Koncepcja poziomomierza akustycznego do pomiaru poziomu wody i ścieków w kanałach pomiarowych

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLISKIEJ Seria s AUTOMATYKA z.60

1981

lir k o l.695

Stanisław KOPACZ Instytut Automatyki Politechniki Śląskiej

KONCEPCJA POZIOMOMIERZA AKUSTYCZNEGO DO POMIARU POZIOMU WODY' I ŚCIEKÓW W KANAŁACH POMIAROWYCH

Streszczenie. W artykule przedstawiono koncepcję budowy po- ziomotrderza akustycznego. Podano zależności opisujące podstawowe właściwości poziomomierza.

1. Wstęp

Do pomiaru przepływu cieczy w kanałach otwartych stosuje się przele­

wy, koryta pomiarowe lub odpowiednie obudowy cieku. Miarą przepływu jest poziom cieczy. Charakterystyka koryta, przelewu lub tan. krzywa konsumpcyjna cieku pozwalają obliczyć natężenie przepływu na podstawie zmierzonego poziomu.

Poziomomierza pracują w specyficznych warunkach. Przy stanach nis­

kich i średnich zmiany poziomu są rzędu kilkuset milimetrów. W stanach wysokich, zależnie, od lokalnych warunków hydrometeorologicznych, zmia­

ny poziomu mogą osiągać wartości kilku metrów. Poziomomierze są z regu­

ły zabudowywane w miejscach oddalonych od pomieszczeń nadzoru. Stosowa­

ne obudowy zabezpieczają przed ingerencją osób niepowołanych i przed o- padami atmosferycznymi. Obudowy nie są ogrzewane. Wskutek bezpośrednie­

go kontaktu z wodą wewnątrz obudów panuje wysoka wilgotność. W miejs­

cach zabudowy na ogół nie występują wstrząsy i wibracje.

2. Zasada działania poziomomierza akustycznego

Po2iomomierz akustyczny składa się z rury rezonansowej,.nadajnika i odbiornika fali akustycznej, układu elektronicznego do wzbudzania fa­

li stojącej oraz układu do pomiaru okresu drgań tej fali. Nadajnik i od­

biornik są sprzęgnięte tascn.caisS&em. ” układzie generują się drgania

o częstotliwości zależnej od długości rury rezonansowej, Rura rezonanso­

wa Jednym końcem jest zonurzpna w cieczy. Zmiany poziomu powodują zmianę’

długości ¡aktywnego odcinka frury 1 w konsekwencji zmianę okresu drgań proporcjonalną doJzmiany pożiómu.

3. Model matematyczny rezonatora

W rurze rezonansowej mogą powstać fale -stojące o częstotliwości okre­

ślonej wzorem /1/

gdzie s w n 1

. f

Zależność między poziomem cieczy określającym długość rury a często­

tliwością jest niejednoznaczna. Zachodzi potrzeba układowego zagwaranto­

wania jednoznaczności.

Wynik pomiaru jest zależny od rodzaju gazu wypełniającego rurę i od temperatury. Wpływ.temperatury na. prędkość w [4j- jest rzędu 0,17 S/K, Ponieważ zakres pomiaru poziomu obejmuje część długości rury,-wpływ tem­

peratury na dokładność poziomu będzie większy. 'Wpływ' ten będzie propor­

cjonalny do stosunku długości aktywnego odcinka rury do zakresu pomiaru.

Zachodzi potrzeba korekcji tego wpływu.

Wpływ jp’rędkości na wynik pomiaru poziomu można zrealizować przez po­

miar stosunku okresu fali stojącej n rurze i okresu drgań fali w analo­

gicznym rezonatorze o stałej długości.

Przy cyfrowym pomiarze okresu

i

H =

i

gdzie r

fjy - częstotliwość generatora wzorcowego,

m - mnożnik częstotliwości generatora wzorcowego.

Jako generator wzorcowy stosuje się generator z rezonatorem akustycznym o częstotliwości .

1» (2n - 1)

■, /I/

4L

częstotliwość fali stojącej, prędkość rozchodzenia się dźwięku, liczba naturalna,

długość rury.

'Koncepcja poziomomierza , 135

w (2k - 1)

*. - i r — • *

w gdzie j k - liozba naturalna

lw - długość-rezonatora.

Ze wzorów /2/ i /3/ wynika, że

(2k - 1)L (Za - 1)LW

m» JM

Zakładając, że poziom h mierzy się względem pewnej długości Lq ru­

ry rezonansowej, tzn. L = L0 - h , wzór. /4/ można przekształcić do pos­

taci ■

2n - 1

(*„ - H) ,

JM

" m(2k - 1) 0 gdzie

K

Lw 2 n - 1

Bezpośredni odczyt poziomu można uzyskaó, Jeżeli układ pomiarowy rea­

lizuje odejmowanie od zadanej wartości Hq liczby zliczonych impulsów Nj przy czym

2 n - 1

1 [mm]• /6/

" m(2k - 1)

Podstawowymi parametrami konstrukcyjnymi poziomom!erza są więo numery wykorzystywanych harmonicznych (2n-1) i (2k-1), długość rury rezonato­

ra i mnożnik generatora wzorcowego m .

Palę stojącą w rurze rezonatora można wzbudzić stosując nadajnik [gło­

śnik) i odbiornik (mikrofon) oraz wzmacniacz elektroniczny lub też wy­

korzystując fakt, że impeaancja głośnika Jest zależna od obciążenia aku­

stycznego - zastosować układ pokazany na rys.1.

Zdjęta doświadczalnie [5] charakterystyka U * U_(£) głośnika, typu 5

GD10/05 obciążonego rurą rezonansową o średnicy

i

kowy pokazany na rya.1 pozwala uzyskać większą selektywność charakterys­

tyki (krzywa- b na rys.2)(korzystniejszą ze względu.na możliwość genero- • wania fali stojącej w rurze rezonansowej.

136 S-i.Kopacz -

1 - woda

2 - rura rezonansowa 3 - głośnik

4 - wzmacniacz

Bys. 1. Generator fali stojącej w rurze rezonansowej poziomomierza akustycznego

niejednoznaczność wskazań można wyeliminować przez włączenie w pętlę sprzężenia zwrotnego filtru pasmono-przepustowego. Włączenie filtru nak­

łada ograniczenia na zakres pomiaru poziomu, Zależność tę ilustruje rys.3.

Górną graniczną częstotliwość filtra f określa wzór

go

(2n + 1)

4L„

a dolną graniczną częstotliwość można obliczyć ze wzoru (2n - 1)

do

III

/

/

Maksymalny zakres pomiarowy przy zastosowaniu rury o długości 1Q określa wzór •

2

^mar; 2n + 1

/9 / Istotnym ograniczeniem długości zakresu pomiarowego jest pasmo prze- noszenia głośnika zgodnie z nierównością •

I

(2n - 1) w

^ 2(2n + 1)f'.w 7

/

10

dgł

gdzie : fdgł - dolna graniczna częstotliwość pasma przenocz'enia głoś-

Koncepcja poziomoraierza ... 137

UntmV3

Rys.2. Charakterystyki częstotliwościowe głośnika GD 10/05.

Rys.3. Zależność okresu drgań fali stojącej *£ od długości rezonatora L. Obszary jedno­

znaczności przy wykorzystaniu trzeciej harmonicznej (n=2) zakreskowano.

136 St. Kopacz - .aika.

Rozszerzenie zakresu pomiaru poziomu bez zwiększania długości rury można uzyskać przez zastosowanie przełączanych filtrów. Przełącznik fil­

trów może oyó sterowany przez czujniki poziomu;np. konduktometryczne lub pojemnościowe,

4» Koncepcja budowy poziomomierza

Schemat ideowy poziomomierza.pokazano na rys,4.

1 - obudowa

2 — przetwornik elektroniczny 3 — wyprowadzenie kabli 4 - głośnik

5 - rura rezonansowa .6 - rezonator korektora

7 - otwór odpowietrzający

Rys,4. Schemat ideowy poziomomierza akustycznego

Podstawową częścią poziomomierza jest rura rezonansowa zatopiona jed­

nym końcem w cieczy, której poziom ma być mierzony. Zmiany poziomu cie­

czy powodują zmiany długości słupa powietrza. Nadmiar powietrza wypływa przez otwór odpowietrzający. Jeżeli poziom cieczy podniesie się powyżej krawędzi obudowy, poduszka powietrzna w szczelnej obudowie zabezpiecza głośnik i układ elektroniczny przed zalaniem.

Głośnik zamontowany w końcu rury pełni rolę nadajnika i odbio •'•iika ■ fali akustycznej w rurze. Głośnik łącznie s blokiem elektronicznym gen*-

'<•- falę stojącą.

Koncepcja poziomomierza . 139

Korektor wpływu prędkości rozchodzenia się dźwięku zbudowany jest a- nalogicznie do poziomomierza'. Długość rury rezonansowej jest stała. Gene­

rowane w korektorze drgania stanowią częstotliwość wzorcową. Yfaętrze ko­

rektora je3t połączone z wnętrzem rury rezonansowej, a obudowa korektora przylega bezpośrednio do rury poziomomierza, co ma zapewnić jednakową prędkość rozchodzenia się dźwięku i w efekcie korekcję wpływu. Obudowa głośnika ma zabezpieczyć głośnik i układ pomiarowy przed oddziaływaniem warunków atmosferycznych oraz zapewnić stałe pod względem akustycznym wa­

runki pracy głośnika. Stanowi więc istotny element układu pomiarowego.

Ha rys.5 pokazano schemat blokowy układu elektronicznego poziomomie­

rza.

Eys,5* Schemat układu elektronicznego poziomomierza akustycznego.

1 - rezonator, 2 - uzmacniacz, 3 - zespół filtrów, 4 - układ sterujący czasomierza, 5 - sygnalizator poziomu, 6 - układ sterujący zespołem fil­

trów, 7 - czasomierz, 8 - pole odczytowe, 9 - korektor, 10 - zasilacz.

" -

Hapięcie nierównowagi mostka po wzmocnieniu jest podawane na filtr pasmono-przepustowy. Hapięcie wyjściowe z filtra zasila mostek. Układ ge­

neruje przebieg o częstotliwości rezonansu akustycznego. Sygnalizatory poziomu 3terują przełącznikiem filtrów. Pomiar okresu fali stojącej re­

alizuje się za pomocą i czasomierza cyfrowego. Hapięcie oaęatotliwości wzorcowej czasomierza .jest generowane w korektorze. Czasomierz cyfrowy

k celu zapewnieniu bezpośredniego odczytu realizuje zależność wynikającą ze wzoru. /5/ •

5. Podsumowanie

. Przsańalizowaae właściwości poziomom!erze akustycznego pozwalają-' są- dzić, że przyrząd tego rodzaju może nieć dobre właściwości metrologiczne

sie kilkuset milimetrów. .

V? proponowanym układzie realizuje się analogowe uśrednianie wielkoś­

ci mierzonej realizowane przez ciągłe wzbudzanie fali stojącej. Należy więc oczekiwać dużej odporności na zakłócenia spowodowane zafalowaniem powierzchni cieczy. W przeciwieństwie do poziomóaierzy działających na zasadzie pomiar^czasu powrotu echa, poziomom!erz akustyczny generuje

plitudzie wielokrotnie mniejszej niż długość fali, powodują małe rozpro­

szenie energii.

6. Literatura

[2] BABIKÓW0.1. : Kontrol urownja z pomoszezju ultrazwuka. Izd.Bnergija, 1971.

[3] TAN. Ch.S. i drugie j Akusticz.eskij distancionnyj urowneraer.

Akt swid. No 322640.

[4] TCEORŻE77SKIJ i/.P. ; Awtomaticzeski j • analiz chiniczeskowo sestawa gazów. Chimija 1969.

[5J TULSJA A. s Własności rezonatora rurowego z głośnikiem GD10/05.

Praca przejściowa. Instytut Automatyki. Gliwice 19SC. (Niepublikowa­

ne).

falę o stosunkowe dużej długości. Zafalowanie powierzchni, na ogół o am-

[1] Stevens water resources data book. 2nd edition. Edited a: dished by Leupold and Stevens Inc. Beaverton, Oregon 1975.

Koncepcja poziomomierza «. 141

- AKycTOTecKaSi-ypoBHeuep

: H3MepeHM

^

« "

B H3MepETe«EHHX KBHBJiaX Pe3Hi‘.ie:

B cTaTie npe«cTaB^eHo KOHuennao GTpoeHm asycTHHecKoro ypoBHeuepa.

D£)«aHO 3aniiCEM0CTH onpeuejiHangae ocHOBHue CBoiicTBa ypoBHeMepa,

CONCEPT OP T H E ACUSTIC LEVEIHETER P O E W A T E R AMD SEWAGE LEVEL EEASURE- HEETS

'.Summary: j

Thft paper presents the concept of the construction of the acustic le- velmeter, The basic properties of the levelmeter are also discussed.