерительных каналов, типовая структурная схема одного из которых приведена на рис. 2.15.

Контроль циклической усталости производится с целью обеспечения надежности работы оборудования в течение всего срока службы путем контроля фактической истории нагружения оборудования, его тензометрирования и термометрирования на начальном этапе работы. Используемые системы определяют количество циклов за период, прошедший с начала эксплуатации установки, от общего расчетного числа допустимых циклов нагружения оборудования, что позволяет оценить остаточный ресурс работы.

Неразрушающие методы контроля материалов позволяют распознавать аномалии на стадиях изготовления, эксплуатации и ремонта оборудования. Методы неразрушающего контроля материалов отличаются большим разнообразием и включают в себя магнитную порошковую, электромагнитную, радиационную, ультразвуковую, капилярную дефектоскопию, методы магнитного структурного анализа, акустической эмиссии, визуальный контроль.

При визуальном контроле с помощью эндоскопов на базе волоконной оптики можно осуществлять дистанционный контроль материала оборудования, находящегося как в ремонте, так и в эксплуатации. Этот метод контроля позволяет получать информацию о состоянии материала труднодоступных поверхностей, трубопроводов и т.п.

Одним из перспективных методов является метод акустической эмиссии. Акустическая эмиссия представляет собой явление освобождения энергии вследствие возникновения и распространения пластических деформаций и трещин при деформировании материала. Освобожденная энергия в виде акустических волн распространяется в материале и может быть зарегистрирована пьезодатчиками, размещенными на поверхности контролируемой детали. Информативными параметрами регистрируемого сигнала являются амплитуда, интенсивность, энергия и количество импульсов.

Основное достоинство метода заключается в регистрации развивающихся дефектов, представляющих реальную опасность для работоспособности конструкции. По современным представлениям механики разрушения любой материал, любая конструкция имеют в своей структуре дефекты. Поэтому для сохранения их работоспособности в течение срока эксплуатации необходимо, чтобы время развития этих дефектов до критически опасных размеров было больше ресурса конструкции.

Метод контроля акустической эмиссии позволяет дистанционно в реальном масштабе времени контролировать одновременно всю исследуемую конструкцию без сканирования ее поверхности, поставляя главную информацию о возможности наступления аварийной ситуации.

Широкое применение в целях диагностирования и контроля повреждений получила рентгено и гамма дефектоскопия. Она позволяет определять дефекты в деталях и конструкциях из различных материалов, сварных соединениях, контролировать правильность сборки механизмов, нарушения геометрии, взаимосвязи отдельных деталей и их износ.

Определение дефектов в материалах с помощью радиационного контроля основывается на разнице поглощения рентгеновских и гамма излучений при прохождении через материалы, отличающиеся различной плотностью и толщиной. Характер изменения интенсивности излучения при прохождении через дефект показан на рис. 2.16.

Рентгеновский метод применяют для контроля металла конструкций и сварных соединений толщиной до 20 мм, гама метод – больших толщин, а также контроля элементов конструкций, расположенных в труднодоступных местах.

Ультразвуковые методы неразрушающего контроля материалов основаны на законах распространения упругих колебаний и волн в упругих средах. Они делятся на активные, использующие излучение и прием акустических волн, и пассивные методы, основанные только на приеме акустических волн. Ультразвуковые методы достаточно хорошо разработаны и с успехом применяются в различных отраслях машиностроения.

Магнитная порошковая дефектоскопия главным образом используется при контроле готовой продукции, но может быть использована и как профилактический метод обнаружения усталостных трещин в деталях машин без их разборки.

Метод основан на выявлении магнитного поля рассеяния над дефектом ферромагнитными частицами, играющими роль индикаторов. В намагниченном изделии магнитные силовые линии, встречая дефект, огибают его как препятствие с малой магнитной проницаемостью и образуют над ним магнитное поле рассеяния (рис. 2.17).

Электромагнитные методы дефектоскопии делятся на феррозондовые и индуктивные. Физическая сущность феррозондовых методов также состоит в создании магнитного поля и обнаружении его аномалии в области дефекта. Отличие заключается в использовании для обнаружения дефекта пары дифференциально соединенных миниатюрных феррозондов.

Индуктивные методы используют влияние дефектов на вихревые потоки, возбуждаемые в исследуемом участке металла с помощью катушки, питаемой током высокой частоты.

Область применения индуктивных методов та же, что и у метода магнитной порошковой дефектоскопии.

Магнитный структурный анализ основан на связи между структурой металла и его магнитными свойствами. Он включает в себя три группы методов: методы, в которых используется магнитное поле рассеяния намагниченной детали; методы, основанные на использовании остаточной намагниченности и методы, при которых используется индуктивное действие переменных магнитных полей. Последние могут использоваться для диагностики как ферромагнитных, так и неферромагнитных материалов.

Образование трещин при изготовлении и эксплуатации деталей и технологических установок и оборудования происходит в большинстве случаев в поверхностных слоях материала. Размеры начальных трещин так малы, что выявление их невооруженным глазом невозможно, а применение оптических инструментов не позволяет выявить из-за недостаточной контрастности изображения и малого поля зрения при больших увеличениях. Неферромагнитные свойства многих конструкционных материалов не позволяют использовать магнитные методы, а сложность формы деталей и особенности состояния поверхности – акустические и электроиндуктивные методы. В этих случаях используются капилярные методы дефектоскопии, основанные на искусственном повышении контрастности дефектного и неповрежденного участков путем нанесения на них специальных составов и изменения таким образом светоотдачи дефектных участков. В качестве контрастных составов используют свето и цветоконтрастные индикаторные вещества, представляющие собой жидкие органические люминофоры и красители. Для усиления проявления дефектов применяются проявители, обладающие сорбционными свойствами. В зависимости от применяемых индикаторов капиллярная дефектоскопия делится на люминесцентную и цветовую.

Периодический и непрерывный контроль материала опасной технологической установки представляет собой комплексную проблему и часто требует применения нескольких методов, выбор которых определяется типом материала, доступностью контролируемых поверхностей, возможностью автоматизации способов сканирования в зоне контроля и другими обстоятельствами.