Разработка первичного и вторичного измерительных преобразователей влажности бетонных покрытий ультразвуковым методом измерений, страница 4

W,%	1	3	5	7	10	15	20	25	30
v,м/с	6831,14	4037,91	3199,81	2765,82	2390,68	2056,69	1871,59	1755	1675,18

По данным таблицы построим  график.

.

Рис. 2.1 –  График зависимости ультразвуковой волны от влажности исследуемого материала

Рассмотрим конструкцию первичного преобразователя, который представлен на рисунке 2.2.

Рис. 2.2 –  Первичный измерительный преобразователь

Как видим, ПИП имеет форму двухщупового акустического датчика.

Основные технические характеристики датчика:

·  питающие напряжения, В – +5…+10;

·  допустимые отклонения питающих напряжений – 5 %;

·  габаритные размеры, не более – 977548 мм;

·  масса, не более – 255 г;

·  диапазон рабочих температур- 10…+50°С;

Рассчитаем время распространения ультразвуковых колебаний в исследуемом материале между излучателем и приемником, если расстояние между ними составляет 50мм (L=0.05м):

,где

v– скорость распространения ультразвуковой волны в бетоне.

Для сравнения рассчитаем время прохождения ультразвука в однородной среде, например воде.

,где

v–  скорость распространения ультразвуковой волны в воде.

Как видим, в бетоне волна проходит намного быстрее, чем в воде.

Структурную схему акустического измерителя влажности бетона условно можно разделить на две части – передающую и приемную.

Передающая часть включает в себя задающий генератор, который формирует периодические импульсы с амплитудой 5В и выходной усилитель. Нагрузкой выходного усилителя является излучатель, возбуждение которого осуществляется короткими периодическими импульсами прямоугольной формы длительностью порядка =0,5…1 мкс с периодом 3…10 мс. При этом резонансная частота излучателя получается порядка 1 МГц. Использование подобных радиоимпульсов повышает коэффициент передачи акустических датчиков, но значительно увеличивает длину зондирующих импульсов.

Приемная часть включает в себя входной усилитель, на вход которого поступают сигналы с приемника акустического датчика; формирователь и АЦП.

Можем сделать вывод о том, что выдаваемая ультразвуковыми датчиками информация может быть как цифровой, так и аналоговой и используется для контроля и автоматизации процессов, зондируемым данным устройством.

3  РАЗРАБОТКА ВТОРИЧНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

3.1  Рассмотрение  блок – схем ультразвуковых влагомеров

В схемах[2] ультразвуковых приборов применяется один совмещенный

излучатель – приемник или два раздельных устройства. Ультразвуковые влагомеры отличаются высоким быстродействием и чувствительностью, и благодаря  применению защитных мембран могут работать даже в

агрессивных средах. Основной недостаток ультразвукового метода заключается в зависимости результата измерения не только от измеряемой величины, но и от ряда влияющих параметров исследуемого материала: плотность, химический состав, содержание электролитов.

          Наибольшее значение имеет температура окружающей среды; так, для суспензии с влажностью 40 % температурная погрешность составляет около 0,8 %  на 1°С.

Для суспензий с влажностью 30 – 50 % был разработан влагомер на принципе непрерывного излучения (рис. 3.1).

Рис. 3.1 –  Блок – схема ультразвукового влагомера с непрерывным излучением 

Генератор, стабилизированный пьезоэлементом, создает синусоидальное напряжение, подаваемое на двухканальную схему. Опорный канал содержит  датчик, заполненный дистиллированной водой и выполняющий функции термокомпенсатора. Сигналы обоих каналов имеют фиксированные уровни; выходной величиной служит разность фаз этих сигналов, измеряемая фазометром с самопишущим выходным прибором.

Рис. 3.2 –  Блок – схема ультразвукового влагомера с импульсным излучением 

Для дисперсных материалов с влажностью 15 – 30 % применяется импульсный метод в сочетании с принципом автоциркуляции (рис. 3.2). Данный влагомер содержит синхрокольцо: импульс генератора, пройдя через контролируемую среду, после усиления и формирования используется для нового запуска генератора, в результате чего создается непрерывная последовательность импульсов с частотой следования, которая определяется  временем распространения импульса. Измеряемой величиной является интервал времени, кратный определенному целому числу периодов следования синхроимпульсов. Измерительная схема преобразует этот интервал времени в напряжение, характеризующее влажность материала и измеряемое выходным прибором.

3.2 Функциональная схема разрабатываемого прибора

 В основу функциональной схемы разрабатываемого прибора возьмем блок – схему, изображенную на рис. 3.2, с импульсным излучением, но без использования синхрокольца для обеспечения непрерывной работы прибора.

В соответствии с  выбранным методом измерения влажности бетонных покрытий и ультразвуковым преобразователем функциональная схема проектируемого прибора будет иметь следующий вид, изображенный на   рис. 3.3. 

Рис. 3.3 – Функциональная схема вторичного измерительного преобразователя

Принцип работы влагомера заключается в следующем:

генератор задает импульс прямоугольной формы с амплитудой 5В, который поступает на излучатель, проходит через контролируемую среду, интенсивность его понижается, и поступает на приемник, потом на усилитель, где усиливается приблизительно в 50 раз, и на формирователь. Формирователь состоит из выпрямителя, что стабилизирует импульс и компенсатора, который не даст превысить питающее напряжение больше 5В.

Информация отобразится на АЦП.

3.3 Разработка принципиальной электрической схемы

В соответствии с функциональной схемой были подобраны следующие элементы.

Мультивибратор