Ультразвуковой датчик уровня

Министерство  образования и науки Украины

 

Национальный  технический университет Украины

«Киевский политехнический  институт»

 

Кафедра информационно-измерительной  техники

 

 

 

 

Ультразвуковой  датчик уровня

курсовой проект по курсу

 «Измерительные  преобразователи»

 

 

 

 

Руководитель                                                               Разработал

Тесленко В. А. ________                           ст.Тарнопольский Д. П.

      подпись                                                          _________

Защищен с оценкой:                                                           подпись

                                                                                                         Гр. ВВ-32

                                                          Зачетная книжка № ВВ-3216

 

 

Киев 2006

 

Пояснительная записка

Содержание

 

1. Введение

2. Назначение и область  применения разработанного прибора

3. Технические характеристики

4. Описание и обоснование  выбранной конструкции

5. Расчёты которые  подтверждают работоспособность

    конструкции

5.1.  Расчеты основных  конструктивных элементов

5.2. Разработка и расчет  схемы включения измерительного 

       преобразователя  

5.3. Расчет основных  метрологических характеристик

6.   Описание организации  работ с использованием

      разработанного  прибора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Введение 

   Звук с частотой превышающий диапазон восприятия человеком (обычно 20КГц), называется ультразвуком. В ультразвуковом неразрушающем контроле и толщинометрии используются звуковые волны в диапазоне от 100КГц до 50МГц.

   Целью разработки является проектирование  ультразвукового датчика для определения уровня жидкости в закрытых емкостях, контейнерах, баках. Диапазон измеряемых уровней : 0... 1200 мм. Пределы допускаемой погрешности измерений: 1 %.

 

2. Назначение и область применения  разработанного прибора

   Измерение уровня жидкости  в контейнере или трубе с  использованием неинвазивного метода (непосредственное измерение уровня), а также определение или отсутствия  жидкости в герметичной емкости.

   Измерение уровня едких  или химически активных жидкостей   в процессе химического обогащения, когда контейнеры нельзя открывать  исходя из соображений безопасности, а характер химиката или процедуры  не позволяет использовать внутренний уровнемер.

  Измерение слоя нефти, располагающегося  на поверхности воды в нефтяных  технологических установках. В принципе, можно измерять любой слой  жидкости, на поверхности другой  жидкости, если они обладают различным  акустическим сопротивлением.

 

 

 

 

  

3.  Технические характеристики

   Диапазон измерения    0…1200 мм

   Разрешение    3 мм

   Мертвая зона   30см  от основания сенсора

    Частота импульсов   8 имп/сек

   Монтажная резьба   G2 или NPT 2

   Температура среды   -40…+80

   Рабочее напряжение   18…32 В

    Максимальный ток   200мА

Условия окружающей среды

   Температура хранения    -20… +60

   Отн. влажность  воздуха   80 %

   Рабочая температура   -20… +60

   Степень защиты  – корпус   IP 65

   Степень защиты  – корпус сенсора   IP 67

Конструкція

   Размеры   см. раздел

   Вес    1 кг

Соприкасающиеся со средой материалы

   Корпус электронного  блока   Поликарбонат +20 % стекловолокно

   Материал преобразователя   ПВДФ/РОМ

   Защитная лицевая  пленка   Полиэстер

Нормы

   Излучение помех    Соответствует основной норме  En 50081.1

   Помехоустойчивость   соответствует основной норме  

                                            EN 50082.2. Необходимо учитывать,

                                            что помехи вызванные кабелем  40-80 МГц  

                                            могут вызвать падение выходного  тока 

                                            на 10 %.

 

Безопасность   Согласно правилам по безопасности для 

                           измерительных инструментов для  регулирующей и

                           лабораторной техники NF EN 61010-1.

 

Для сравнения приведем технические  характеристики ультразвукового уровнемера МТМ 900 отечественного производства:

 

  Диапазон измерения    0…4000 мм

   Выходные сигналы 0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА.

    Частота импульсов   8 имп/сек

   Температура среды   -40…+80

      Напряжение питания DC 24 B + 10% - 15 %

Потребляемая  мощность, не более 6 Вт

   Допустимый ток коммутации реле, не более   3 А

Условия окружающей среды

   Температура хранения    -30… +50

   Отн. влажность  воздуха   80 %

   Рабочая температура   -30… +50

   Степень защиты  – корпус   IP 54

   Степень защиты  – корпус сенсора   IP 67

Конструкція

      Вес    3 кг

 

4. Описание и обоснование  выбранной конструкции

    Бесконтактный датчик уровня состоит из ультразвукового сенсора и электронного модуля с преобразователем сигнала и индикацией. Датчик устанавливается вертикально к среде измерения. Минимальное расстояние между сенсором и измеряемой поверхностью должно составлять минимум 30 см. Ультразвуковой

датчик  уровня производит 8 импульсов в  секунду, котрые посылаются с нижней поверхности прибора. Когда импульсы покидают прибор, они расширяются  под углом  до тех пор пока не соприкоснутся с измеряемой поверхностью. Ультразвуковой датчик уровня может быть установлен на крышку резервуара при помощи стандартного фитинга с резьбовым соединением G 2” (NPT 2) или при помощи любого аналогичного.

   Сенсор генерирует и излучает 8 ультразвуковых волн в секунду.  При их распространении в воздухе они лишь немного ослабевают. При попадании на поверхность жидкости или твердую поверхность они отражаются и принимаются обратно сенсором. В зависимости от времени с момента излучения до момента приема сенсором обратного луча электроника производит расчет между основанием сенсора и средой, используя при этом прогрессивные методы обработки сигнала, включая температурную компенсацию и подавление нежелательных помех, возникающих на пути до измеряемой поверхности для достижения правильного и точного измерения.

 

5. Расчёты которые подтверждают  работоспособность конструкции

5.1.  Расчеты основных конструктивных  элементов

   Упругие волны характеризуются  скоростью распространения С,  длиной волны  и частотой . При этом под длинной волны понимается расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися одинаковым образом. Число волн проходящих через данную точку пространства в каждую секунду, определяет частоту ультразвука. Длина волны связана со скоростью ее распространения и частотой колебаний соотношением

 

Произведем расчеты для волн которые распространяются в трансформаторном масле. Скорость волны в этой среде  С=1400мм/с, а частота f=8 имп/сек.

;

Определим частоту f, на которой ведётся контроль:

(МГц)

где λ_оц – оценочная длина волны.

      - скорость волны в топливе.

 Рассмотрим процесс прохождения  короткого импульса ультразвуковых  колебаний в среде. Пьезоэлемент  в виде круглого диска диаметром 2a служит одновременно излучателем и приемником ультразвука. При излучении зондирующего импульса в среде возникает ультразвуковое поле излучения, которое имеет вполне определенные пространственные границы и распределение звукового давления внутри пучка. Вблизи от излучателя на участке, называемом ближней зоной, ультразвуковой пучок почти не расходится и имеет цилиндрическую форму. Протяженность r  этой зоны равна

где f – Частота колебания волны ультразвука;

       С – Скорость распространения ультразвуковой волны.

мм

 

   Потеря энергии dB эхосигнала в среде 1 при отражении от акустической границы со средой 2:

 

Например: потеря dB при распространении сигнала из воды (Z=1.48) в сталь (Z=45.41) составляет -9.13dB; Это так же справедливо и при прохождении сигнала из стали в воду.

   Низшая (основная) собственная  частота  колеблющейся по толщине свободной пластины соответствует полуволновой толщине , т.е. равной половине длины волны в ее материале:

Из этой формулы видно что  чем выше собственная частота, тем  тоньше должна быть пластина.

В нашем случае пластина из цирконата-титаната свинца (ЦТС) скорость =3.3 мм/мкс, поэтому для работы на частоте 2 МГц пластина должна иметь толщину:  

мм.

При колебаниях с частотой, большей  основной собственной частоты, в  пьезоэлементе могут возбудится свободные колебания на высших гармониках, кратных основной частоте.

   Плотность  и вычисляемое через нее волновое сопротивление

 используют в расчетах  по согласованию пьезопластины  со средой, куда излучается УЗ.

  Акустическую добротность (она определяет длительность колебаний после возбуждения) пластины вычисляют по формуле:

где и - волновые сопротивления сред, контактирующих с пластиной без промежуточных слоев.

  Для УЗ контроля наиболее  важен Коэффициент двойного преобразования - отношение амплитуды электрического напряжения принятого сигнала к напряжению возбуждающего преобразователь электрического генератора без

учета промежуточного ослабления Уз в результате затухания и расхождения лучей.

  Коэффициент преобразования  при излучении – отношение  амплитуд возбуждаемых акустических  к возбуждающим электрическим  колебаниям:

Коэффициент преобразования при приеме – отношение амплитуд возбуждаемых на входе усилителя прибора электрических колебаний к акустическим колебаниям принимаемой волны:

P и F – акустическое давление или компонента тензора напряжения;

U и U’ – электрические напряжения.

 

5.2. Разработка и расчет схемы включения измерительного преобразователя 

 

 

Рисунок 1- Блок- схема импульсного ультразвукового  дефектоскопа

1- импульсный  генератор; 

2- излучающая  пластина;

3- ультразвуковые  колебания;

4- исследуемое  изделие;

 

5- усилитель;

6- следящее устройство, двигающее  электронный луч;

7- электронно-лучевая трубка;

8- начальный импульс;

9- приемная пластина;

10- данный импульс;

11- дефект;

12- импульс дефекта;

13- блок питания.

 

От импульсного  генератора 1 на пластину 2 подаются кратковременные импульсы переменного напряжения. В пластине возбуждаются колебания ультразвуковой частоты 3, которые передаются в исследуемое изделие, Такой же импульс подается на усилитель 5, и на следящее устройство 6, заставляющее электронный луч в электронно-лучевой трубке 7 передвигаться слева направо по горизонтали, Луч прочерчивает светящуюся линию, появляется светящийся всплеск 8-начальный импульс. При отсутствии дефекта в изделии ультразвуковой пучок 3 пройдет до противоположной поверхности, отразится от нее, попадет на приемную пластину 9, заставляя ее колебаться. На пластинке 9 возникает разность потенциалов, которая усиливается; сигнал поступает на электронно-лучевую трубку, на правой стороне экрана появится всплеск, называемый данным импульсом 10 (отраженный от дна изделия).

Если есть дефект, то пучок отразится от него раньше, чем от дна и раньше попадет  на приемную пластинку и на экране появится импульс 12, указывающий на дефект, По расстоянию между импульсами можно определить глубину залегания дефекта.

 

Длительность зондирующего импульса с учетом лучевой разрешающей  способности, которая должна быть не хуже двойного минимального размера  дефекта, составляет:

 

Рисунок 2. -  Генератор  зондирующих импульсов.

 

Конденсатор  C  заряжается через резистор R0.Постоянная заряда должна быть по крайней мере в три раза периода зондирования. От величины Е зависит энергия зондирующего импульса.

Наиболее оптимальная  величина ёмкости зарядного конденсатора 10-100нФ.

Тогда :

С*R₀=0.33T

 

 

С учетом возможного увеличения частоты  зондирования величину резистора можно  выбрать в пределах 100 кОм. Принимаем  R₂=100 кОм. Разряд конденсатора С осуществляется через включенный теристор VD5 контур преобразователя. Время разряда не должно превышать половину периода рабочей частоты , т.е.

 

Преобразователь (рис.3) включает в  себя пьезоэлемент 6, демпфер 3,призму 5 с протектором 4,которые собираются в корпусе. Электрическае соединения подводятся через разъём 2.

Рис.3. Схема конструкции преобразователя.

Поляризованый преобразователь приклеивается  к демпферу с одной стороны  и к призме с другой стороны. К  призме со стороны объекта приклеивается  протектор. Призма с протекторами вставляется  в стальной корпус цилиндрической формы и

приклеивается по торцу протекторами к корпусу. Затем через верхнее  отверстие в корпус заливается затвердевающий состав на базе эпоксидной смолы. Перед  заливкой через верхнее отверстие  в корпусе электрические провода  от электродов пьезоэлемента. Окончательная заливка, закрепляющая провода в корпусе, осуществляется в последнюю очередь.