Разработка первичного и вторичного измерительных преобразователей влажности бетонных покрытий ультразвуковым методом измерений, страница 3

·  условия эксплуатации;

·  акустические характеристики, в основном определяемые отношением сигнал/помеха;

·  требование к конструктивному исполнению (габаритные размеры, способ закрепления пььезоэлементов).

Высокие тактико – технические и эксплуатационные характеристики современных ультразвуковых сигнализаторов, работающих на прохождении ультразвуковых колебаний через влагу в рабочем зазоре, обусловили их широкое практическое применение.

Ультразвуковые сигнализаторы влаги являются универсальными по применению. Кроме того, в них отсутствуют механически движущиеся элементы и детали, что обеспечивают их надежность в процессе эксплуатации и долговечность.

2.2 Излучение и прием ультразвука

В ультразвуковых влагомерах для излучения и приема ультразвука применяются исключительно пъезоэлементы из кварца или из пъезокерамики. Принцип действия пъезоэлементов основан на пьезоэлектрическом эффекте, который заключается в том, что при сжатии и растяжении в определенных направлениях некоторых кристаллов на их поверхности возникают электрические заряды. Пьезоэффект  обратим – если приложить к этим поверхностям электрическое напряжение, то кристалл соответственно, растянется или сожмется. Таким образом, механические колебания преобразуются в переменное  электрическое напряжение, а переменное электрическое напряжение  преобразуется в механические колебания той же частоты. Пьезоэлектрические свойства зависят от температуры. Причем в широкой области температур эта зависимость выражена весьма слабо, затем при повышении температуры величина пьезомодуля (коэффициент пропорциональности между изменением размеров пьезоэлектрической пластинки и приложенного напряжения) постепенно уменьшается и, наконец, при определенной температуре, называемой точкой Кюри, пьезоэлектические свойства полностью исчезают. Колеблющийся пьезокристалл можно рассматривать как резонансный колебательный контур.

Согласно рекомендациям в качестве излучателей  и приемников ультразвука применяем круглые пластины из титаната бария. Применение керамических пьезоэлементов более целесообразно, в частности, входное сопротивление данных элементов меньше чем у кварца, поэтому для получения той же мощности излучения необходимо меньшее переменное электрическое напряжения, чем в случае применения кварца, однако у керамических пьезоэлементов более низкая точка Кюри.

Акустические характеристики титаната бария приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Акустические характеристики титаната бария

Параметр	Титанат бария
Плотность ρ, г/см3	5,3
Диэлектрическая проницаемость,	1350
Точка Кюри,0С	120
Пьезомодуль,	110
Коэффициент электромеханической связи К,%	46
Скорость ультразвука с, м/сек	4400
Резонансная  частота  при заданных выше геометрических размерах, МГц	1

Пластины излучателей и  приемников ультразвука из титаната бария с двух сторон покрывают металлической пленкой для подачи или съема напряжения. После изготовления пластины подвергаются поляризации постоянным электрическим напряжением, после чего они приобретают пьезоэлектрические свойства. Переменное напряжение, подаваемое на пластины в непрерывном режиме, не должно превышать по амплитуде 20% от напряжения поляризации.

Произведем расчет параметров пьезоэлементов.

Уравнение для выбора диаметра пьезоэлемента dиз условия допускаемого значения относительного изменения амплитуды

,

где А,А- амплитуда ультразвуковой волны на излучателе и приемнике соответственно; L – расстояние между приемным и излучающим пьезоэлементом (расстояние задается конструктором и оно будет равно 0,15м);  - длина ультразвуковой волны в измеряемой среде, которую рассчитаем по формуле:

          Целесообразно выбирать , при этом  и незначительно уменьшается амплитуда сигнала за счет расхождения фронта волны, но значительно ослабевают многократно отраженные сигналы.

          Таким образом

          Толщину пьезоэлемента рассчитаем по формуле:

2.3 Принцип работы первичного измерительного преобразователя

  Обеспечение высокой надежности работы современной аппаратуры, применяемой в самых различных областях современной техники, а также технологического контроля и управления устанавливают жесткие требования к первичным преобразователям (датчикам). Широкое промышленное освоение и внедрение ультразвуковых приборов контроля в ряде ведущих отраслей промышленности и систем автоматизации механизмов, установок, аппаратов дает большой экономический эффект вследствие их повышенной надежности, долговечности и сравнительно низкой себестоимости.

Рассмотрим основные технические требования, предъявленные к

датчику:

·  первичный преобразователь должен учитывать конструктивные особенности пьезоэлемента (материал, диаметр);

·  конструктивно датчик должен быть выполнен в виде компактного функционально законченного модуля с приличным дизайном,

·  достоверность и надежность работы устройства;

·  небольшое энергопотребление и минимум питающих напряжений. 

Для измерения влажности бетонных покрытий применим ультразвуковой датчик, в котором с помощью ультразвуковых колебаний, проходящих между излучателем и приемником, будем определять влагосодержание данного материала. Измерение влажности сведется к измерению скорости распространения ультразвуковой волны в исследуемом бетоне.

Скорость ультразвука рассчитаем по формуле:

где

и – плотность бетона и воды;

v – скорость распространения ультразвука в воде;

W – влажность в процентном соотношении.

Результаты занесем в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 – Зависимость ультразвуковой волны от влажности исследуемого материала