Разработка системы автоматического контроля уровня сыпучих материалов в цилиндрическом резервуаре (стр. 2 из 15)

масляные вещества могут вызвать налипание на электроды

тонкие слоя непроводящего покрытия, что может стать причиной отказа. [4].

2.4 Емкостной метод

Название метода предполагает, что в его основе лежит определение изменений электрической ёмкости в зависимости от уровня наполнения резервуара. Конденсатор образован стенкой резервуара и щупом, погружённым в его содержимое. Измерение ёмкости осуществляют, как правило, при помощи резонансных схем или мостов переменного тока с самоуравновешиванием. В точном определении уровня решающую роль играют конструкция, изоляция, правильное размещение ёмкостного зонда. поэтому необходимо учитывать следующие факторы: изоляцию зонда, форму резервуара, давление в нём же, температуру контролируемого материала, его зернистость, абразивность, вязкость и т.д.

Измерительный зонд выполнен из проволочного тросика, металлического стержня или трубки.

Достоинства:

простота установки и эксплуатации;

многофункциональность применения;

возможность использования с клейкими веществами;

активная компенсация влияния раскачивания зонда.

Недостатки:

появление пленки на электродах приводит к возникновению

погрешности измерения.

2.5 Ультразвуковой метод

Методы, основанные на измерении времени прохождения сигнала. При известной скорости распространения импульса и измеренном временном интервале можно вычислить расстояние, пройденное импульсом. Необходимо учитывать, что импульс проходит расстояние между излучателем и поверхностью контролируемой среды дважды.

В простейшем и наиболее распространённом случае, когда датчик расположен в верхней точке резервуара, уровень среды вычисляется как разность между высотой резервуара и расстоянием между датчиком и поверхностью среды. Это расстояние вычисляется по измеряемому времени которое необходимо ультразвуковому импульсу для прохождения пути от датчика до поверхности контролируемой среды и обратно (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Ультразвуковой метод

, (2.1)

где Vs – скорость распространения ультразвука в данной среде (воздух). Однако необходимо помнить, что на скорость распространения звука оказывает влияние температура воздуха.

Кроме того, будучи сильно зависимой от температуры, скорость ультразвука зависит от давления воздуха: она увеличивается с ростом давления. Связанные с изменениями давления в нормальной атмосфере относительные изменения скорости звука составляют порядка 5%. Скорость звука также зависит и от состава воздуха, например, от процентного содержания СО2 и влажности. Влияние относительной влажности на скорость ультразвука является меньшим по сравнению с влиянием, оказываемой температурой и давление.

Достоинства:

бесконтактный;

применим для загрязнённых жидкостей;

реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости оборудования;

независимость от плотности контролируемой среды [4, 8].

Недостатки:

большое расхождение конуса излучения;

отражения от нестационарных препятствий;

применим только в резервуарах с нормальным давлением.

3. Основы ультразвука

3.1 Природа получения ультразвука

Упругие механические колебания, распространяющиеся в воздухе, воспринимают обычно как звуки. Это акустические колебания. Если их частота более 20000 Гц, т.е. выше порога слышимости для человеческого уха, то такие колебания называют ультразвуковыми (УЗК). В дефектоскопии применяют частотный диапазон 0,5 – 10 МГц.

Упругие колебания могут быть возбуждены в твёрдых, жидких, газообразных средах. При этом колебательное движение возбужденных частиц благодаря наличию упругих сил между ними вызывают распространение упругой УЗ – волны, сопровождаемое переносом энергии.

Для получения УЗ – колебаний применяют пьезоэлектрические, магнитострикционные, электромагнитно – акустические и другие преобразователи. Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, изготовленные из пьезокерамических материалов или из монокристалла кварца. На поверхности пьезопластины наносят тонкие слои серебра, служащие электродами. При подаче на электроды напряжения пластина изменяет свою толщину вследствие так называемого обратного пьезоэлектрического эффекта. Если напряжение знакопеременно, то пластина колеблется в такт этим напряжением, создавая в окружающей среде упругие колебания. При этом пластина работает как излучатель. И наоборот, если пластина воспринимает упругие колебания, то на её поверхности вследствие прямого пьезоэлектрического эффекта появляются электрические заряды, величина которых может быть измерена. В этом случае пластина работает как приёмник. [1,2,3].

В живой природе ультразвук играет роль радара, при помощи которого животное (дельфин, летучая мышь) ориентируется в пространстве при охоте на добычу, а также при перемещении а полной темноте.

Акустическая информация играет важную роль в ориентации китов. Находясь в специфической для млекопитающих среде, слуховая система китообразных подвергается воздействию разного рода помех, вызванных особенностями водной среды: появление ложных целей из-за температурных особенностей океана, изменения плотности водных масс, звуки поверхностных вод (шум ветра, волн, дождя и т.д.), звуки рыб, позвоночных, беспозвоночных и самих китов. Благодаря своим физико-химическим свойствам, водная среда как канал передачи информации имеет ряд особенностей: скорость распространения акустических колебаний примерно в 5 раз превосходит таковую в воздухе, благодаря неоднородности воды по температуре, солености, насыщенности кислорода акустические сигналы могут распространяться не прямолинейно. Пороговая кривая слуха дельфина афалины, в общем, согласуется с распределением интенсивности океанических шумов по спектру. Это по существу обеспечивает отстройку по интенсивности от преобладающих шумов океана, максимальная интенсивность которых сосредоточена в низкочастотной области до 100 Гц и резко уменьшается уже на частоте 10 кГц. Слух дельфинов обеспечивает отстройку от большинства аддитивных шумов.

Как известно, в процессе охоты и ориентации дельфины излучают эхолокационные сигналы, которые представляют собой короткие импульсы с шириной спектра от 10 кГц до 200 кГц [1]. Кроме локационных акустических импульсов дельфины излучают свисты, лежащие в диапазоне до 50 кГц, часть диапазона свистов воспринимается человеком непосредственно на слух. Свисты изменяются или не изменяются по частоте, длительности, амплитуде акустического давления, наличием или отсутствием дополнительных гармонических составляющих, что также иногда слышно при прослушивании подводной обстановки. Несмотря на длительные исследования свистовых сигналов у китообразных, об истинном назначении этих сигналов имеются только предположения. В настоящей работе предпринята попытка, экспериментальным путём определить подходы к определению назначения свистовых сигналов у дельфинов [5].

Знание расстояния от раздела сред "вода-воздух", необходимо китообразным для обеспечения точного дыхательного акта "выдох-вдох". Во время преследования добычи эхолокационная система на коротких импульсах сигналах не может обеспечить биологическую систему информацией по всей сфере, т.к. данная система узконаправленная. Надо отметить, что при попадании дельфина в новые условия (пересадка животных из одного вольера в другой или в условия закрытого бассейна), дельфины изучают множество самых разнообразных свистов. При длительном пребывании животного в одной и той же акустической обстановке, акустическая палитра свистовых сигналов становятся значительно беднее. Что свидетельствует об адаптации биоакустической системы к данной помеховой обстановке [5].

В воде зрение теряет основную роль в анализе окружающей среды. На первое место выходит эхолокация, то есть активное "освещение" звуковыми импульсами и прием отраженных сигналов. Дельфины используя эхолокацию различают проволоку толщиной всего 0,15 мм, натянутую поперек бассейна. в котором они плавают, находят в воде шарики трехмиллиметрового диаметра, да еще безошибочно определяют материал, из которого они изготовлены (металл или пластмасса и пр.).

Максимальное количество информации о внешнем мире человеку дает зрение. Наверное, именно по этому очень многие нервные пути вегетативной системы тесно связаны со зрительными буграми - областью мозга, обрабатывающей зрительную информацию. У дельфинов основную информацию дает звук, и, аналогично, большинство путей вегетативной системы у них проходит через область мозга, связанную с эхолокацией.

Специалистами записаны странные звуки, которые издают некоторые виды китов. Со смущением говорят о них как о песнях. Объем мозга разрешает китам такие "излишества". В том, что связано с их жизненными потребностями, в символах своего языка, и киты, и дельфины имеют заслуживающий уважения интеллект. Вот только пищи у них предостаточно, нет необходимости использовать все разрешенные биологическим строением из мозга связи. Не исключено, что малочисленность врагов в среде обитания у китов и дельфинов могла закрепить биохимически в их нервной системе особенности, затрудняющие быструю защитную реакцию на добычу их человеком.

3.2 Типы и скорость ультразвуковых волн

Упругие волны характеризуются скоростью распространения С, длиной волны λ, и частотой колебаний f. При этом под длиной волны понимается расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися с одинаковыми частотами (в одинаковой фазе). Число волн, проходящих в 1 секунду, называют частотой. Длина волны связана со скоростью её распространения соотношением:

. (3.1)