Подпись
Пров.
Н.контр
Утв.
Лит.
Изм
Лист
№ докум.
Дата
Разраб.
Подпись ПояснительнаязапискаСодержание
1. Введение
2. Назначение иобласть применения разработанного прибора
3. Техническиехарактеристики
4. Описание иобоснование выбранной конструкции
5. Расчёты которыеподтверждают работоспособность
конструкции
5.1. Расчеты основных конструктивных элементов
5.2. Разработка и расчет схемы включения измерительного
преобразователя
5.3. Расчет основныхметрологических характеристик
6. Описание организации работ сиспользованием
разработанного прибора
1. Введение
Звук с частотой превышающийдиапазон восприятия человеком (обычно 20КГц), называется ультразвуком. В ультразвуковомнеразрушающем контроле и толщинометрии используются звуковые волны в диапазоне от 100КГц до 50МГц.
Целью разработкиявляется проектирование ультразвуковогодатчика дляопределения уровня жидкости в закрытых емкостях, контейнерах, баках. Диапазонизмеряемых уровней: 0… 1200 мм. Пределы допускаемой погрешности измерений: 1 %.
2. Назначение иобласть применения разработанного прибора
Измерение уровня жидкости вконтейнере или трубе с использованием неинвазивногометода (непосредственное измерение уровня), а также определение или отсутствияжидкости в герметичной емкости.
Измерение уровняедких или химически активных жидкостей впроцессе химического обогащения, когда контейнеры нельзя открывать исходя изсоображений безопасности, а характер химиката или процедуры не позволяетиспользовать внутренний уровнемер.
Измерение слоя нефти,располагающегося на поверхности воды в нефтяных технологических установках. Впринципе, можно измерять любой слой жидкости, на поверхности другой жидкости,если они обладают различным акустическим сопротивлением.
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
3. Технические характеристики
Диапазон измерения 0…1200 мм
Разрешение 3 мм
Мертвая зона 30см от основания сенсора
Частотаимпульсов 8 имп/сек
Монтажнаярезьба G2 или NPT 2
Температурасреды -40…+80
Рабочеенапряжение 18…32 В
Максимальныйток 200мА
Условия окружающей среды
Температура хранения -20… +60
Отн. влажностьвоздуха
Рабочая температура -20… +60
Степень защиты – корпус IP 65
Степень защиты – корпус сенсора IP 67
Конструкція
Размеры см. раздел
Вес 1 кг
Соприкасающиесясо средой материалы
Корпус электронного блока Поликарбонат +20 % стекловолокно
Материал преобразователя ПВДФ/РОМ
Защитная лицевая пленка Полиэстер
Нормы
Излучение помех Соответствуетосновной норме En50081.1
Помехоустойчивость соответствует основной норме
EN 50082.2. Необходимо учитывать,
чтопомехи вызванные кабелем 40-80 МГц
могут вызвать падение выходного тока
на10 %.
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Безопасность Согласно правилам по безопасности для
измерительныхинструментов для регулирующей и
лабораторной техники NFEN 61010-1.
Для сравнения приведем технические характеристикиультразвукового уровнемера МТМ 900 отечественного производства:
Диапазонизмерения 0…4000 мм
Выходные сигналы0-5 мА, 0-20 мА, 4-20 мА.
Частотаимпульсов 8 имп/сек
Температурасреды -40…+80
Напряжениепитания DC 24 B + 10% — 15 %
Потребляемая мощность, не более 6 Вт
Допустимый токкоммутации реле, не более 3 А
Условия окружающей среды
Температура хранения -30… +50
Отн. влажностьвоздуха
Рабочая температура -30… +50
Степень защиты – корпус IP 54
Степень защиты – корпус сенсора IP 67
Конструкція
Вес 3 кг
4. Описание иобоснование выбранной конструкции
Бесконтактныйдатчик уровня состоит из ультразвукового сенсора и электронного модуля спреобразователем сигнала и индикацией. Датчик устанавливается вертикально ксреде измерения. Минимальное расстояние между сенсором и измеряемойповерхностью должно составлять минимум 30 см. Ультразвуковой
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
датчик уровня производит 8 импульсов в секунду, котрые посылаются с нижней поверхности прибора. Когдаимпульсы покидают прибор, они расширяются под углом G 2” (NPT 2)или при помощи любого аналогичного.
Сенсор генерирует иизлучает 8 ультразвуковых волн в секунду. При их распространении в воздухе онилишь немного ослабевают. При попадании на поверхность жидкости или твердуюповерхность они отражаются и принимаются обратно сенсором. В зависимости отвремени с момента излучения до момента приема сенсором обратного лучаэлектроника производит расчет между основанием сенсора и средой, используя приэтом прогрессивные методы обработки сигнала, включая температурную компенсациюи подавление нежелательных помех, возникающих на пути до измеряемой поверхностидля достижения правильного и точного измерения.
5. Расчёты которыеподтверждают работоспособность конструкции
5.1. Расчеты основных конструктивных элементов
Упругие волныхарактеризуются скоростью распространения С, длиной волны
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Произведем расчеты для волн которые распространяются втрансформаторном масле. Скорость волны в этой среде С=1400мм/с, а частота f=8 имп/сек.
Определим частоту f, на которой ведётсяконтроль:
(МГц)
где λоц –оценочная длина волны.
— скорость волны втопливе.
Рассмотрим процесс прохождения короткогоимпульса ультразвуковых колебаний в среде. Пьезоэлементв виде круглого диска диаметром 2a служит одновременно излучателем и приемником ультразвука. Приизлучении зондирующего импульса в среде возникает ультразвуковое полеизлучения, которое имеет вполне определенные пространственные границы ираспределение звукового давления внутри пучка. Вблизи от излучателя на участке,называемом ближней зоной, ультразвуковой пучок почти не расходится и имеетцилиндрическую форму. Протяженность r этой зоны равна
где f – Частота колебанияволныультразвука;
С – Скорость распространения ультразвуковойволны.
мм
Потеря энергии dB эхосигнала в среде 1 при отражении отакустической границы со средой 2:
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Например: потеря dB при распространениисигнала из воды (Z=1.48)в сталь (Z=45.41)составляет -9.13dB; Этотак же справедливо и при прохождении сигнала из стали в воду.
Низшая (основная) собственная частота колеблющейся потолщине свободной пластины соответствует полуволновой толщине
Из этой формулы видно чточем выше собственная частота, тем тоньше должна быть пластина.
В нашем случае пластинаиз цирконата-титаната свинца (ЦТС) скорость
При колебаниях счастотой, большей основной собственной частоты, в пьезоэлементемогут возбудится свободные колебания на высших гармониках, кратных основнойчастоте.
Плотность и вычисляемое черезнее волновое сопротивление
используют в расчетахпо согласованию пьезопластины со средой, кудаизлучается УЗ.
Акустическую добротность (она определяетдлительность колебаний после возбуждения) пластины вычисляют по формуле:
где и — волновыесопротивления сред, контактирующих с пластиной без промежуточных слоев.
Для УЗ контроля наиболееважен Коэффициент двойного преобразования — отношениеамплитуды электрического напряжения принятого сигнала к напряжениювозбуждающего преобразователь электрического генератора без
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
учета промежуточногоослабления Уз в результате затухания и расхождения лучей.
Коэффициент преобразования при излучении –отношение амплитуд возбуждаемых акустических к возбуждающим электрическимколебаниям:
Коэффициентпреобразования при приеме – отношение амплитуд возбуждаемых на входе усилителяприбора электрических колебаний к акустическим колебаниям принимаемой волны:
Pи F – акустическое давление иликомпонента тензора напряжения;
Uи U’ – электрическиенапряжения.
5.2. Разработка и расчет схемы включения измерительного преобразователя
Рисунок1- Блок- схема импульсного ультразвукового дефектоскопа
1-импульсный генератор;
2-излучающая пластина;
3-ультразвуковые колебания;
4-исследуемое изделие;
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
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.
Отимпульсного генератора 1 на пластину 2 подаются кратковременные импульсы переменногонапряжения. В пластине возбуждаются колебания ультразвуковой частоты 3, которыепередаются в исследуемое изделие, Такой же импульс подается на усилитель 5, ина следящее устройство 6, заставляющее электронный луч в электронно-лучевойтрубке 7 передвигаться слева направо по горизонтали, Луч прочерчиваетсветящуюся линию, появляется светящийся всплеск 8-начальный импульс. Приотсутствии дефекта в изделии ультразвуковой пучок 3 пройдет до противоположнойповерхности, отразится от нее, попадет на приемную пластину 9, заставляя ееколебаться. На пластинке 9 возникает разность потенциалов, которая усиливается;сигнал поступает на электронно-лучевую трубку, на правой стороне экранапоявится всплеск, называемый данным импульсом 10 (отраженный от дна изделия).
Еслиесть дефект, то пучок отразится от него раньше, чем от дна и раньше попадет наприемную пластинку и на экране появится импульс 12, указывающий на дефект, Порасстоянию между импульсами можно определить глубину залегания дефекта.
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Длительностьзондирующего импульса с учетом лучевой разрешающей способности, которая должнабыть не хуже двойного минимального размера дефекта, составляет:
Рисунок2. — Генератор зондирующих импульсов.
Конденсатор C заряжается через резистор R0.Постоянная заряда должна быть по крайней мере в три раза периодазондирования. От величины Е зависит энергия зондирующего импульса.
Наиболееоптимальная величина ёмкости зарядного конденсатора 10-100нФ.
Тогда:
С*R0=0.33T
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Сучетом возможного увеличения частоты зондирования величину резистора можновыбрать в пределах 100 кОм. Принимаем R2=100 кОм. Разрядконденсатора С осуществляется черезвключенный теристор VD5 контур преобразователя. Время разряда не должно превышать половинупериода рабочей частоты, т.е.
Преобразователь(рис.3) включает в себя пьезоэлемент 6, демпфер3, призму 5 с протектором 4, которые собираются в корпусе. Электрическаесоединения подводятся через разъём 2.
Рис.3. Схема конструкции преобразователя.
Поляризованыйпреобразователь приклеивается к демпферу с одной стороны и к призме с другойстороны. К призме со стороны объекта приклеивается протектор. Призма спротекторами вставляется в стальной корпус цилиндрической формы и
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
приклеиваетсяпо торцу протекторами к корпусу. Затем через верхнее отверстие в корпусзаливается затвердевающий состав на базе эпоксидной смолы. Перед заливкой черезверхнее отверстие в корпусе электрические провода от электродов пьезоэлемента. Окончательная заливка, закрепляющая проводав корпусе, осуществляется в последнюю очередь.
Вкачестве затвердевающей массы используется К-153. Демпфер изготавливается изэпоксидной смолы с наполнением из вольфрамового порошка. Клейка всех деталейпроизводится эпоксидным клеем.
5.3. Расчет основныхметрологических характеристик
Погрешность измерений вызывается следующими основнымипричинами:
1) Изменение уровнясигнала. В процессе контроля амплитуда электрических импульсов меняется.
2) Изменение длительностипереднего фронта эхоимпульса. Погрешность возникает в связи с тем, чтозатухание в акустическом тракте зависит от частоты.
3) Погрешностьиндикаторного устройства. По условию погрешность составляет не более 1%.
4) Ошибка настройкиизмерения. Ошибка при калибровке прибора вызывает систематическую погрешностьпри последующих измерениях.
mo = 1;σo= 0.35;
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
6. Описание организации работ с использованием разработанного прибора
Датчик уровня разработан для измеренияуровня в жидкостях. Датчик уровня устанавливается вертикально к средеизмерения. Минимальное расстояние между измеряемой поверхностью и сенсоромдолжно составлять 30 см. Резервуар следует проверить на возможные препятствиякоторые иогут возникнуть на пути рассеивания луча.Могут возникнуть следующие препятствия: приточный трубопровод (потоки); боковыестенки и ребра жесткости резервуара. Ультразвуковой датчик уровня производит 8импульсов в секунду, которые посылаются с нижней поверхности прибора. Когдаимпульсы покидают прибор, они расширяются под углом до тех пор пока несоприкоснутся с измеряемой поверхностью. Сенсор генерирует 8 ультразвуковыхволн в секунду. При их распространении в воздухе они лишь немного ослабевают.При попадании на поверхность жидкости или твердую поверхность они отражаются ипринимаются обратно сенсором. В зависимости от времени с момента излучения домомента приема сенсором обратного луча электроника производит расчет междуоснованием сенсора и средой, используя при этом прогрессивные методы обработкисигнала, включая температурную компенсацию и подавление нежелательных помехвозникающих на пути до измеряемой поверхности для достижения правильного иточного измерения.
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Приложение А. Обзорсуществующих технических решений
В данном приложении приводится обзор ианализ существующих технических решенийв области посторения ульразвуковыхдатчиков.
Ультразвуковыедатчики уровня производят такие фирмы, как: «Pepperl+Fuchs»,«Мurata», «Accu-Point», «Burkert»,«Bourns», «Mikroterm» и др.
Датчик производства VEGASON(Германия).
Применение: измерениеуровня жидких и сыпучих веществ. Диапазон измерения: 0,25…5 м для жидкихвеществ, 0,25…2 м для сыпучих веществ. Точность измерения: ± 10 мм. Рабочаятемпература: -40…+80 °С. Рабочее давление: до 3 бар.
Исполнение
ХХ
стандартное
GX
ATEX II 1/2D IP66 T
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись
Дата
Версия / температура процесса
А
компактная с фланцем / 80 °C
В
компактная с шарниром на фланце / 80 °C
С
корпус и антена разделены, присоединение антены — фланец с шарниром / 80 °C
D
корпус и антена разделены, присоединение антены резьбовое / 80 °C
Присоединение/материал
FP
фланец DN250 / PP *
FA
фланец DN250 / алюминий *
AS
фланец с шарниром DN50 / 2" / гальв. сталь **
BS
фланец с шарниром DN80 / 3" / гальв. сталь **
GS
резьба G 1A / гальв. сталь ***
Электроника
V
четырехпроводная +20...+72 В, ~20...~250 В / 4…20мА HART®
P
Profibus PA
F
Foundation Fieldbus
Корпус
D
алюминий, двухкамерное исполнение / IP 66/ IP67
Кабельный вывод
М
М20х1.5
N
1/2 NPT
Лист
.Изм
Лист
№ докум.
Подпись