Ультразвуковые уровнемер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Братский государственный университет»

Кафедра управления в технических системах (УТС)

Технологические измерения

Контрольная работа

«Ультразвуковые уровнемер»

Выполнил: студент группы

УТСзус-15 А.С. Федоров

Принял: ст. преподаватель

кафедра УТС Т.В. Темгеневская

Братск, 2016 г.

Содержание

Введение

1. Принцип действия и назначение

2. Излучатели ультразвуковых колебаний

3. Применение ультразвуковых датчиков

4. Радарные уровнемеры TankRadar

Заключение

Список литературы

Введение

Как летучая мышь «видит» в полной темноте? -- Ушла не одна сотня лет, что бы человек понял как.

Любознательные ученые проверяли разные гипотезы, такие как экстрасенсорное восприятие, способность чувствовать потоки воздуха и прочие. Для чего проводились эксперименты над животными. Им завязывали глаза или покрывали лаком поверхность крыльев, но мыши все равно были в состоянии облетать препятствия. Так что самой достоверной была экстрасенсорная теория мышиных полетов.

Только сейчас мы с уверенностью можем сказать, что летучие мыши обнаруживают препятствия с помощью ультразвука. Мышь излучает ультразвуковые сигналы во время полета и получает обратно отраженный сигнал, обрабатывая полученную информацию о препятствиях.

Уровнемер является оборудованием, которое в основном применяется для промышленного измерения а также контроля за уровнем жидких и сыпучих веществ в емкостях, в хранилищах, в резервуарах технологических аппаратов и т.п. Второе название уровнемеров - это преобразователями уровня или датчики уровня. С применением данного оборудования решается задача по автоматизации управления и контроля технологических процессов; в следствии чего снижается влияние так называемого человеческого фактора, в свою очередь это позволяет, повысить качество выпускаемой продукции и увеличить оптимизацию в расходе сырья. Также применение уровнемеров позволяет снизить предъявляемые требования к опыту персонала и его квалификации.

1. Принцип действия и назначение

Работа ультразвуковых датчиков основана на взаимодействии ультразвуковых колебаний с измеряемой средой. К ультразвуковым относят механические колебания, происходящие с частотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых колебаний, воспринимаемых человеческим ухом. Распространение ультразвуковых колебаний в твердых, жидких и газообразных средах зависит от свойств среды. Например, скорость распространения этих колебаний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для Жидкостей -- от 1100 до 2000, для твердых материалов -- от 1500 до 8000 м/с. Очень сильно выражена зависимость скорости колебаний в газах от давления.

Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощательная способность разных сред. Поэтому в ультразвуковых датчиках информация о различных неэлектрических величинах получается благодаря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, затухания амплитуды этих колебаний, фазового сдвига этих колебаний.

Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колебаний и прием этих колебаний выполняются электрическим способом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнитострикционные преобразователи. В гл. 7 были рассмотрены пьезоэлектрические датчики, преобразующие давление в электрический сигнал. Это прямой пьезоэффект. Он используется в приемниках ультразвукового излучения. Обратный пьезоэлектрический эффект заключается в сжатии и растяжении пьезокристалла, к которому приложено переменное напряжение. Для возбуждения ультразвуковых колебаний и используется этот эффект. Таким образом, пьезоэлемент может использоваться попеременно то излучателем, то приемником ультразвуковых колебаний.

Магнитострикционные излучатели ультразвука используют явление деформации ферромагнитов в переменном магнитном поле.

Поясним работу ультразвукового датчика на примере эхолота -- прибора для измерения глубины моря (рис. 13.1). При подаче переменного напряжения на пьезоэлемент 1 возбуждаются ультразвуковые колебания, направленные вертикально вниз. Отраженный ультразвуковой импульс воспринимается пьезоэ-лементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука и в воде:

Н = хt/2.

Шкала прибора градуируется непосредственно в метрах. Аналогично действует ультразвуковой локатор, определяющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонталь-лом направлении. Некоторые животные (например, летучие мыши и дельфины) имеют органы ориентировки, действующие по принципу ультразвукового локатора.

Ультразвуковые колебания имеют энергию значительно большую, чем звуковые, поскольку энергия пропорциональна квадрату частоты. Кроме того, сравнительно просто осуществляется направленное излучение ультразвука.

С помощью ультразвуковых датчиков обнаруживают дефекты в металлических деталях: трещины в изделиях, полости в отливках и т. д. Ультразвуковые датчики играют важную роль в дефектоскопии, в неразрушающих методах контроля. Кроме того, ультразвуковые датчики используются в приборах для измерения расхода, уровня, давления.

2. Излучатели ультразвуковых колебаний

ультразвуковой датчик уровнемер излучатель

В ультразвуковых электрических датчиках наибольшее распространение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические излучатели, возбуждаемые с помощью полупроводниковых и электронных генераторов, вырабатывающих переменное напряжение с частотой более 10 кГц. Часто применяется и импульсное возбуждение ультразвуковых излучателей.

Магнитострикционный излучатель стержневого типа (рис. 13.2, а) представляет собой набор тонких листов из ферромагнитного материала, на который намотана обмотка возбуждения. Чаще всего в магнитострикционных излучателях используется никель и его сплавы (инвар и монель), а также ферриты. Форма пластины показана на рис. 13.2, б.

Если стержень из ферромагнитного материала находится в переменном магнитном поле, то он будет попеременно сжиматься и разжиматься, т. е. деформироваться. Зависимость относительного изменения длины ?l/l стержня из никеля от напряженности магнитного поля Н показана на рис. 13.3. Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебании деформации будет в два раза больше частоты переменного возбуждающего поля. Для получения больших механических деформаций используют постоянное подмагничивание стержня, чтобы работать на наиболее крутом участке кривой (рис. 13.3).

Магнитострикционные излучатели работают в условиях резонанса, когда частота возбуждающего поля совпадает (настроена в резонанс) с частотой собственных упругих колебании стержня, которая определяется по формуле

где l -- длина стержня; Е -- модуль упругости; р -- плотность материала.

Для никелевого стержня длиной l= 100 мм частота собственных колебаний составляет 24,3 кГц, амплитуда достигает примерно 1 мкм. Наивысшая частота, на которой еще удается возбудить достаточно интенсивные колебания, составляет 60 кГц, что соответствует длине 40 мм. Помимо основной частоты в стержне можно возбудить и колебания на высших гармониках (при соответствующем креплении стержня), но с меньшей амплитудой.

В пьезоэлектрическом излучателе ультразвуковых колебаний используется пластина кварца (рис. 13.4), к которой приложено переменное напряжение U_x, создающее электрическое поле в направлении электрической оси X (см. рис. 7.1). Продольный обратный пьезоэффект заключается в деформации пластины по оси X.

При этом относительное изменение толщины пластины

Поперечный обратный пьезоэффект заключается в деформации пластины в направлении механической оси Y. При этом относительное изменение длины пластины

Как видно из (13.3), продольная деформация не зависит от размеров пластины, а поперечная деформация, как следует из (13.4), увеличивается с ростом отношения l/а. При напряжениях до 2,5 кВ сохраняется прямая пропорциональность между величиной деформации и напряжением. При больших напряжениях деформация увеличивается не столь быстро и при U_x=25 кВ оказывается на 30 % меньшей, чем рассчитанная по (13.3) и (13.4). Амплитуда колебаний достигает максимума при равенстве частоты приложенного напряжения и частоты собственных колебаний пластины.

Частота собственных продольных колебаний определяется по формуле, аналогичной (13.4), где модуль упругости берется в направлении оси X:

Частота собственных поперечных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси Y:

Для кварцевых пластин f_a=285/а [кГц] и f₁= 272,6/l [кГц], где размеры пластины выражены в сантиметрах.

По сравнению с магнитострикционными пьезоэлектрические излучатели обеспечивают значительно большую (на 1--2 порядка) частоту ультразвуковых колебаний.

3. Применение ультразвуковых датчиков

В ультразвуковых уровнемерах и дефектоскопах используется свойство ультразвука отражаться от границы двух сред. Соотношение между энергиями отраженных и падающих колебаний называется коэффициентом отражения. Этот коэффициент весьма велик для сред, существенно отличающихся по плотности и скорости распространения звука. Например, коэффициент отражения на границе вода -- сталь составляет 88, а на границе вода -- трансформаторное масло он равен 0,6. Но даже и при малых коэффициентах отражения полученный отраженный сигнал вполне достаточен для измерения положения уровня раздела двух сред. Мерой уровня является время распространения колебаний от источника излучения к границе раздела и обратно к приемнику. Эти величины уровня и времени связаны между собой соотношением (13.1). Благодаря свойству ультразвуковых колебаний распространяться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металлическая стенка, что позволяет вести измерение без контакта измерительных элементов с контролируемой средой и без электрических вводов в резервуар.

В ультразвуковых уровнемерах используется в основном импульсный режим передачи колебаний в среду. При этом пьезоэлемент может попеременно работать то излучателем, то приемником ультразвука. Схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 13.5. Электрические высокочастотные импульсы от генератора 2 подаются по кабелю к пьезоэлементу датчика 1, который излучает ультразвуковые колебания в измеряемую среду. Эти колебания отражаются от границы раздела сред и возвращаются к пьезоэлементу, который преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем З и подается на измерительное устройство 4, определяющее время между посылкой импульса генератором 2 и приходом импульса в усилитель 3. В результате многократного отражения посланного импульса могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинаковое время. Частота посылаемых импульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до посылки следующего импульса. Ультразвуковые уровнемеры обеспечивают точность в 1 % при измерениях уровня в 5--10 м в условиях высокой температуры, высокого давления, большой химической активности контролируемой среды. В воздухе ультразвуковые колебания затухают во много раз быстрее, чем в жидких (и вообще в более плотных) средах. Поэтому предпочтительнее располагать излучатель и приемник под резервуаром, а не сверху (рис. 13.5).

В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со скоростью движения этой среды. Схема ультразвукового расходомера показана на рис. 13.6. Пьезоэлементы 7 и 2 располагаются вдоль трубопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в несколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помощью переключателя сработает то излучателем, то приемником. Таким образом, ультразвуковые колебания посылаются то по потоку среды, то навстречу ему. В первом случае скорости колебаний и потока складываются, во втором случае -- вычитаются. После прохождения по среде сигналы, принятые пьезоэлементами, усиливаются усилителем 5 и поступают попеременно на измерительное устройство 6. Разность фаз принятых колебаний будет пропорциональна скорости среды. Градуировка прибора выполняется для определенной среды. При использовании прибора для измерений расхода среды с другим значением скорости распространения ультразвука изменяется и градуировка.

Следует отметить, что измерительные схемы для ультразвуковых датчиков довольно сложны.

4. Радарные уровнемеры TankRadar

Принцип действия

Радарный уровнемер излучает микроволновый сигнал по направлению к поверхности продукта. Нет движущихся частей и нет контакта с жидкостью. Радарный сигнал отражается от поверхности жидкости и возвращается на антенну. Излучение представляет сигнал с непрерывно изменяющейся частотой. При распространении сигнала по направлению к поверхности жидкости и обратно от поверхности жидкости к антенне он смешивается с сигналом, излучаемым в данный момент. Т. к. сигнал, отраженный от поверхности, и сигнал, излучаемый к поверхности, имеют различную частоту, то в результате наложения получается разностный сигнал с низкой частотой. Разница в частоте между излучаемым и отраженным сигналом пропорциональна расстоянию до поверхности жидкости.

Этот метод называется методом частотно-модулированной непрерывной волны FMCW. Для обеспечения точности измерений радарный уровнемер снабжен цифровым эталоном и термостабилизацией электронного блока. Когда измерения выполняются в особо трудных условиях, программное обеспечение уровнемера использует цифровую фильтрацию сигнала и FFT-вычисления по всей высоте резервуара, чтобы исключить паразитные отражения и обеспечить точность измерений. Для проведения измерений в трубах используется уникальный метод специального циркуляционного режима радарной волны с низкими потерями, который практически исключает ошибки измерений, обуславливаемые отложениями ржавчины и продукта на внутренней поверхности труб.Радарные уровнемеры SAAB работают на частоте 10 ГГц, которая оптимальна при балансировании между величиной угла излучения и чувствительностью к конденсату. При снижении частоты увеличивается угол излучения и, следовательно, требуемый объем свободного пространства, а при повышении частоты увеличивается отрицательное влияние конденсации продукта и загрязнения на антенне.

Автоматическая поверка.

Радарные уровнемеры снабжены встроенным устройством автоматической поверки с цифровым эталоном, который обеспечивает максимально доступную стабильность. Для обеспечения прецизионной точности перед каждым измерением уровня выполняется автоматическая поверка канала измерения уровня.

Высокая чувствительность.

Высокая точность требует высокой чувствительности. Чувствительность характеризует возможность измерения расстояний с антеннами различной площади в различных условиях состояния поверхности жидкости. В условия состояния поверхности жидкости входят: сорт жидкости, расстояние до поверхности, рябь на поверхности. Энергия сигнала, отраженного от гладкой поверхности, пропорциональна диэлектрической постоянной жидкости. Однако рябь на поверхности жидкости приводит к резкому ослаблению отраженного сигнала. Поэтому условия поверхности выражают как эффективную диэлектрическую постоянную Eeff, равную диэлектрической постоянной гипотетического продукта, отражающего от гладкой поверхности такой же сигнал, какой отражается от реальной поверхности с рябью.

Большинство радарных уровнемеров могут измерять уровень в диапазоне Eeff от 1,6 до 2,3, т.е. гладкую поверхность нефтепродуктов и поверхность воды с рябью. Радарные уровнемеры SAAB могут измерять уровень всех жидкостей в любых условиях.

Заключение

Наличие ультразвуковых уровнемеров, описанных выше, объясняется наличием контроля и измерения уровня продукта: это измерение различных продуктов в различных условиях, с различной точностью и диапазоном работы.

Следует принимать во внимание что "универсального уровнемера" для решения задач измерения уровня не существует!!!

Каждый выпускаемый прибор имеет большое количество модификаций и опций, позволяющие подобрать наиболее оптимальный прибор для заказчика.

Список литературы

1. Современные датчики. Справочник Дж. Фрайден. 2006. Техносфера.

2. Жарковский Б.И. Приборы автоматического контроля и управления. Учебник. Высшая школа. 1989.

3. http://www.kipia.info/bibliotek/izmerenie_urovnja/ultrazvukovyie-urovnemeryi.

4. http://u-sonic.ru/book/export/html/891.

5. http://www.radarmaster.ru/radarnye-urovnemery-saab.

Размещено на Allbest.ru