Download pdf - Seminarski Rad

Transcript
Page 1: Seminarski Rad

УНИВЕРЗИТЕТ У КРАГУЈЕВЦУ

ФАКУЛТЕТ ЗА МАШИНСТВО И ГРАЂЕВИНАРСТВО

СЕМИНАРСКИ РАД

- Ултразвучни мерачи нивоа -

Студент: Дејан Миладиновић 21/12-М Професор: др Драган Пршић

Краљево,

Фебруар 2014. год

Page 2: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 1

Садржај

1. МЕРЕЊЕ ........................................................................................................................................................................ 2

1.1. Увод ............................................................................................................................................................................. 2

1.2. Општи појмови .................................................................................................................................................... 2

1.2.1. Начини мерења ............................................................................................................................................... 3

1.2.2. Грешке при мерењу...................................................................................................................................... 4

1.3. Метрологија........................................................................................................................................................... 4

1.4. Мерење нивоа ....................................................................................................................................................... 5

1.4.1. Увод ........................................................................................................................................................................ 5

1.4.2. Основни појмови и величине у мерењу нивоа ........................................................................... 5

1.4.3. Методе мерења нивоа: ............................................................................................................................... 7

2. УЛТРАЗВУЧНИ СЕНЗОРИ .................................................................................................................................... 8

2.1. Ултразвук ................................................................................................................................................................ 8

2.1.1. Увод ........................................................................................................................................................................ 8

2.1.2. Начин добијања ултразвука ................................................................................................................... 9

3. СЕНЗОРИ .................................................................................................................................................................... 11

3.1. Опште карактеристике сензора ............................................................................................................ 11

3.2. Подела .................................................................................................................................................................... 11

4. УЛТРАЗВУЧНИ СЕНЗОРИ ................................................................................................................................. 12

4.1. Ултразвучни мерач нивоа ......................................................................................................................... 13

Page 3: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 2

1. МЕРЕЊЕ

1.1. Увод

Мерење представља одређивање величине неке појаве или објекта. Та величина се

исказује нумерички (бројем) и јединицом одређене величине. Могу се мерити само

основне величине по међународном систему јединица. То су:

- дужина,

- маса,

- време,

- термодинамичка температура,

- електрична струја,

- интензитет светлости и

- количина супсатнце.

1.2. Општи појмови

У свим областима науке и технике, привреде и уопште у практичном раду и животу

наилазимо на проблем мерења. Свакодневно се срећемо са мерењем времена, масе,

дужине, запремине, брзине и других величина. Неке од области где се користи

мерење:

- истраживање и развој нових производа;

- производња и контрола производа;

- управљање у процесима производње (аутоматика);

- праћење и регистровање у здравствене, економске, безбедоносне сврхе, итд.

Page 4: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 3

Истраживања у многим областима науке и технике базирају се на мерењу и

квантитативном изражавању физичких величина. Због специфичности појава које

се изучавају и метода које се при томе користе примењују се различите технике и

методе мерења. Зато још увек не постоји јединствен и свеобухватан приступ

мерењу па се оно посматра из различитих углова. Нпр. теорија грешака се бави

грешкама при мерењу, теорија информација посматра грешке мерења као сметње

у каналима за пренос информација, алгоритамска теорија изачава мерења као

алгоритме за добијање нумеричког податка.

У досадашњем развоју науке и тхенике могу се уочити два нивоа у изучавању

мерења

- теоретски

- примењени.

1.2.1. Начини мерења

За мерење наведених величина су потребни мерни инструменти помоћу којих се

одређује њихова вредност. Маса је једина основна величина која се не мери, већ се

упоређује.

Циљ мерења је добијање поузданог исказа о непознатим подацима објекта.

Активности мерења су углавном практичне (експерименталне) природе, а могу

укључити и теоријска разматрања и прорачуне.

Мерне методе или начини мерења могу бити непосредни и посредни. У

непосредном мерењу резултат се добија упоређивањем мерног предмета са

познатом величином уз помоћ мерног инструмента. Резултат се само очита са

инструмента. У посредном мерењу резултат се добија рачунањем две или више

измерених величина.

Page 5: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 4

1.2.2. Грешке при мерењу

Грешка при мерењу представља одступање мерног резултата у односу на

претпостављене непромењиве вредности мерне јединице, односно мере. Грешке

које се јављају при мерењу деле се на:

- грубе,

- системске и

- случајне грешке.

Најчешћи узроци грешака при мерењу су:

неправилно руковање мерним инструментима,

непознавање мерног инструмента, величине, објекта или појаве која се мери,

непрецизност,

неисправност мерног инструмента и

предрасуде или инстинкт код особа које мере одређену појаву или објекат.

1.3. Метрологија

Метрологија је наука о мерама, методама и средствима мерења, те поступцима

реализације потребне тачности мерења. Води порекло од грчке речи metron- мера

и logos - учење па би дослован превод био учење о мерама. Метрологија се бави

теоријом и праксом мерења у свим областима науке и технике без обзира на

жељени ниво тачности. Током историје у метрологији су развијене многе методе и

средства за решавање проблема у мерној техници.

Са развојем теорије система, теорије информација, теорије аутоматског

управљања, информационе технологије и др. у оквиру примењене теорије мерења

развила се посебна научна дисциплина аутометрија. Аутометрија се бави теоријом

и обрадом информација као и развојем мерно инфромационих система.

Page 6: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 5

У оквиру метрологије разматрају се следећа питања:

- методе и средства за мерење,

- начине за остваривање јединства мерења,

- начине за остваривање потребне тачности мерења,

- јединице за мерење физичких величина,

- мере, еталоне и калибре,

- начине за пренос јединица од еталона и калибара на радна средства мерења,

- теорија грешака мерења,

- методе статистичке контроле

- методе математичке обраде резултата мерења,

- методе за класификацију средстава мерења,

- итд.

1.4. Мерење нивоа

1.4.1. Увод

Ниво је висина течног или уситњеног ( шипкастог, прашкастог) материјала у

посуди. Ниво радног медија је технолошки параметар, па је информација о њему

неопходна за контролу рада технолошких апарата, а у низу случајева и за

управљање технолошким процесима.

1.4.2. Основни појмови и величине у мерењу нивоа

Ниво представља граничну површину између две средине различите густине у

односу на неку хоризонталну површину узету као референтну. Гранична

површина је обично између течне и гасне фазе, а ређе између две течне фазе.

Сензори за мерење нивоа називају се нивометрима.

Page 7: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 6

Ниво се изражава у јединицама дужине. Мерење нивоа уситњеног материјала, као

што је угаљ, брашно, жито, цемент и друго разликује се од мерења нивоа течности

јер ниво таквих материјала најчешће није хоризонталан. За тачно мерење

неопходно је познавање начина кретања материјала, величине и облика зрна,

начина пуњења и пражњења, као и облика резервоара.

Мерење количине (запремине) течног и уситњеног материјала у резервоару врши

се на основу информација о нивоу.

Гасна фаза

Течна

фаза

Реф.

површина

Шипкасти материјал

Ниво: а-течности; б-уситњеног

материјала

Page 8: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 7

1.4.3. Методе мерења нивоа:

Детекција нивоа:

- Пловне крушке,

- Кондуктивни детектори,

- Детектори нивоа на принципу пловка или ронила,

- Вибрационе виљушке,

- Вибрационе шипке.

Континуалне методе мерења:

- Хидростатски сензори,

- Сензори на принципу пловка,

- Капацитивни сензори,

- Отпорнички сензори нивоа,

- Ултразвучни сензори.

Page 9: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 8

2. УЛТРАЗВУЧНИ СЕНЗОРИ

2.1. Ултразвук

2.1.1. Увод

Ултразвук је звук чија је фреквенција изнад горње границе чујности за нормално

људско уво, а која износи 20 kHz.

Неке животиње (нпр. пси, делфини, шишмиши, мишеви, ...) могу чути ултразвук јер

имају вишу горњу граничну фреквенцију од човека. Млађе особе, а посебно деца,

могу чути неке звукове високих фреквенција. Што је човек старији, горња граница

чујности му пада, што значи да све слабије чује звукове високих фреквенција.

Високе звучне

фреквенције су саставни део спектра фреквенција које производи неки извор

звука, а спектар звучних фреквенција чини боју звука. Опадањем чујности високих

фреквенција старењем, старијим људима се мењају и боје звука, што значи да

симфонијски оркестар или звук виолине другачије чује дете од шест, одрастао

човек од 30 или старац од 80 година.

Најпознатија примена ултразвука је у медицини - ултразвучна дијагностика (нпр.

Транскранијални доплер). Ултразвук се и за многе друге сврхе (откривање јата

риба и подморница, тзв. сонар). Принцип кориштења је врло једноставан:

одашиље се ултразвучни талас, који се одбија од препреке те се према времену

потребном да се талас врати одређује удаљеност и облик објекта.

Page 10: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 9

2.1.2. Начин добијања ултразвука

За добијање ултразвука користе се ултразвучни генератори. То су уствари

претварачи енергије извора напајања у ултразвучну енергију. Основни елемент

ултразвучног генератора представља део који претвара доведену енергију у

ултразвучну. Назив тога дела још није терминолошки утврђен.

Има више назива:

- претварач,

- ултразвучна глава,

- вибратор.

Према врсти енергије која се непосредно претвара у ултразвучну генератори

ултразвука се деле на:

- механичке и

- електронске.

Механички генератори користе кинетичку енергију гасова и течности, а

електронски користе електромагнетску енергију осцилаторног кола. Електронски

генератори се према ефекту који се користи за произвођење ултразвука деле на

пиезоелектричне и магнетностриктивне генераторе ултразвука. За све

генераторе ултразвука, односно ултразвучне вибраторе, карактеристично је да

производе ултразвучне таласе у некој средини механичким треперењем неког

погодног еластичног система. При томе се, ради бољег искоришћавања односно

претварања погонске енергије у ултразвучну, користи резонанца, механичка код

пиезоелектричних и магнетостриктивних, акустична код механичких генератора,

али не код свих јер неки раде и без резонанце.

Претварачке способности пиезоелектричних и магненетостриктивних вибратора

карактеришу се фактором спреге (К).Фактором спреге се изражава способност

претварања електричне у механичку енергију,односно магнетске у механичку

енергију вибратора. Она у извесном смислу карактерише степен корисног дејства

вибратора али не у потпуности.

Page 11: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 10

Квадрат електромеханичког фактора спреге, код пизоелектричних вибратора,

дефинише се као однос механичке енергије створене у вибратору према

елетричној енергији , доведеној ка вибратору.

К2ем= потенцијална механичка енергија

потенцијална електрична енергија

Page 12: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 11

3. СЕНЗОРИ

3.1. Опште карактеристике сензора

Сензор (често и - давач, детектор) је уређај који мери физичке величине и

конвертује их у сигнал читљив посматрачу и/или инструменту. На пример, живин

термометар конвертује измерену температуру у ширење живине течности, која се

може очитати на цеви са подеоцима.

Сензори имају широку примену у свакодневном животу: код екрана осетљивих на

додир, код врата и елеватора у јавним објектима, код осветљења и аларма и многих

других уређаја: аутомобила, авиона, медицинских уређаја, робота, индустријских

машина и другде.

Индикатор сензора показује промене излазних величина у односу на мерене

величине. Сензори који мере прецизне величине захтевају већу осетљивост.

Технолошки напредак омогућио је израду сензора са детаљима микрометарских

димензија. Они користе МЕМС технологију и називају се микросензори.

3.2. Подела

Сензори су врста конвертора (претварача). Они једну физичку величину

претварају у другу. Због тога се они могу класификовати по типу енергије коју

преносе.

- Топлотни

- Електромагнетни

- Механички

- Хемијски

- Оптички

- Акустички

- Остали типови

Page 13: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 12

4. УЛТРАЗВУЧНИ СЕНЗОРИ

Принцип рада темељи се на слању ултразвучних таласа (костантне брзине и

фреквенције веће од 20 kHz) из одашиљача према посматраном објекту од којег се

таласи одбијају и враћају до пријемника. Мерењем времена за који сигнал прође од

одашиљача до пријемника, уз познавање брзине сигнала, одређује се удаљеност

објекта од сензора.

Излазни сигнал може бити дигиталан (детектује се присуство објекта на одређеној

удаљености) или аналоган када се континуирано мери удаљеност објекта од

сензора.

Подручја примене ултразвучних сензора у процесној индустрији су изразито

велика. Осим мерења удаљености покретних објеката, користе се за мерење нивоа,

протока, дебљине и састава неких материјала. Широко се примењују и у медицини.

Основни делови ултразвучног сензора близине су:

- Предајник,

- Пријемник

- Електронски склоп за обраду сигнала,

- Излазни круг.

Page 14: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 13

4.1. Ултразвучни мерач нивоа

Одбијање звучних, ултразвучних и микроталасних зрачења од разделне површине

између два флуида ефикасно се примењује у техници мерења нивоа. Ниво је

пропорционалан времену Т за које талас пређе од извора до пријемника зрачења.

- Практична реализација ултразвучних сензора нивоа

Као извор ултразвука узима се кварцни или керамички пијезоелемент, који се

побуђује електричним импулсима фреквенције око 30 КХз (Слика 16а.). Време

прелаза импулса у мерном каналу је:

Време одбијања импулса од разделне површине медија чији се ниво мери

пропорционално је растојању разделне површине од сензора. Ултразвучним

сензором могуће је мерити и удаљеност разделне површине између два флуида

који се не мешају

Page 15: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 14

На слабљење импулса током простирања утиче више фактора:

- Снага емитованог ултразвучног сигнала

- Губитак услед влажења

- Снага ултразвучног сигнала на разделној површини

- Губитак снаге услед упијања од стране разделне површине

- Снага ултразвучног сигнала рефлектованог о разделну површину

- Снага ултразвучног сигнала на пријемнику сензора.

- Основне одлике ултразвучних сензора су

Основне одлике ултразвучних сензора су:

- типични опсег од 0.6 до 70 м,

- тачност ±0.1%,

- напон напајања 24 V, 110 V, 220 V

- фреквенције 50 до 60 Hz,

- могућност рада при температури од -30 до +75 оС

- притиску од 0.03 до 0.3 МРа.

За правилан рад ултразвучног сензора неопходна је мирна површина и одсуство

лажних рефлекса са бочних зидова или са горњег зида резервоара.

Page 16: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 15

- Начин уградње ултразвучних сензора

При уградњи ултразвучних сензора код течности и ситнозрнастих материјала

потребно је обрадити пажњу да сензор региструје ниво најмирнијег дела разделне

површине, као и правилно усмеравање ултразвучног снопа.

- Предности примјене ултразвучних сензора:

- велике даљине детекције (до 15 m),

- рефлексија не зависи од боје објекта,

- мали хистерезис код дискретних сензора,

- због конст. брзине ултразвучних таласа аналогни сензори имају линеарну

карактеристику.

Page 17: Seminarski Rad

ТЕХНИКА МЕРЕЊА

Ултразвучни мерачи нивоа

Дејан Миладиновић 21/12-М 16

- Недостаци су:

- објект мора имати одговарајућу површину рефлексије,

- захтева се одговарајуће време путовања таласа па је минимално време одзива

око 0.1s,

- постоји минимална даљина детекције,

- промена услова околине (температура, влага, нечистоће у ваздуху) утиче на

тачност,

- објекти мање густине апсорбују таласе.