Ультразвукові автогенераторні вимірювачі параметрів середовищ

Abstract

На сьогодні контрольно-вимірювальну апаратуру на основі ультразвуку застосовують в різних галузях науки й техніки. Питання підвищення точності ультразвукових засобів контролю шляхом розробки нового класу ультразвукових резонансних методів вимірювання чи контролю величин на основі використання стоячої ультразвукової хвилі є актуальним. Метою роботи є покращення технічних параметрів ультразвукових вимірювачів за рахунок використання явища резонансу та стоячої хвилі. Основою резонансного методу контролю є дослідження параметрів та характеристик стоя-чих акустичних хвиль, які виникають в середовищі внаслідок інтерференції падаючої та відбитих акустичних хвиль. Запропоновано математичну модель ультразвукового резонансного методу вимірювання параметрів рідких та газоподібних середовищ, яка може бути застосована для вимірювального контролю таких параметрів, як густина, температура, товщина об’єкта контролю тощо. Для перевірки адекватності запропонованої моделі поширення ультразвукової хвилі проведено її комп’ютерне моделювання та експериментальні дослідження. В якості досліджуваного середовища обрано повітря (температура 20 °С, швидкість звуку 343м/с, атмосферний тиск 1 атм). Змодельовано відповідно до за-пропонованої математичної моделі часову діаграму сигналу на приймачі для відстані 34,3 мм, коли виконується умова резонансу, й для відстані 34,73 мм, коли виконується умова антирезонансу. Амплітуди сигналів відрізняються приблизно в 5 разів, що підтверджує чутливість моделі. Наведено за-лежність амплітуди сигналу на приймачі для частот сигналу 170…205 кГц за відстані передавач-приймач 35,85 мм та швидкості звуку 340,8 м/с. Результати моделювання мають високу збіжність з результатами експериментальних досліджень, що підтверджує адекватність математичної моделі. Це дозволяє на її основі запропонувати новий клас автогенераторних ультразвукових методів вимі-рювального контролю параметрів середовищ. Описані структурні схеми та принцип дії розроблених автогенераторних вимірювачів товщини, температури газу та густини об’єкта контролю.

Today, ultrasound-based instrumentation equipment is used in various fields of science and technology. The issues of improving the accuracy of ultrasonic control devices by developing a new class of ultrasonic resonant methods for measur-ing or controlling quantities based on the use of a standing ultrasonic wave is relevant. The aim of the work is to improve the technical parameters of ultrasonic meters by using the phenomenon of resonance and standing wave. The basis of the resonant control method is the study of the parameters and characteristics of standing acoustic waves arising in the medium due to the interference of the incident and reflected acoustic waves. The paper proposes a mathematical model of the ultra-sonic resonance method for measuring parameters of liquid and gaseous media, which can be used for measuring control of parameters such as density, temperature, thickness of the test object and the like. To test the adequacy of the proposed model of ultrasonic wave propagation, its computer simulation and experimental studies were carried out. Air was chosen as the test medium (temperature 20 °С, sound velocity 343 m/s, atmospheric pressure 1 atm). The time diagram of the signal at the receiver for a distance of 34,3 mm, when the resonance condition is satisfied, and for a distance of 34,73 mm, when the antiresonance condition is satisfied, is modeled according to the proposed mathematical model. The amplitudes of the signals differ about 5 times, which confirms the sensitivity of the model. The dependence of the amplitude of the signal at the receiver is given for signal frequencies of 170…205 kHz with a transmitter-receiver distance of 35,85 mm and a speed of sound of 340,8 m/s. The simulation results are highly consistent with the results of experimental studies, confirms the ade-quacy of the mathematical model. This allows, on its basis, to propose a new class of self-generating ultrasonic methods for measuring control of medium parameters. The block diagram and the principle of operation of the developed autogenerating meters for measuring the thickness, temperature of gas and density of the test object are described.

Сегодня контрольно-измерительную аппаратуру на основе ультразвука применяют в различных областях науки и техники. Вопрос повышения точности ультразвуковых средств контроля путем разработки нового класса ультразвуковых резонансных методов измерения или контроля величин на основе использования стоячей ультразвуковой волны является актуальным. Целью работы является улучшение технических параметров ультразвуковых измерителей за счет использования явления резонанса и стоячей волны. Основой резонансного метода контроля является исследование параметров и характеристик стоячих акустических волн, возникаю-щих в среде вследствие интерференции падающей и отраженных акустических волн. Предложена математическая модель ультразвукового резонансного метода измерения параметров жидких и газообразных сред, которая может быть применена для измерительного контроля таких параметров, как плотность, температура, толщина объекта контроля и тому подобное. Для проверки адекватности предло-женной модели распространения ультразвуковой волны проведено ее компьютерное моделирование и экспери-ментальные исследования. В качестве исследуемой среды избран воздух (температура 20 °С, скорость звука 343 м/с, атмосферное давление 1 атм). Смоделирована в соответствии с предложенной математической мо-делью временная диаграмма сигнала на приемнике для расстояния 34,3 мм, когда выполняется условие резонан-са, и для расстояния 34,73 мм, когда выполняется условие антирезонанса. Амплитуды сигналов отличаются примерно в 5 раз, что подтверждает чувствительность модели. Приведены зависимости амплитуды сигнала на приемнике для частот сигнала 170…205 кГц с расстоянием передатчик-приемник 35,85 мм и скоростью звука 340,8 м/с. Результаты моделирования имеют высокую сходимость с результатами экспериментальных иссле-дований, что подтверждает адекватность математической модели. Это позволяет на ее основе предложить новый класс автогенераторных ультразвуковых методов измерительного контроля параметров сред. Описаны структурные схемы и принцип действия разработанных автогенераторных измерителей толщины, темпера-туры газа и плотности объекта контроля.