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.

В качестве затвердевающей массы используется К-153. Демпфер изготавливается из эпоксидной смолы с наполнением  из вольфрамового порошка. Клейка всех деталей производится эпоксидным клеем.

 

5.3. Расчет основных  метрологических характеристик

 

Погрешность измерений вызывается следующими основными причинами:

1) Изменение уровня сигнала.  В процессе контроля амплитуда  электрических импульсов меняется.

2) Изменение длительности переднего фронта эхоимпульса. Погрешность возникает в связи с тем, что затухание в акустическом тракте зависит от частоты.

3) Погрешность индикаторного устройства. По условию погрешность составляет  не более 1%.

4) Ошибка настройки измерения. Ошибка при калибровке прибора вызывает систематическую погрешность при последующих измерениях.

m_o = 1; σ_o = 0.35;

          

    

 

6. Описание организации  работ с использованием разработанного прибора

   Датчик уровня разработан  для измерения уровня в жидкостях.  Датчик уровня устанавливается  вертикально к среде измерения.  Минимальное расстояние между  измеряемой поверхностью и сенсором  должно составлять 30 см. Резервуар  следует проверить на возможные препятствия которые иогут возникнуть на пути рассеивания луча. Могут возникнуть следующие препятствия: приточный трубопровод (потоки); боковые стенки и ребра жесткости резервуара. Ультразвуковой датчик уровня производит 8 импульсов в секунду, которые посылаются с нижней поверхности прибора. Когда импульсы покидают прибор, они расширяются под углом до тех пор пока не соприкоснутся с измеряемой поверхностью. Сенсор генерирует 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.

 

 

Приложение А. Обзор существующих технических решений

  

   В данном приложении приводится  обзор и анализ  существующих  технических решений в области  посторения ульразвуковых датчиков. 

   Ультразвуковые датчики уровня производят такие фирмы ,как: «Pepperl+Fuchs», «Мurata», «Accu-Point», «Burkert», «Bourns», «Mikroterm» и др.

 

Датчик  производства VEGASON(Германия).

 

 

Применение: измерение уровня жидких и сыпучих веществ. Диапазон измерения: 0,25…5 м для жидких веществ, 0,25…2 м  для сыпучих веществ. Точность измерения: ± 10 мм. Рабочая температура: -40…+80 °С. Рабочее давление: до 3 бар.

 

 

Исполнение	ХХ	стандартное
	GX	ATEX II 1/2D IP66 T

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

Настроечный модуль с ЖК-дисплеем (Plicscom)	Х	нет
	А	есть
* только в исполнении "А"
** только в исполнении "В" и "С"
*** только в исполнении "D"
Длину кабеля для версий "С" и "D" указывать отдельно

 

 

Компактные уровнемеры Prosonic T FMU 130/131/230/231/232.  

Prosonic T - компактный ультразвуковой  уровнемер для бесконтактного  непрерывного измерения уровня  жидких или групногранулированных  сыпучих продуктов. Семейство  Prosonic T включает три преобразователя. FMU 130, 230 - для сыпучих продуктов (с размером частиц более 4 мм) - с диапазоном до 2 м, для жидкостей - с диапазоном до 5 м. FMU 131, 231 - для сыпучих продуктов (с размером частиц более 4 мм) - с диапазоном до 3.5 м, для жидкостей - с диапазоном до 8 м. FMU 232 - для сыпучих продуктов (с размером частиц более 4 мм) - с диапазоном до 7 м, для жидкостей - с диапазоном до 15 м.

 

 

Предназначение

Prosonic Т предназначены для бесконтактного  измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в условиях агрессивных, взрывоопасных сред при значительных перепадах температуры как измеряемой среды, так и окружающего воздуха. Могут быть использованы для вычисления и индикации объема жидкостей и сыпучих материалов в емкостях.

Применение

В системах водоподготовки и водоочистки, пищевой, химической, нефтехимической, промышленностях в распределенных системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами, а так же в автономном режиме.

Принцип измерения

Основан на определении времени  прохождения ультразвукового сигнала.

Конструкция

Уровнемер представляет собой программируемое  средство измерений и состоит  из ультразвукового датчика и  электронной части в герметичном  корпусе. Настройка прибора осуществляется соответственно условиям применения, как оперативно с помощью кнопок на самом приборе, так и удаленно в программном режиме через различные интерфейсы цифровой коммуникации.

Монтаж

Над поверхностью измеряемой среды  в резьбовом отверстии или  фланцево для FMU 232, а так же на штативе, оправке.

Ультразвуковые уровнемеры Prosonic Т  изготавливаются для конкретных условий применения, под которые  выбираются соответствующие опции  при заказе, и только после этого  прибор поступает в производство.

Опции позволяют реализовать нужные технические данные

взрывозащищенное или обычное  исполнение,

различные виды монтажа: резьбовой, фланцевый, с помощью оправки, специально заказанный,

напряжение питания переменное или постоянное и его значение,

необходимая цифровая коммуникация.

Особенности ультразвуковых уровнемеров Prosonic Т

измерение уровня и расстояния,

программное подавление ложного отраженного  сигнала, установка времени преобразования измерительного сигнала и задержки от 0 до 255 с (используется для исключения ошибки при кратковременном пенообразовании например) и изменение времени преобразования выходного сигнала,

настройка для конкретной области  применения: жидкость/ сыпучий материал, быстрое изменение уровня, открытая/ закрытая емкость, загрузка транспортером, и т.п.

функция самодиагностики прибора (индикация неисправностей и предупреждений в виде кода ошибок и свечения светодиодов), простота настройки и защита данных цифровым паролем,

точность измерений в условиях значительных перепадов температуры  обеспечивается благодаря встроенному температурному датчику,

прибор относительно дешев так  как ультразвуковой датчик и вторичный  преобразователь скомпонованы в  едином корпусе,

настройка прибора выполняется  с помощью 4-х кнопок самого прибора  или удаленно в программном режиме через различные интерфейсы цифровой коммуникации,

и цифровая и графическая индикация  измерительной информации и температуры  ультразвукового датчика на съемном  жидкокристаллическом дисплее или  мониторе компьютера или контроллера.

Основные технические характеристики

Уровнемер Prosonic Т	FMU 130	FMU 230	FMU 131	FMU 231	FMU 232
наименование характеристики	значение характеристики
диапазоны измерений, м  жидкость  сыпучий материал	5		8		15
	2		3,5		7
Зона нечувствительности, м	0,25		0,4		0,6
приведенная погрешность, %	+0,25
рабочая частота, кГц	70		55		37
давление измеряемой среды, МПа	0,3				0,25
выходные сигналы и  питание	2-х провод. соединение  ток. петля 4...20 мА,  4-х провод. соединение 4...20 мА, 24 В DC; 24, 220 В АС, HART, INTENSOR, PROFIBUS PA
материал датчика	PVDF
материал корпуса	полистирол (РВТ)
темп. окружающего воздуха, °С	-20... +60
температура измеряемой среды, °С	-40...+80
степень защиты	IP 67
монтаж	1,5"		2"		Æ 100мм
габаритные размеры, мм	105х112х260				Æ 158х215
масса, не более, кг	5

 

Ультразвуковые датчики  производства компании «Burket».

   Датчики серии Burket 8170/75.

   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.

 

Технические характеристики:

   Диапазон измерения    0…4000 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

   Потребляемая мощность 115/230 В/~( 10% В/~) 50-60 Гц

   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.

Датчики производства «Pepperl+Fuchs».

Серия 30GM-H3 
Расстояния регистрации: 
   - 60 mm ... 500 mm 
  

- 200 mm ... 2000 mm 
   - 500 mm ... 4000 mm 
   - 800 mm ... 6000 mm 
Корпус из латуни M30

Серия VariKont 
Расстояния регистрации: 
   - 60 mm ... 500 mm 
   - 300 mm ... 3000 mm 
со встроенным температурным датчиком 
VariKont корпус со 
   - сменной головкой, 
   - съемным клеммным разъемом и 
   - стандартными размерами крепления

Серия FP 
Расстояния регистрации: 
   - 800 mm ... 6000 mm 
со встроенным температурным датчиком 
FP-корпус с 
   - съемным клеммным разъемом и 
   - стандартными размерами крепления

Существует 2 основных принципа действия:

Однонаправленные системы: 
Передатчик и приемник смонтированы напротив. Если путь сигнала ультразвука прерывается объектом, то выход датчика станет активным.

Преимущество: Высокая дальность действия  

 

 

Отражательные системы:

Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Ультразвук отражается от ближайшего рефлектора.