Разработка системы автоматического контроля уровня сыпучих материалов в цилиндрическом резервуаре (стр. 3 из 15)

В качестве зависимости скорости ультразвука от температуры используется эмпирическая формула для сухого воздуха при нормальном давлении (1013гПа):

С = С0 + 0,59*t°, (3.2)

где С – текущее значение скорости;

С0 – значение скорости звука при температуре - 0С°;

t° - температура окружающей среды;

0,59 – коэффициент, имеющий размерность м/ С°*с.

В зависимости от направления колебания частиц различают несколько типов волн. Если частицы среды колеблются вдоль распространения волны, то такие волны называются продольными (волнами растяжения – сжатия). В случае, если частицы среды колеблются перпендикулярно к направлению распространения волны, то это волны – поперечные (волны сдвига). Поперечные волны могут возникать лишь в среде, обладающей сопротивлением сдвига. Поэтому в жидкой или газообразной средах образуются только продольные волны [1,11,2].

3.3 Выбор основных параметров

Тип волн определяется габаритами и формой контролируемого изделия, материала. Продольными или поперечными волнами контролируют изделия относительно большой толщины, в несколько раз большей длины волны. Продольные волны используют в том случае, если УЗК необходимо ввести перпендикулярно или под небольшим углом к поверхности; поперечные – если угол ввода должен быть небольшим (35 град. и больше).

Частоту УЗК выбирают с учётом затухания УЗК в материале и габаритов контролируемых изделий; для уровнемеров затухание характеризуется самой средой контроля. Чем выше частота, тем меньше длина волны в среде, и тем хуже отражение от поверхности материала (жидкость или сыпучий материал), так как волны, длина которых меньше размеров частиц материала, многократно отражаются от частиц и тем самым поглощаются в материале; а для дефектоскопов наоборот: чем меньше длина волны, тем лучше отражение от скрытых дефектов в изделии.

Мощность импульсов вводимых в среду устанавливают изменением длительности возбуждающего импульса [2].

3.4 Помехи при контроле ультразвуковом методом

При контроле эхо методом важно, чтобы пришедший сигнал был гораздо выше фона помех, шумов. Существует несколько видов помех:

электрические помехи связаны с работой различных контактных устройств, и другой аппаратуры. От электрических помех можно бороться шунтированием шин питания керамическими конденсаторами, экранированием прибора (усилителя и фильтров);

акустические внешние помехи возникают в результате трения или ударов по контролируемому изделию (для дефектоскопов). Для уровнемеров они не столь сильно важны;

помехи приёмника уровнемера (дефектоскопа) связаны с шумами элементов усилительного тракта. Эти помехи препятствуют увеличению коэффициента усиления и ограничивают значение регистрируемого прибором сигнала. Для их подавления применяют дифференциальные усилители на операционных усилителях или на дискретных элементах, а также снимают входное сопротивление усилителя, ставят фильтры;

шумы преобразователя появляются в связи с многократным отражением УЗ в пьезоэлементе, протекторе, слое контактной жидкости и затягивают действие зондирующего импульса. По мере удаления от зондирующего импульса эти помехи исчезают. Наименьшим уровнем помех обладают преобразователи раздельного типа;

ложные сигналы возникают в результате отражения УЗК от стенок резервуара. Эти сигналы мешают выявлению истинного сигнала на экране осциллографа;

структурные помехи связаны с рассеянием УЗК на структурных неоднородностях, крупинок сыпучего материала. Эти помехи называют структурной реверберацией. Сигналы в результате рассеяния УЗК на различных неоднородностях, приходят к приёмнику в один и тот же момент времени и складываются. В зависимости от фаз отдельных сигналов они могут взаимно усилиться или ослабить друг друга. Отличительной особенностью структурных помех является наличие большого количества импульсов на всей линии развёртки экрана осциллографа или на значительном её участке. Эти импульсы часто называют «травой». Такие сигналы быстро изменяют своё положение, исчезают и появляются при небольших перемещениях преобразователя (излучателя) [2].

3.5 Коэффициент затухания

Ослабление амплитуды плоской гармонической волны в результате взаимодействия её со средой происходит по экспоненциальному закону

,

где х – путь в среде,

- коэффициент затухания.

Величина, обратная коэффициенту затухания, показывает, на каком пути амплитуда волны уменьшается в е раз, где е – число Непера, поэтому затухание измеряется в м-1. коэффициент затухания складывается из коэффициентов поглощения δп и рассеяния δр:

δ = δп+δр. (3.3)

При поглощении звуковая энергия переходит в тепловую, а при рассеянии энергия остаётся звуковой, но ухолит из направленно распространяющейся волны.

В газах и жидкостях, не засоренных инородными частицами, рассеяние отсутствует, и затухание определяется поглощением. Коэффициент поглощения пропорционален квадрату частоты. В связи с этим в качестве характеристики поглощения звука в жидкости и газе вводят величину δ’.

δ’=

, (3.4)

где δ’- коэффициент поглощения.

Коэффициент поглощения в твёрдых телах пропорционален частоте или тоже квадрату частоты. Для одной и той же среды поглощение поперечных волн при постоянной частоте меньше, чем продольных.

4. Обзор существующих аналогов

На сегодняшний день для непрерывного контроля уровня сыпучих материалов при помощи ультразвука имеется аналоги проектируемого прибора.

Отечественным аналогам является прибор УЗУ-2Т - уровнемер ультразвуковой с каналом термокомпенсации. Он предназначен для измерение уровня без контакта с контролируемой средой с возможностью температурной компенсации скорости звука.

Данный прибор предназначен для локации снизу резервуара, что не подходит для нашего случая, потому что очень велико затухание УЗ в опилках и коэффициент прохождения УЗ через металлическую стенку днища резервуара в опилки составляет менее 1%.

Так же имеются и зарубежные аналоги, но существенным недостатком является то, что их стоимость в 10 раз превышает стоимость отечественных.

Характеристики данного прибора представлены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Характеристики аналога УЗУ-2Т

Форма представления информации	индикация на ЖК дисплее; выходной сигнал: 4...20 мА;
Контролируемая среда	жидкость, газ, аммиак, нефтепродукты и другиевысокоагрессивные и взрывоопасные среды
Пределы измерения, м	0,2...3,2
Погрешность, %	±10 мм (возможно увеличение точности до + 3...5 мм)
Питание, потребляемая мощность	12...24 В
Монтаж	акустический датчик - под днищем емкости; термодатчик –в рабочей среде
Длина линии связи, м	определяется по месту
Исполнение	взрывобезопасное; АД - IExsIIT6; КК - ExdIIAT6; ТД - 2ExsIIT6
Состав	электронный блок - ЭБ; термодатчик –ДТ; акустический датчик -АД;прижимное устройство - ПУ; кабельная коробка – КК
Срок службы, лет	10

5. Выбор и обоснование схемы электрической структурной

5.1 Обоснование схемы

В данной схему входят две части: аналоговая и цифровая, как показано на рисунке 5.1.

Аналоговая часть состоит из последовательно включённых фильтров и усилителя на их выходе. Последовательно включённые фильтры образуют избирающий фильтр, настроенный на частоту излучения передатчика MA40B8S. Усилитель обладает высоким коэффициентом усиления и равен 60Дб.

Формирователь импульса прерывания предназначен для сообщения процессору о прекращении счёта времени прохода УЗ импульса от излучателя к приёмнику. Данное прерывание вызывает подпрограмму обработки собранной информации и вычисление расстояние через время пролёта и скорректированную скорость.

В схеме прибора имеется датчик температуры DS1821, выдающий информацию о температуре внутри резервуара. Связь датчика с микроконтроллером обеспечивается по шине MicroLAN (one wire – интерфейс). Микроконтроллер является ведущим устройством для данного датчика, поэтому контроль осуществляется процессором. О данном интерфейсе будет сказано ниже.

Генератор импульсов частотой 1 MHz предназначен для счёта времени пролёта УЗ импульса. Данный генератор выполнен логическом элементе 2И – НЕ с обратной связью, выполненной на кварце, что улучшает стабильность частоты. При частоте в 1MHz и при температуре 50°С получаем:

. (5.1)

Разрешение при частоте излучения передатчика в 40 kHz – 2 мм.

Рисунок 5.1 – схема электрическая структурная

На рисунке 5.1 показано, что процессор управляет и высокочастотным генератором УЗ импульсов. Генератор, в свою очередь, выполнен на компараторе LM311, работающий на электронный ключ, выполненный на MOSFET – транзисторе. Нагрузкой транзистора является импульсный трансформатор, а нагрузкой трансформатора является сам передатчик УЗ импульсов, т.е. ёмкостная нагрузка величиной в 2 нФ.

Индикация результата обработки информации статическая, т.е. применяются умощненные регистры хранения 74НС374 полученной ими информации от дешифратора CD4055. Процессор адресует определённый регистр и выдаёт информацию на его входы через дешифратор CD4055, и индикаторы высвечивают полученную информацию в виде цифр.

Для питания всей схемы используется встроенный стабилизированный источник питания с выходными напряжениями ±15В и +5В – для питания цифровых цепей. Стабилизация напряжений осуществляется интегральными стабилизаторами напряжения L7815 и L7915 предназначенные на напряжения +15В и -15В соответственно. А вот для питания цифровой части устройства применяется такая же микросхема, но предназначена на напряжение +5В. Также имеется в составе блока питания силовой трансформатор с тремя вторичными обмотками, рассчитанные на соответствующие выходные напряжения. Блок питания питается от сети переменного тока напряжением 220В и частотой 50Гц.