Завдання на виконання роботи

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2Р - LU

УЛЬТРАЗВУКОВІ РІВНЕМІРИ “PROBE LU” та “ Multi Ranger 100 “

Мета роботи

1. Вивчити принцип роботи та будову автоматичних ультразвукових рівнемірів фірми “Siemens” :двоканального SITRANS Multi Ranger 100та компактного SITRANS PROBE LU

1.2. Засвоїти методику повірки приладів, виконати вимірювання рівня в резервуарі і в повітрі, а також оцінити зону нечутливості рівнемірів.

Завдання на виконання роботи

2. 1. Познайомитись з лабораторним стендом.

2.2. Вивчити загальні поняття про ультразвук; загальну теорію ультразвукового “ехо-методу” вимірювання рівня та структурну схему його реалізації.

2.3. Вивчити будову та структурні схеми двоканального SITRANS Multi Ranger 100та компактного SITRANS PROBE LU.

2.4. Зняти реальні статичні характеристикиперетворення автоматичних ультразвукових рівнемірів SITRANS Multi Ranger 100та компактного SITRANS PROBE LU .

2.5. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну, відносну та приведену похибки обох рівнемірів.

2.6. Побудувати графіки:

а) реальних статичних характеристик перетворення;

б) залежності відносних та приведених похибок по отриманому діапазону вимірювання (точки наносити через кожних 50мм).

3. Загальні теоретичні відомості про ультразвуковий

“ехо – метод” вимірювання рівня

3.1. Загальні поняття про ультразвук та його випромінювання

В широкому фізичному розумінні ультразвук - це груповий коливальний рух частинок пругкого середовища, або послідовність стискувань та розріджень в середовищі, в області частот, які ми не чуємо. В техніці прийнято рахувати, що коливання частотою 16÷20 кГц - є ультразвуковими. Інколи в ультразвуковій техніці використовують частоти і 13÷15 кГц.

Звук завжди породжується механічними коливаннями. Для збудження пругких хвиль в середовищі (речовині) необхідно виконати з’єднання цього середовища з коливальним тілом (випромінювачем), який викликає змінні стискування та розтягування своєї випромінюючої поверхні. Останні, в свою чергу, викликають змінні стискування та розрідження поверхні шару речовини (газу або рідини, яка знаходиться в взаємодії з випромінювачем), що приводить до виникнення пругких коливань, які розповсюджуються в середовищі.

Швидкість С розповсюдження таких пругких коливань ( їх називають повздовжніми) в речовині залежить від її густини та пругких властивостей і визначається рівнянням: С = ,

де Е - модуль пружності середовища; а - густина середовища.

Довжина хвиль звукових коливань зв’язана з частотою fвипромінювання та швидкістю Срозповсюдження коливань відношенням:

= .

Швидкість Срозповсюдження ультразвукових коливань в деяких речовинах та їх густина:

С

для повітря 331 м/с, 0,0012 г/см

для води 1430 м/с, 1,00 г/см

для металів >4400 м/с, >8,5 г/см .

Ультразвукові хвилі, розповсюджуючись в середовищі з певною густиною і проходячи крізь нього, повністю або частково відбиваються на межі розподілу із середовищем, у якого інше значенням густини, н., метал -повітря, повітря - метал, повітря - рідина, рідина - метал і т.д.

А точніше, інтенсивність звукових хвиль, які відбиваються від межі розподілу, залежить від так званих акустичних опорів кожного із середовищ, що знаходяться у взаємодії.

Акустичний опір середовища - це добуток густини середовища на швидкість Срозповсюдження ультразвукових коливань в ньому . Для повітря, наприклад, С = 42, для води 149*10³, для заліза - 398*10⁴ , а для мастила - 135*10³ .

Відповідно теорії звуку Релея коефіцієнт відбиття R, при нормальному падінні звукової хвилі, що розповсюджується в повітрі, на поверхню розподілу (тобто, перпендикулярно до цієї поверхні) з певною речовиною, визначається як відношення інтенсивностей у відбитій та падаючій хвилях, i може бути визначений із співвідношення:

R = ,

де - акустичний опір речовини; - акустичний опір повітря. Так як Сдля води, рідин та сипких матеріалівскладає практично на 3 порядки більшу величину, ніж для повітря, то на межі розподілу повітря - рідина, повітря - сипкі матеріали відбувається практично повне відбиття ультразвукової хвилі, що розповсюджується у повітрі. Це явище і використовується в ультразвукових рівнемірах.

Для випромінювання (генерації) та прийняття ультразвуку в середовищі використовують п’єзоелектричні та магнітострикційні перетворювачі. Найбільш розповсюджені п’єзоелектричні перетворювачі. Випромінювання та приймання ультразвукових коливань в таких перетворювачах грунтується на використанні прямого та зворотного п’єзоефектів.

Під п’єзоелектричним ефектом розуміється властивість деяких спеціально вирізаних під певним кутом пластин із кристалів, наприклад, кварцу, утворювати на своїх площинах (гранях) електричні заряди при умові стискування або розтягування цих граней. Властивість кристалів утворювати електричні заряди носить назву прямого п’єзоелектричного ефекту. Прямий п’єзоелектричний ефект використовується для вимірювання тиску, або зусилля, а також в ультразвукових приймачах. які перетворюють пругкі коливання середовища в електричний сигнал на його обкладках.

П’єзоефект може бути оберненим, тобто, якщо до пластини (до граней кристалу) підвести електричний заряд, то вона змінює свої геометричні розміри - деформується. Обернений п’єзоефект використовується для випромінювання ультразвукових хвиль. Якщо таку пластину з’єднати з генератора високої частоти, то вона перетворює електричні коливання напруги у пругкі механічні коливання поверхні пластини. Відповідно в середовищі, з яким ця пластина контактує, виникають пругкі коливання.

В якості перетворювачів випромінювання та приймання ультразвукових хвиль використовується пластини із кристалів кварцу, турмаліну, сегнетової солі, титанату барію та інші.

Статична деформація L , наприклад., кварцевої пластини невелика і дорівнює:

L = d₃₃*U;

де d₃₃ - п’єзомодуль; U - прикладена напруга, В.

Потужність коливань залежить від частоти випромінювання, площі пластини випромінювача та величини приведеної до нього напруги.

Для отримання максимальної інтенсивності випромінювання необхідно, щоб власна частота коливань пластини випромінювача співпадала з частотою коливань генератора.

Власна частота коливань пластини випромінювача f₀приблизно відповідає половині довжини хвилі в пластині та визначається за формулою:

f₀ = C/2d,

де С- швидкість звуку в пластині,

d - товщина пластини.

В останні роки найбільш широко використовується новий тип п’єзоперетворювача - титанат барієвий. Цей перетворювач виготовляється синтетично із солей титанової кислоти та гідроокису барію і поляризується, після запікання, електричним полем.

П’єзомодуль d₃₃ у нього в десятки разів більший, ніж у кварцу. П’єзоефект втрачається при температурі перетворювача більше (100÷120) ⁰С. Після повторної поляризації перетворювач може бути використаний знову.

При вимірюванні рівня заповнення резервуарів рідкими речовинами, або рівня завантаження бункерів сипкими матеріалами, використовується схема одномірного виміру відстані між двома точками, в одній із яких (базовій) розміщується приймально-випромінюючий акустичний блок, а в якості другої точки (її називають відбиваюча зона) використовується поверхня контрольованої за рівнем речовини (рідина чи сипкі матеріали).

Така схема взаємного положення називається схемою “ехо-локації”: випромінювані коливання після відбивання від контрольованої поверхні повертаються до приймача. Має місце двонаправлене проходження вимірюваної відстані L_x пругкими хвилями.

В більшості звуколокаторів використовується випромінювання пакету коливань (імпульсне випромінювання), які служать засобом встановлення просторового контакту електроакустичного перетворювача з поверхнею контрольованого об’єкта.

Інформація про відстаньL_x до об’єкта (або рівень рідиниН_x) є часовим запізненням прийнятої відбитої хвилі відносно випроміненої:

Т = 2 ; або L_x = .

Цей принцип використовується в усіх звукових вимірювачах відстані.

Дозволяюча властивість ехо-локаторів - це їх властивість визначати найменшу зміну вимірюваної відстані. Вона визначається формою випромінюваних хвиль, частотою пропускання смугових підсилювачів каналу приймання “ехо-сигналу”, способами опрацювання прийнятого сигналу та корекцією на нестабільність швидкості звука, рельєфом відбиваючої поверхні та її акустичним опором.

Випромінювання та розповсюдження пакету ультразвукових коливань, як до моменту їх відбиття від контрольованої поверхні, так до моменту їх зворотного надходження до приймача, відбувається у вигляді променя, що розходиться в тілесному куті :

Sin = ,

де - кут розходження випромінювання; D – діаметр випромінювача ультразвукових коливань.

Значення кута розходження випромінювання дає можливість визначити необхідний діаметр S поверхні контрольованої за рівнем, при якому досягається максимальна сила “ ехо – сигналу ” при мінімальному рівні Н речовини:

S = 2 H tg

Як правило, в сучасних ехолотах функції випромінювання та приймання ультразвукових коливань об’єднують в одному електроакустичному перетворювачі, що дозволяє спростити конструкцію випромінювача-приймача та усунути, так звану, апертурну похибку, що обумовлена зміщенням випромінювача та приймача в просторі.

При реалізації методу ультразвуковий випромінювач посилає акустичні імпульси з малим кутом розходження випромінювання. Випромінюється пакет повздовжніх ультразвукових хвиль (ультразвуковий зодуючий імпульс) по нормалі до поверхні, відстань до якої вимірюється. Одночасно вимірювальний перетворювач вимірює час між початком випромінювання імпульсу і початком приймання відбитого імпульсу, який пропорційний відстані L_x між поверхнею контрольованої за рівнем речовини та електроакустичним перетворювачем, або рівню Н_x речовини.

На точність вимірювання відстані або рівня “ехо-методом” впливає зміна швидкості розповсюдження ультразвуку в повітрі від температури. Залежність між швидкістю С розповсюдження ультразвуку в повітрі і температурою Т (К) має вигляд:

С = 20,067 .

Для усунення додаткової похибки від впливу температури навколишнього середовища в ехолотах використовують спеціальні схеми термокомпенсації, в яких в якості термочутливого елемента використовується термометр опору, який розміщується або в зоні випромінюваного ультразвукового струменя або вбудовується безпосередньо в електроакустичний перетворювач. Суть методу термокомпенсації полягає у випрацьовуванні електричної напруги, що прямопропорційна температурі середовища, і додаванні її до амплітуди опорного сигналу перетворювача часового запізнення. Останнє коригує момент приймання відбитого ехо-сигналу на величину, що виникла внаслідок зміни швидкості ультразвукових коливань за зміни температури.

Загальна структурна схема ультразвукових рівнемірів (ехолотів)

приведена на рисунку.

Задаючий генератор (ЗГ) виробляє сінусоїдальні коливання, що відповідають резонансній частоті електроакустичного перетворювача.

Пристрій керування (ПК) задає послідовність циклів вимірювання, тобто, частоту, з якою проводяться вимірювання, та випрацьовує в кожному циклі жорстко сфазовані команди керування модулятором (М) на випромінювання зондуючого ультразвукового імпульсу певної довжини (3..5 коливань задаючого генератора).

Підсилювач потужності (ПП) підсилює по напрузі та потужності сигнал задаючого генератору до значенння 200...315 В, необхідних для збудження випромінювача.

Керуючий демпфер (КД) забезпечує швидке затухання механічних коливань випромінювача після закінчення випромінювання зондуючого пакету коливань, що зменшує час готовності вимірювального перетворювача до прийому пружних коливань і, тим самим, зменшує мінімально можливу відстань між поверхнею електроакустичного перетворювача та контрольованою за рівнем поверхнею речовини, тобто, зменшує зону нечутливості ехолоту.

Пороговий обмежувач (ПО), що вмикається послідовно в ланцюг збудження, послаблює в період “мовчання” передачу напруги малої амплітуди із ланцюга збудження до вхідного ланцюга смугового підсилювача і має таке ж важливе значення, як і АО. Необхідність ПО пояснюється тим, що в період “мовчання”, коли відсутня напруга збудження на виході підсилювача потужності, на його виході завжди є деякий сигнал шуму, спектр якого містить досить значний рівень сигналів в смузі пропускання смугового підсилювача.

Амплітудний обмежувач (АО) розташовується першим в ланцюгу по прийманню відбитого ехо-сигналу і вмикається на період випромінювання зондуючого імпульсу підсилювачем ПП та блокує роботу вхідного каскаду смугового підсилювача, чим забезпечує його захист.

Команда стробування видається для зниження впливу сигналу збудження в каналі опрацювання ехо-сигналу.

Смуговий підсилювач (СП) забезпечує початкове підсилення ехо-сигналу.

Задача детектору(Д) -виділити за рахунок вибіркової фільтрації (він вміщує резонансний контур, що налаштований на частоту випро-мінювання) корисний інформативний сигнал про надхоження відбитого ехо-сигналу.

Перетворювач запізнення (ПЗ) безпосередньо вимірює і фіксує час, за який ультразвукові коливання проходять відстань з моменту їх випромінювання до моменту надходження відбитого ехо-сигналу. Цей час пропорційний вимірюваному рівню.

Термометр опору (R) – виконує функцію температурної компенсації вимірювального каналу.

Інтерполятор (І) дає можливість отримати неперервний уніфікований аналоговий сигнал, пропорційний відстані до об’єкту по її дискретним вимірюванням.

4. Ультразвуковий вимірювальний перетворювач рівняMulti Ranger 100 та сенсор XRS – 10.

Multi Ranger100 - призначений для безконтактного двохканального вимірювання рівня рідин та сипучих матеріалів на коротких і середніх відстанях від сенсора до об’єкту у відкритих та закритих ємностях, а також для дискретного керування насосами або траспортерами.

MultiRanger є ефективним ультразвуковым приладом для вимірювання рівня, з гарантованою надійністю в безперервному режимі работи. Реалізуючи розглянутий вище ультразвуковий «ехо-метод» , прилад вимірює рівень в коротких та середніх діиапазонах до 15 м (50 ft.). MultiRanger може

Рис. MultiRanger 100 з сенсорами Echomax XPS и ХСТ

використовуватись, наприклад, для вимірювання рівня рідких: палива, відходів виробництва, кислот і т.п., а також для вимірювання рівня сипких матеріалів: дерев’яної стружки або при утворенні високих насипних конусів. За наявності електричної сумісності з хімічно стійкими сенсорами серії Echomax® прилад може використовуватись в особливо важких умовах роботи при температурі середовища до 145°C (293°F).

MultiRanger здійснює двохканальне вимірювання та цифрову комуникацію з вбудованим Modbus RTU через RS 485 і, таким чином, є сумісним з Dolphin Plus. Це дозволяє здійснювати конфігурування та налаштування через комп’ютер (PC). Технологія Sonic Intelligence^® для обробки відбитого сигналу забезпечує надійні результати вимірювання.

MultiRanger 100 забезпечує функції: вимірювання рівня, контролю та сигналізації досягнення заданого рівня, а також двопозиційне регулювання (ввімкнено/вимкнено) та просте послідовне керування насосами.

Модифікація MultiRanger 200 – крім вимірювання є рівня, обчислює об’єм та витрати у відкритих водоймищах та характеризується розширеними функціями по сигналізації та керуванню насосами.

Особливі ознаки:

- цифрова комунікація з вбудованим Modbus RTU через RS 485;

■ сумісність по конфігурації Smart Linx и Dolphin Plus;

■ двохканальное вимірювання рівня з дискретним виходом контролю: (опция) 3 реле (стандарт), 6 реле (опция)

- диференціальный сенсорный вход с улучшенным соотношением сигнал-шум;

- діапазон вимірювання відповідає відстані від нульової точки відбиваючої поверхні до випромінюючої поверхні сенсору.

Ультразвуковий випромінювач – приймач (сенсор) Еchomax XPS и ХСТ.

Сенсори Echomax XPS/XCT розраховані на жорсткі умови експлуатації. Вони нечутливі до пилу, дії вологості (пари) та агресивних хімікатів, до вібрацій. Сенсори можуть бути встановлені в об’єкт без використовування фланцю,

Рис. Echomax XPS и ХСТ

і, практично не вимагають технічного обслуговування, а також мають захист на випадок переповнення ємності, де вони встановлені.

Серія XPS випускається з різною довжиною штатного коаксіального кабелю (до 40 м) та максимальною температурой в середовищі, що контролюється, + 95 °С (203 °F). Дві конструкції мають допуск FM Class I, Div.1, який дозволяє використовувати їх в диапазоні вимірювання більше 15 м.

Серія ХСТ може використовуватись при більш високих температурах. Вона вимірює рівні на відстані до 12 м (40 ft) и температурах в об’єкті до 145 °С (293 °F).

При работі сенсор Echomax посилає акустичні імпульси у вигляді вузького ультразвукового променя по нормалі до відбиваючої поверхні сипкої речовини. Вимірювальний перетворювач MultiRanger вимірює час між моментом початку генерації ультразвукового імпульсу та моментом прийняття відбитого імпульсу і розраховує відстань від сенсора до речовини..

Основні метрологічніі характеристи рівнеміра Multi Ranger 100:

1. Межі вимірювання відстані (рівня) від сенсору до об”єкту, м 0,3 ...... 15

2. Забезпечує цифрову індикацію результатів вимірювання на

рідинно-кришталевому дисплеї:

- в % від мінімального чи максимального значення рівня 0-100

- в м, см або мм від мінімального чи максимального значення рівня речовини в об”єкті в залежності від налаштування;

- в % від максимального значення відстані до об”єкту 0-100

- в м, см або мм від мінімальної чи максимальної відстані до об”єкту в залежності від налаштування.

1. Забезпечує видачу нормованого аналогового вихідного сигналу в

канал системи автоматичного управління, мА 4 - 20

Основна похибка в % від діапазону 0,25

або абсолютна похибка не менше , мм 6 Додаткова похибка від зміни температури в межах –50...+150 С, % 0,17 / С або в % від діапазону вимірювання 0,09

В якості сенсора використовується XRS – 10.
Частота випромінювання, кГц - 44.

5. Ультразвуковий рівнемір SITRANS Probe LU

Сфера застосування

SITRANS Probe LU являє собою 2-х провідний ультразвуковий компактний перетворювач для вимірювання рівня та об’єму рідини в танках для зберігання хімікалій і звичайних технологічних резервуарах, а також для вимірювання витрати у відкритих водогонах і каналізаційних каналах.

Характерні особливості:

Наявність функцій автоматичної фільтрації хибного ехо – сигналу та вбудованих електронних схем (компактність), покращує співвідношення сигнал – шум і підвищує точність вимірювання [0,15% від діапазону вимірювання або 6 mm (0,25”)], а також обумовлює високу надійність приладу.

SITRANS Probe LU оснащений системою обробки сигналу Sonic Intelligence. Система об’єднує новітні досягнення в обробці відбитої хвилі з використанням найсучаснішої мікропроцесорної техніки та комунікаційної технології.

Сенсорний датчик Probe LU пропонується в ETFE - або PVDF – виконанні, що дозволяє найкращим чином вповідати хімічним властивостям середовища, де вимірюється рівень. Probe LU володіє інтегрованим термочутливим елементом для компенсації похибки вимірювання при коливаннях температури, що дозволяє використовувати пристрій при змінних температурах матеріалу і процесу.

Особливі ознаки:

-виконує вимірювання рівня в діапазоні вимірювання до 6 або 12 м;

· простий монтаж і введення в експлуатацію;

· програмування через іскробезпечний інфрачервоний програматор, SIMATIC PDM або HARТ Communicator;

· комунікація через HARТ;

· ETFE або PVDF ультразвукові датчики для забезпечення хімічної сумісності ;

· запатентована обробка сигналу Sonic Intelligence;

· дуже добре співвідношення сигнал – шум;

· автоматичне відображення хибного ехо – сигналу від вбудованого випромінювача-приймача ультразвукових коливань.

Технічні та метрологічні характеристики

Принцип роботи Принцип вимірювання Типове застосування	ультразвукове вимірювання рівня вимірювання рівня в танках для зберігання і звичайних технологічних резервуарах
Входи Діапазон вимірювання · до 6 м · або до 12 м Частота	0,25 до 6 m (10 до 20 ft) 0,25 до 12 m (10 до 40 ft) 54 KHz
Виходи ,mA · діапазон · точність · інтервали вимірювання	4 до 20 mA ± 0,02 mA пропорційні або зворотно-пропорційні
Функції роздільна здатність точність     повторюваність інтервал селекції частота оновлення при 4 mA температурна компенсація	≤3 mm (0,12”) ± більше значення в 0,15% від діапазону вимірювання або 6 mm (0,25”) ≤3 mm (0,12”) 0,25 mm (10”) ≤5s інтегрування (для компенсації по всьому діапазону температур)
Умови використання Зовнішні умови · місце монтажу · висота · зовнішня температура · відносна вологість/клас захисту   · категорія монтажу · ступінь забруднення	В середині/зовні max. 2000 m (6562 ft) -40 до 800С (-5 до 1760F) придатний для встановлення на відкритому повітрі (корпус IP67/ тип 4X/ NEMA 4X, тип 6/ NEMA 6) І