Малюнок 3.4. Установка тензометрического вимірювача відстані
в гаражному ангарі.
1 - 3. тензодатчики;
4. вимірювальний блок;
5. блок індикації.
Такий вимірювач вимагає досить складні роботи з монтажу датчиків, число яких повинно відповідати числу визначаються зон. Разом з тим ці тензодатчики можуть бути легко пошкоджені при проведенні різних робіт в даному приміщенні.
У зв'язку з цим найбільш доцільним видається застосування методу ультразвукової локації.
3.2. Метод ультразвукової локації.
Ультразвукові прилади (2) відрізняються простотою пристрою і зручністю експлуатації; допускають роботу в широкому діапазоні температур при великих вібраційних і ударних навантаженнях; мають високу надійність, безвідмовністю роботи в тривалий проміжок часу і досить високою точністю.
Однак сильно утруднено створення ефективних акустичних перетворювачів, так як при випромінюванні ультразвукових коливань з твердих матеріалів в газ з огляду на суттєву різницю між акустичними опорами цих середовищ відбувається значна втрата енергії на відображення. Це вимагає більшого посилення луна - сигналу, що ускладнює конструкцію приладу. Крім того, при локації істотно впливає дифракційне розбіжність, що приводить до значного ослаблення прийнятого звукового сигналу.
Сучасні ультразвукові вимірники використовують в якості електроакустичних вібраторів диски з п'єзокераміки або спеціальних сплавів. Для збільшення потужності випромінювання диски за певною технологією склеюються між собою, а перед диском встановлюється спеціальне акустичне пристрій, що погодить (2). Відмінною особливістю сучасних вимірювачів є так - ж і те, що випромінювач і приймач ультразвукових імпульсів об'єднані в один вузол (1).
Структурна схема ультразвукового пристрою приведена на малюнку 3.5.
Генератор [2] виробляє електричні імпульси з певною частотою повторення, які перетворюються в ультразвукові акустичним перетворювачем [1]. Імпульси після зворотного перетворення посилюються блоком [3].
Малюнок 3.5. ультразвуковий пристрій
для вимірювання відстані.
Формування уніфікованого вихідного сигналу здійснюється за допомогою компенсаційного перетворювача, до складу якого входять схема збігу [4], підсилювально - перетворює пристрій [5] і елемент зворотного зв'язку [6], що представляє собою блок перетворення напруги в часовий інтервал. Вихідний сигнал формується шляхом автоматичного спостереження блоком 6 за становищем відбитого сигналу. Блок 6 складається з генератора пилкоподібної напруги та компаратора. Пилкоподібна напруга подається па один вхід компаратора, на інший його вхід подається вихідна напруга. Відбитий сигнал з виходу блоку [3] і прямокутні імпульси з виходу блоку [6] надходять в схему збігу [4].
Якщо фронт відбитого сигналу не збігається з фронтом прямокутного імпульсу, то виробляється сигнал розбалансу, який за допомогою підсилювально - перетворюючого пристрою змінює вихідний сигнал. Це відбувається до тих пір, поки сигнал розбалансу не зменшиться до нуля.
Для методу локації ультразвукового імпульсу через повітряне середовище одним з найважливіших факторів є ставлення величини прийнятого відлуння - сигналу до рівня перешкод (рівню шумів). Це ставлення регламентує можливість даного методу, визначає величину так званої "мертвої зони", де не може бути прийнятий сигнал зважаючи на великий рівня перешкод, а також визначає максимально фіксується рівень (дивись малюнок 3.6.).
Ефект реверберації, або послезвучанія, що випромінює датчика, коли він одночасно є і прийомним (робота на один датчик) буде тим тривалішим, ніж вище добротність датчика.
Як випливає з малюнка 3.6. діапазон вимірювань за часом (і відповідно по відстані) визначається значеннями величин і. При цьому він може бути розширений від вліво, при зменшенні періоду передачі (часу зондування) і збільшенням демпфірування датчика (більш крутий спад кривої реверберації). З іншого боку, він може бути розширений від вправо, при збільшенні рівня сигналу, що передається і зниженні рівня перешкод.
Іншим фактором, що впливає на ефективність роботи вимірювачів, є діапазон робочих частот. Оптимальні частоти визначаються величинами: для повітряного середовища (2). При цьому необхідно враховувати, що якщо зі збільшенням частоти збільшується точність відліку відстані, то зростає поглинання (і розсіювання) ультразвукової хвилі. Зі зменшенням частоти збільшуються втрати з - за геометричного розбіжності ультразвукового пучка.
3.3. Точність вимірювання.
Загальна похибка вимірювань виробу, обсягу технологічного продукту, реалізованого на основі ультразвукового вимірювача відстані, складається з ряду зовнішніх і внутрішніх факторів. Зовнішні фактори засновані на особливостях відображення і прийому ультразвукового луна - сигналу, а також зміну швидкості ультразвуку залежно від параметрів середовища поширення.
Похибка, обумовлена шумами на вході приймально - підсилювального тракту, виникає в результаті того, що під впливом шуму тимчасове положення точки фіксації фронту імпульсу флуктуірует. Гранична похибка відліку при врахуванні впливу шуму дорівнює (5):
,
де - смуга пропускання приймально - підсилювального тракту;
- відношення сигнал - шум на виході детектора.
Похибка, викликана кінцевим значенням фронту сигналу, обумовлена тим, що сигнал на виході приймально - підсилювального тракту з'явиться не в момент початку імпульсу, а коли величина відлуння - сигналу досягне порогового рівня. При цьому похибка буде визначатися:
,
де - амплітуда луна - сигналу;
- час встановлення процесу.
Для підвищення точності вимірювання рівня рекомендується встановлювати максимально допустимий за умовами роботи посилення приймального тракту.
Наступний вид похибок пов'язаний з нестабільністю генератора рахункових імпульсів. Для мінімізації цих похибок генератор рахункових імпульсів необхідно реалізувати на основі кварцового автогенератора.
При розробці приладу всі перераховані похибки повинні бути враховані з тим щоб загальна похибка не перевищувала заданої в ТЗ.