6. Обробка результатів вимірювання.

6.1. Прилад ДИСК-250 проградуйований для роботи в комплекті з ТО ТСМ 50, а логометр Л 64 – в комплекті з ТО ТСП 46. Розрахувати і занести в табл.1 та 2 ідеальні характеритики перетворення обох приладів за формулами:

R_м = R_0мּ (1+ּt), де  = 4,26ּ10^-3 1/С - для приладу ДИСК-250; а для Л 64 -

R_n = R_0nּ (1+ּt+ּt²), де  = +3,968ּ10^-3 1/С;  = - 5,847ּ10^-7 1/С .

6.2. По отриманим даним табл. 1 та табл. 2 визначити варіацію, абсолютну, відносну та приведену похибки логометра Л 64 та приладу ДИСК-250 по діапазону вимірювання. Прямокутники записів розрахунків похибок в табл. 1 та табл..2 розбити на дві частини, провівши діагональ від правого верхнього кута до нижнього лівого. Результати для прямого ходу по характеристиці перетворення записувати у верхній частині прямокутника, де

стоїть мітка «▼», а для зворотного ходу – у нижній (мітка«▲»).

6.3. Побудувати для обох приладів графіки: а) реальної статичної харак-

теристики перетворення; б) залежності варіації, абсолютних, відносних та приведених похибок по отриманим діапазонам вимірювання.

6.4. Зробити висновки по роботі.

Контрольні запитання.

1. Виведіть формулу для обертального моменту магнітоелектричного приладу з радіальним магнітним полем.

2. Будова та склад магнітоелектричного мілівольтметру.

3. Виведіть формулу для обертального моменту магнітоелектричного приладу з рівномірним магнітним полем та двома котушками.

4. Будова та склад магнітоелектричного логометра.

5. Чому дорівнює кут відхилення рухомої частини логометра?

6. Чому дорівнює кут відхилення рухомої частини логометра?

7. В чому різниця між логометром та мілівольтметром?

Лабораторна робота № 8- р - lu ультразвукові рівнеміри “probe lu” та “Multi Ranger 100 “

1.Мета роботи

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

1.2. Засвоїти методику повірки приладів, виконати вимірювання рівня в

резервуарі і в повітрі, а також оцінити зону нечутливості рівнемірів.

2. Завдання на виконання роботи

2.1. Познайомитись з лабораторним стендом.

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

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

2.4. Зняти реальні статичні характеристики перетворення автоматичних ультразвукових рівнемірів SITRANS Мulti Ranger 100 та PROBE LU .

2.5. По статичним характеристикам перетворення визначити абсолютну, відносну та приведену похибки обох рівнемірів та побудувати графіки: а) реальних статичних характеристик перетворення; б) залежності відносних та приведених похибок по отриманому діапазону вимірювання.

3.Загальні теоретичні відомості

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 f =16÷20 кГц і вище - є ультразвуковими.

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 = ,(1)

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

Довжина λ хвиль звукових коливань зв’язана з частотою f випромінювання та швидкістю С розповсюдження коливань відношенням:

λ = С/ f. (2)

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, наприклад, «метал – повіт-ря», «повітря – метал», «повітря – рідина», «рідина – метал» і т.п. 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 С розповсюдження ультразвукових коливань в ньому. Для повітря, наприклад, С = 42, для води 149∙10³, для заліза - 398∙10⁴ .

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 = {(_рС_р - _пС_п) /(_рС_р + _пС_п)}², (3)

де {(_рС_р - акустичний опір речовини; _пС_п - акустичний опір повітря. Так як С для води, рідин та сипких матеріалів складає практично на 3 порядки більшу величину, ніж для повітря, то на межі розподілу «повітря – рідина», «повітря - сипкі матеріали» відбувається практично повне відбиття ультразву-кової 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, властивих п’єзоматеріалам (їх ще називають п’єзоелектриками).

Під прямим п’єзоелектричним ефектом розуміється поляризація п’єзо-матеріалу при його деформації (ефект Кюрі) і на обкладках , нанесених на поверхню п’єзоелектрика виникає електричний заряд, який можна виміряти. Ефект властивий всім кристалічним діелектрикам, але у переважної більшості він дуже малий. Прямий п’єзоелектричний ефект використовується для вимі-рювання тиску або зусилля, а також в ультразвукових приймачах. які перет-ворюють пругкі коливання середовища в електричний сигнал на його гранях.

Суть оберненого п’єзоефекту в тому, що підведена електрична напруга до

обкладок п’єзоелектрика визиває його деформацію, тобто, він перетворює

електричні коливання напруги у пругкі механічні коливання своєї поверхні. Відповідно в середовищі, з яким контактує п’єзоелектрик, виникають пругкі коливання. Найбільш вживаними п’єзоелектриками, які використовуються в якості перетворювачів випромінювання та приймання ультразвукових хвиль є кристалічний α-кварц (точка Кюрі якого складає 576 С) та п’єзокераміка. Точ-ка Кюрі – це температура п’єзоелектрика, при якій він втрачає свої п’єзоелек-тричні властивості. Плавлений (аморфний) кварц (скло) не має ефекта Кюрі.

Статична деформація L_ст, пластини із α-кварцу відносно невелика і визначається формулою: L_ст = d₃₃ּU; (4)

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

Потужність ультразвукових коливань, що випромінюються в середовище, 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 f₀ приблизно відповідає половині довжини хвилі в пластині та визначається за формулою:

f₀ = C/2d, (5)

де С - швидкість звуку в пластині, d - товщина пластини.

В останні роки більш широко для випромінювання та приймання ультра-звукових коливань використовується п’єзокераміка - клас п’єзоматеріалів отриманих методом керамічного виробництва і являють собою синтетичні тверді розчини: цирконату-титанату свинцю (ЦТС-19), титанату барію тощо. Останній, наприклад, виготовляється із солей титанової кислоти та гідроокису барію і після запікання поляризується електричним полем. П’єзомодуль d₃₃ у нього в десятки разів більший, ніж у α-кварцу, але точка Кюрі його суттєво нижча (100÷120) С. Після повторної поляризації перетворювач, який втратив п’єзоефект, 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 проходження вимірюваної відстані L_x пругкими хвилями у двох напрямках.

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

Інформація про відстань L_x до об’єкта (або рівень рідини Н_x) є часовим

запізненням прийнятої відбитої хвилі відносно випроміненої:

Т = 2 (L_x /С); або L_x = (ТּС)/2 . (6)

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 β: sin(β/2) = (0,51λ)/D, (7)

де β - 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 Н_x ּ tg (β/2). (8)

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 (рис.1).

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 . (9)

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 прямо-пропорційна 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.