1.2. Физические основы метода

Метод измерения заключается в установлении соответствия между уровнем жидкости в резервуаре и временным интервалом между импульсами выходного сигнала датчика, то есть интервал времени, равный времени прохождения ультразвуковой волны от момента излучения ее пьезоизлучателем в звукопровод до момента достижения поплавка (момент появления импульса ЭДС в измерительной обмотке), определяет величину уровня жидкости в резервуаре.

Уровень жидкости в резервуаре рассчитывается по следующей формуле:

Н_ж = Н_рез – h_изм,

где Н_рез- высота резервуара (расстояние от крышки люка до дна);

h_изм- расстояние от верхнего края звукопровода до поплавка (рисунок 1 ), определяемое по формуле:

h_изм = V_зв t,

где V_зв- скорость распространения ультразвуковой волны при данной температуре по звукопроводу,

t- интервал времени между моментом излучения ультразвуковых колебаний в звукопроводе и моментом появления импульса ЭДС на измерительной обмотке.

Рис.1. Датчик и резервуар

1.3. Ультразвуковой датчик уровня х1600

1.3.1. Назначение датчика х1600

Датчик предназначен для автоматического дистанционного непрерывного измерения уровня жидкости в закрытом металлическом резервуаре и выдачи результата измерения в ЭВМ. Предусмотрены варианты исполнения датчика для различных климатических условий.

Датчик устанавливается непосредственно в крышке резервуара, соединяется с ЭВМ линией связи, представляющей собой радиочастотный коаксиальный кабель.

Ниже приведены основные технические характеристики датчика:

- диапазон измерения, см 0 – 1200

- нижний измеряемый уровень, см, не менее 15

- дискретность измерения, см 0,1

- параметры контролируемой среды:

а) контролируемая среда – нефть, вода, ШФЛУ

б) рабочее избыточное давление, мПа, не более 0,04

в) температура, град. 0…50

г) плотность, г / см³, не менее 0,5

- основная погрешность датчика при длине линии связи 400 м, не более 2

- дополнительная температурная погрешность на каждые 10⁰С контролируемой среды, не более 2 см,

- длина линии связи, м, не более 400 м

- периодичность измерений, с, не более 12

- вид взрывозащиты – безопасная электрическая цепь;

- напряжение питания, В 220

- частота напряжения питания, Гц 502

- потребляемая мощность, Вт, не более 10

- габаритные размеры датчика, мм, не более 150 х 150 х200Н,

где Н – диапазон измерения датчика;

- масса датчика, кг, не более 8

1.3.2. Принцип работы датчика х1600

Принцип работы датчика с физической точки зрения заключается в последовательном преобразовании одних физических величин в другие.

Структурная схема датчика Х1600 изображена на рисунке 2.

генератор

импульсов

пьезоэлемент

волновод

измерительная

катушка

резонатор

ЭДС

постоянный

магнит

Рис.2. Структурная схема датчика Х1600

В начальный момент времени генератор формирует импульс напряжения:

который прикладывается к пьезоэлементу. В качестве пьезоэлемента используется пьезокерамика, в которой под действием напряжения U(t) возникает механическая деформация, то есть мгновенное изменение толщины пластинки пьезокерамики. Эта механическая деформация характеризуется силой:

где U - величина приложенного напряжения,

 - постоянная величина называемая пьезоэлектрческим модулем (пьезомодулем).

Вдатчике Х1600 генератор формирует импульс длительностью 40 мкс и величиной U₀= 65 В

Роль пьезоэлемента в датчике выполняет пьезокерамика марки ЦТС – 19 (цирконат- титанат свинца) с пьезомодулем ₃₁=10^-10 Кл/Н [5].

Пьезоэлемент жестко соединен с резонатором, который воспринимает 95% энергии силы от пьезоэлемента ( 5% энергии теряется в границе раздела сред). В силу механической деформации пьезоэлемента в резонаторе возбуждаются ультразвуковые колебания частотой:

где n – номер гармоники ( n = 1, 3, 5, . . . ),

l – толщина резонатора,

c – скорость упругих волн в пластине резонатора.

В датчике Х1600 пьезоэлемент прижат к резонатору с помощью клея на основе эпоксидной смолы, который, создавая границу раздела между средами, поглощает 5% энергии в силу своих физических свойств.

Резонатор передает в волновод продольную ультразвуковую волну, энергия которой характеризуется интенсивностью, то есть среднему по времени потоку энергии через единицу поверхности. Интенсивность определяется формулой:

,

где s – плотность материала волновода,

c – скорость ультразвуковой волны в нем,

–колебательная скорость.

Колебательная скорость рассчитывается по формуле:

,

где величина электрической реакции в вольтах,

С₀ – емкость пьезокерамики,

a и b – геометрические размеры резонатора,

- пьезоэлектрический модуль,

М – масса резонатора,

- круговая частота, = 2f,

где f – частота излучаемых резонатором колебаний.

Емкость пьезоэлемента определяется по формуле:

С₀ = ,

где - диэлекрическая проницаемость пьезокерамики,

s – площадь соприкосновения с поверхностью резонатора,

b – грань кубика пьезокерамики из ЦТС – 19.

В датчике Х1600 волновод изготовлен из низкоуглеродной стали марки Ст.3 со скоростью распространения ультразвуковой волны с = 5050 м/с.

Ультразвуковая волна, пробегая по волноводу локально, изменяет его магнитную проницаемость =f(I). Эта зависимость находится экспериментально, так как зависит от характеристик конкретного волновода.

Изменение магнитной проницаемости в волноводе изменяет магнитную индукцию В:

В = Н,

где - магнитная постоянная,= 410^-7 Гн/м,

Н – напряженность магнитного поля.

Уволновода в виду его физических свойств имеется небольшое значение напряженности Н₀ за счет его остаточной намагниченности. Но оно различно для разных волноводов и изменяется со временем. Поэтому необходимое значение напряженности Н создается с помощью постоянного магнита.

При распространении ультразвуковой волны в измерительной обмотке наводится ЭДС, равная:

Е = -W,

где W – число витков обмотки,

Ф – поток пронизывающий витки этой обмотки.

Поток определяется по формуле:

Ф = BS ,

где S – площадь поперечного сечения витков катушки.

Так как В = Н иS = R², где R – радиус волновода, то получаем формулу для расчета ЭДС в обмотке:

Е = -WS = -WS

В датчике Х1600 измерительная обмотка равномерно намотана по всей длине волновода. Постоянный магнит находится в поплавке датчика, который перемещается в зависимости от изменения уровня жидкости резервуаре. Магнит выполнен из высокостабильного материала. Форма выходного сигнала снимаемого с обмотки изображена на рисунке 3.

U(t)

U₀

t

Рис.3. Форма выходного сигнала снимаемого с обмотки датчика Х1600

Максимальная величина сигналаU₀ = 1мВ при частоте колебаний f=50 кГц.