Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ состояния проблемы.
1.1 Анализ ультразвуковых методов измерения уровня видкости.,,9
1.2 Анализ особенностей распространения ультразвуковой полны
1.3 Анализ иетодоэ расчета
АЛ Определение направления исследований ..,*/?
Глава 2. Исследование отражения волновых пучков ограниченных поперечных размеров от неровной поверхности .
2.1 Разработка математической модели
2.2 Результати численного моделирования 56
2.3 Экспериментальные исследования
2.4 Анализ статистических характеристик отраненннх сигналов .6?
Глава 3. Разработка принципов построения ультразвукового микропроцессорного измерителя уровня
3.1 Синтез структурной схемы измерителя ...?&
3.2 Вопросы реализации ультразвукового измерителя уровня работающего в нестационарных условиях oj
3.3 Описание цепей измерения ультразвукового микропроцессорного измерителя уровня и их экспериментальные исследования..., Зв
3.4 Структурная схема и принципы работ ультразвукового микропроцессорного измерителя уровня
3.5 Выводы. 99
Глава 4. Анализ погрешностей ультразвукового изйерителя уровня .
4.1 Состав полной погрешности измерителя уровня,,,., 101
4.2 Характеристики погрешностей измерителя ,.,. 10і)
4.3 Случайные погрешности ІО$
4.3.1 Погрешность из-за нестабильности параметров электронных блоков измерителя 405
4.3.2 Погрешность, вызванная рассеиванием от нестационарной поверхности . 109
4.3.3 Погрешность эталонного канала ...И5
4.3.4 Погрешность фиксации момента прихода ультразвукового импульса
4.3.5 Погрешность окригления .результатов измерений М&
4.3.6 Погрешность дискретизации временного интервала 41?
4.4 Дифракционная погрешность
4.5 Суммарная погрешность измерителя уровня ; 10
4.6 Выводи №
5 Заключение , 12
6 Список литературы
- Анализ особенностей распространения ультразвуковой полны
- Результати численного моделирования
- Вопросы реализации ультразвукового измерителя уровня работающего в нестационарных условиях
- Погрешность из-за нестабильности параметров электронных блоков измерителя
Анализ особенностей распространения ультразвуковой полны
В диапазоне ультразвуковых частот колебания в жидкости происходят адиабатически Г371 , так как скорость теплообмена между частицами жидкости пренебрежимо мала по сравнении со скоростью изменения давления при колебаниях этих частиц. Поэтому скорость ультразвука в жидкости определяется адиабатической сяимаеностья &J%SF И ПЛОТНОСТЬЮ О : 4У вд. С І.53 При изменении температури в основном изменяется сяииаеность. Во всех жидкостях, кроме води, с увеличением температуры сяимаемость растет и скорость ультразвука падает, 11а практике часто пользуются аналитическим выражением с = с,+ bC t - t) И.б) где с - скорость ультразвука при тенпературе toи давлениир \ Ь -абсолитный температурний коэффициент скорости ультразвука. -і м.сек град , Давление оказывает сравнительно небольшое влияние на скорость ультразвука, Для всех чистих зидкостей это влияние при давлении до 1000 ат описывается следующим образом: с0= c0(p„)[I + к?Ср- р0)1 С 1.7) где к? - коэффициент, учитывающий изменение скорости -1 ультразвука от давления ,ат . В нефтях, исследованных в [38] скорость ультразвука находилась в пределах 1334,0 - 1373,7 м/с, а температурний коэффициент менялся от -2,9 до -4,09 м/с град. Из приведенных данных [391 можно увидеть четкое разграничение разных типов нефтепродуктов по скорости ультразвука. Эта зависимость может явиться базой для создания программ алгоритмов обработки информации ультразвукового уровнемера.
Первым параметром» который долвен быть зафиксирован для разрабатываемой ультразвуковой микропроцессорной системы -частота зондирующего сигнала. Наблюдается целый ряд противоречивых тенденций, Во-первых, с ростом частоты растет направленность электроакустической системы. В первом приближении можно считать, что звуковое поле от колеблвщегося диска диаметром d расходится в виде конуса, угол у вершины которого равен if = arcjJin а.22&/Ш Сі.8) где d -диаметр керамики,Я =c/f ; с - скорость звука в жидкости, f- частота УЗ волны. В то яе время с ростом частоты возрас-тавт потерн звуковой энергии в среде, известно [161, что закон изменения амплитуды U3 сигнала в функции от расстояния имеет вид U = U,e СІ.9) где коэффициенты затухания к является функцией частоты и свойств аидкости. Приведшие обратно к датчику после отражения от поверхности уровня ИЗ волны имеит весьма незначительную интенсивность по сравнению с их интенсивностью при их излучении. Это ослабление обусловлено действием каждого из следующих факто-ров:поглощения энергии звука при его распространении в среде, расширение фронта волны и, наконец, отражающей способности нестационарной поверхности.
Рассеяние и частичное преломление ультразвука на границе двух сред являются помимо поглощения энергии волн в среде, весьма важными параметрами акустического тракта, поскольку способность уровнемеров давать достоверную информации в двухфазных средах является одним из ценных эксплуатационных качеств.
Рассматриваемый нами случая является частной задачей зондирования неоднородной яидкой среды, содержащей газовые пузырьки,
Имеются различные теории [40,41], позволявшие вычислять акустические параметры исследуемых сред; скорость звука, коэффициенты поглощения, обусловленные вязкостью,теплопроводностью и т.д. Эти теории развиты при следующих допущениях: 1) частицы (газовые пузырьки) имеют сферическую форму; 2) размер частиц много меньше длины волны падающего звука; 3) отсутствует какой-либо релаксационный механизм, если не оговорено противное; 4) отсутствует массообнен между частицей и окружающей жидкостью, т.е. испарение, конденсация, химические реакции и т.п.
Когда на частицу падает волна сжатия, в обеих средах помимо отраженной и проходящей волн сжатия возникают сильно затухающая продольная температурная волна и поперечная (вязкая) волны. Потери энергии в средах связаны с полным поглощением этих затухающих волн. Глубина их проникновения в воду, т.е. расстояние на котором амплитуда волны уменьшается в е раз приведены низе в таблице 1.1 для диапазона частот 100 кГц и 1 мГц ( данные взяты из работн С42]).
Результати численного моделирования
На рис. 2.4-2,8 изолиниями нормированного колебательного давления представлены структуры рассеянных полей. Волнистой линией на оси изображена синусоидальная поверхность. Направление распространения падающей волны па рисунках изображено вектором к Весовая функция F распределения амплитуды в падаищеы пучке приведена ниже соответствующего отраженного поля.
Из распределений поля, представленных на рис,2.4-2.6 следует, что структура и ширина отраженного пучка существенно зависит от отношений анплитуды неровностей поверхности к длине ультразвуковой волны. С увеличением этого отношения ширина ультразвукового пучка увеличивается и отразешшй пучок приобретает многолучевой характер. При этом, при достаточно больной амплитуде неровностей, всегда имеется довольно сильный обратно рассеянный сигнал, распространявшийся к источнику излучения, даге при неперпендикулярном падении пряной волны.
Это открывает возможность использовать обратно рассеянный сигнал в целом ряде практических приложений, в том числе для определения основных параметров и пространственного положения рассеивавшей поверхности.
Интерференционные максимумы и минимумы в рассеянном поле обусловлены, очевидно, гармоническим характером падающей волны. В случае импульсного сигнала можно предположить, что структура поля будет более сглаженной.
При увеличении периода неровностей при тех же поперечных размерах падающего пучка ширина отраженного пучка уменьшается. В этом можно убедиться, сравнивая рис, 2,5 и рис,2.7. Уменьшение зиршш падающего пучка приводит к многолучевой структуре рассеянного поля С рис,2.8).
Таким образом структура отраяенного поля существенно зависит от отношения амплитуды неровностей поверхности, ширины падашщего пучка и угла падения.
Для практических приложений большой интерес представляют ow зависимости усредненной по заданной плоскости амплитуды отраженно го сигнала в зависимости от угла падения волны, Зто соответствует случаю,когда излучение и прием сигнала осуществляется тем se самым преобразователем, т.е, по поверхности преобразователя усредняется обратно рассеянный С коллинеарно вектору к ) сигнал.
Величина усредненной амплитуды определялась по рассчитанным пространственным распределениям колебательного давления путем численного интегрирования выражения : Р = 1/S Г PCx,z)ds , (2.8) где $ - поперечный размер принимающего преобразователя.
Результаты расчетов представлены на рис,2.9-2.10, где по горизонтальной оси отложены углы падения, а по вертикальной получаемые амплитуды нормированного давления. Из представленных э зависимостей на рис.2,9 следует, что получаемые распределения интегральной реакции преобразователя позволяют судить о высоте неровности гармонической поверхности. При этом основное изменение о з интерференционных максимумов происходит в промежутках от 0 до 15 и для проверки исследуемой математической модели был поставлен эксперимент с помощью измерительной установки, показанной на рис.2. П.
Методика эксперимента иллюстрируется на рис, 2.12. Волновой пучок» излучаемый ультразвуковым преобразоватвлом,распространяется в жидкости и атраяается от имитатора гармонической поверхности Ультразвуковой сигнал возбуждался преобразо. вателем, выполненным из пъезоэлектрической керамики ЦТС—і9 с резонансной частотой 500кГц. Преобразователь возбукдался бистрозатухаїщей импульсной последовательности.
Гидроакустический бассейн размерами 820 600 350 был оборудован координатными устройствами, обеспечивающими съем информации и перемещение ультразвукового преобразователя вдоль исследуемой поверхности и по направлений к ней. Модели волнистой -поверхности изготавливались из пенопласта. При установки модели осуществлялась центровка и шстировка плоскости гармонической поверхности с отметкой 0 угломера. Механизм координатного устройства обеспечивали вращение гармонической поверхности от -45 до 45е.
Отраженный сигнал принимался с помощьи ультразвукового преобразователя в различных точках исследуемого объема жидкости. Нгол падения волнового пучка (угол поворота Q ) регистрировался с погроиностьи +0,5
Вопросы реализации ультразвукового измерителя уровня работающего в нестационарных условиях
Пришлось преодолеть ряд сложных проблем принципиального и конструктивного характера, обусловленных агрессивностьв исследуемого класса жидкостей и наличием нестационарных границ раздела типа воздух-вода. В первуш очередь это касалось разрабатываемых приеыных преобразователей/ Возникалщие при этом трудности следующие: болыой разброс температур, неоднородность исследуемой среды, ее агрессивность,достаточно высокие скорости изменения уровня в рассматриваемых объемах,
В этом случае и учетом требуемых технических условий применение разработанных ультразвуковых датчиков с резонансной частотой 500 кГц и диаметром 28 нн , возбуждаемого импульсом в 250 В позволяет провести корректные измерения расстояния до поверхности І столба яидкости в пределах от 0.07 до 1.3 н для исследуемых клас сов яидкостей. На рис.3.2 показана схема ультразвукового датчика и его основные элементы. Корпус і выполнен из латуни, что допустимо для Н.О защи ающей внутренние-части. датчика от химического воздействия . ..,.-. эрголей..Датчик имеет тонкую мембрану 2.диаметром 30 мм и толщиной 0.7 им ( через которую распространяется ультразвуковые волны, Диск 3 выполнен из пьезоэлектрической керамики ЦТС -19.Поскольку электрические характеристики , которые необходимо было получить.-для оптимальной конструкции датчика , не-слимком противоречивы;- ч--- v то выбор1 изолирующих материалов-4 для-датчика принципиально. опре- .. . делился его акустическими характеристиками. Нами были выполне испытания изолирующих материалов и сопутствующих -компонент для разработанного ультразвукового преобразователя," На этом этапе были рассмотрены аксиальные резонансные частоты в
Схема ультразвукового датчика с диамвтрани от 25 до 40 мм .
Стриктурная схема, разработанной приенно-передавщей части измерителя нестационарного уровня представлена на рис,3.3. Четыре приемных преобразователя через коммутаторуправляемый выходным сигналом регистра команд коммутации подключены к усилителю приемных сигналов. Усилитель состоит из предварительного усилителя с временной автоматической регулировкой усиления СВАРУ). Пороговое устройство фиксирует факт обнаруяения отраженного импульса , а точное вреяя прихода сигнала фиксируется схемой перехода через "0" определенного периода принятого сигнала. Порог срабатывания вырабатывается схемой с адаптируемым порогом. Формирователь приемного сигнала вырабатывает импульс с длительности , определяемой моментом выработки пакета импульсов специальной формы и моментом срабатывания порогового устройства. Для привязки к микропроцессорной системе далее сигнал поступает на преобразователь "Время-код".
Работа приемно-передаищего тракта управляется устройством ... синхронизации, Фораирователь импульсов "специальной формы вырабатывает.пакет-;: содержащий -от- одного-до :четнрехінеандровнх:импуль- :; . сов с частотой повторения, равной резонансной частоте передающего „ пьезоэлектрического преобразователя. Выработанный пакет импульсов подается на усилитель мощности, нагруженный передающим пьезоэлектрическим преобразователем. Синхронизация запуска зондирующих импульсов_.с моментамй .переключения преобразователя-;; блока питания позволяет"исклвчить попадание пьмех .от;блока питания""-. " : в усилительные тракты каналов в периоды от запуска до приема измерительных сигналов, В остальное время усилительные тракты закрыты системой" ВЙРН. Для проверки разработанного приемно-передзящего тракта измерителя уровня был поставлен эксперимент . Внешний вид блока датчиков и микропроцессорного блока , показан на рис,3.4. Для проведения экспериментов использовались емкости с различной конфигурацией и объемами заполнения. Пределы изменений скоростей ультразвука для исследуемых жидкостей находились в диапазоне 1000 - 1500 м/с. Был отслежен уровень жидкостей в интервале расстояний от 0.05 до 1.5 и.Б. качестве мер и эталона расстояний использовалась мерная стеклянная трубка,эталонный канал, измерительная линейка. Длина эталонного канала составила 0.2 м, Частота преобразования в эталонном канале Fl=15 МГц. Частота преобразования в каналах зондирования по уровни столба жидкости F2=2 МГц.
Погрешность из-за нестабильности параметров электронных блоков измерителя
Base упомянутая погрешность связана с непростоянством уровня срабатывания пороговых устройств и отличием реальной точности определения момента приема сигнала от потенциальной.
В общем случае абсолитная среднеквадратическая погрешность фиксирования момента приема измерительного импульса при постоянном уровне срабатывания порогового устройства определяется выражениями [96.102] и равна 5П(? = 0.06 мкс .При ее расчете отношение сигнала к шуму было принято 30 дб. Необходимо отметить,что при измерении в наших условиях амплитуда отраженного сигнала меняется в значительных пределах С30-45)дб. Поэтому приведенная относительная среднеквадратическая погрешность фиксирования момента приема импульса в нашем случае равна где H1:„W- соответственно минимальное и максимальное время задержки сигнала в контролируемой среде . Приведенная относительная энтропийная погрешность фиксирования момента приема сигнала (при условии нормального закона распределения), равна
Погрешность округления результатов измерения возникает при обработке данных в цифровых вычислительных устройствах из-за ограниченного .кол/ичества разрядов входных и выходных цифровых величин. При длительности информационного интервала измеритель вносит минимальные погрешности цифровой обработку если оперирует с выходной цифровой величиной N, нижняя декада которой соотве-тсвует интервалу времени дискретизации
При длине базы измерения К = 150 см для Н„0 информационный временной интервал составляет 2f0Oms." Таким образом, для работы с минимальной погрешностью при длительности периода дискретизации tSl0 =0,01 m& достаточно использовать четыре декады входной-выходной величины. Предельная абсолютная погрешность округления тогда не превысит половины единицы последней значащей цифры результата измерения [93]. В нашем случае этому соответствует временной интервал t 1/2д 0
Таким образом,среднеквадратическое значение погрешности округления результата измерения в два раза меньве погрешности квантования по времени,(4,3.6) т.е. Г =1/2 о 0,003 vnS-. Следовательно приведенная энтропийная погрешность округления рездльтата измерения с дчетом равномерного закона ее распределения равна Погрешность дискретизации временного интервала.
Погрешность дискретизации временного интервала в код определяется двумя факторами: погрешностью квантования измерительного интервала по времени и нестабильностью частоты генератора масштабных меток.Погрешность квантования во времени определяется частотой квантования и длительность!] временного интервала В нашем случае частота дискретизации была выбрана 100 Хгц. Следовательно период дискретизации был равен 0,01 икс, а предельная приведенная относительная погрешность квантования временного интервала ggs 100Z. С4.23) Среднеквадратическое значение погрешности квантования по времени,с учетом равномерного закона ее распределения, равно бг- Г" 0.005 мкс, С4.30) где к - энтропийный коэффициент. При равномерном законе распределения к =1,73 [99 ], а приведенная энтропийная погрешность квантования временного интервала
Дифракционные погрешности ультразвуковых преобразователей можно считать пренебрежимо малыми при величине соотношения поперечных размеров преобразователей к длине ультразвуковой волны в контролируемой среде большей 40...50. В этом случае между излучателем и приемником распространяется ультразвуковая волна близкая к плоской . Поперечные размеры используемых нами преобразователей 0-І25-28)мн, при частоте ультразвукового радиоимпульса f = 400-500 кГц в диапазоне скоростей ультразвука с =(1000-1500Эм/с, поэтому значения отношения d/Я лежит в . пределах 4-Ю, что намного меньше 40..»50. Считывая вышеуказанное условие, дифракционные погрешности нельзя считать пренебрежимо малыми, следовательно их необходимо оценивать.
Известно большое число попыток теоретически обосновать значения соответствующих поправок [94,103,1043, а также определить поправки экспериментально [105,1061. Используя материалы этих работ можно определить поправку к значении скорости ультразвука из-за дифракции [941 ..ас - ДфЯ- .. ,,, с - ЇГ (4-32) гдеДср- разница фаз между комплексным значением плоской волны и значением среднего давления. Из графика представленного на рис.4.3. видно, что поправка в нашем случае имеет порядок (0,28-0,09)%.
