на чем основан принцип действия ультразвуковых уровнемеров
Ультразвуковой уровнемер
Ультразвуковой уровнемер — это прибор, измеряющий уровень, который является счетчиком непрямого действия. Под приборами непрямого действия подразумеваются устройства, которые определяют изменение уровня жидкости, не входя в непосредственный физический контакт с самой жидкостью.
Ультразвуковой уровнемер фирмы Endress+Hauser
Принцип работы ультразвукового уровнемера
Для того, чтобы измерять или контролировать уровень, ряд акустических контрольно-измерительных приборов включает в себя устройства, которые работают на основе принципа передачи звуковой энергии в форме звуковых волн. Свойствами звуковых волн, измеряющих уровень, является их способность отражаться или отталкиваться от поверхности; их время прохождения, т.е. количество времени, за которое волны доходят до поверхности, отражаются от поверхности и возвращаются; и их частота.
Транзитное время, или время прохождения звуковых волн прямо пропорционально расстоянию, которое должны пройти звуковые волны; чем больше расстояние, которое должны пройти звуковые волны, тем больше величина транзитного времени. Частотой называется количество звуковых волн в единицу времени. В контрольно-измерительной системе уровня, в которой используется ультразвук, частота, с которой воспроизводятся волн обычно предопределена тем, используется ли эта система для измерения заполненного или свободного объема. Например, ультразвуковые волны с радиочастотами (приблизительно 30 kHz) обычно распространяются в воздухе и отражаются жидкостями. Их часто используют для измерений свободного объема, которые затем могут быть преобразованы в показания уровня. Ультразвуковые волны более высокой частоты (приблизительно 35 kHz или выше) обычно используются для измерений заполненного объема, т.к. такие волны легко перемещаются в жидкой среде, но скорее всего поглощаются или отражаются воздушной средой.
Непрерывное измерение уровня, в котором используются низкочастотные ультразвуковые волн
На рисунке выше изображена упрощенная схема акустической системы, которая используется для непрерывного измерения уровня. Основными деталями этой системы является блок управления, акустический излучатель и приемник. Здесь имеется электрическое подсоединение блока управления к внешней цепи, посредством которого обеспечивается подача электрического входного сигнала на излучатель. Излучатель преобразует электрическую энергию в звуковую энергию в виде звуковых волн. В данном примере электрическая энергия преобразуется в звуковые волны такой частоты, при которой они будут проходить через воздушную среду, но будут отражаться от поверхности жидкости. Когда звуковые волны отталкиваются от поверхности жидкости, они затем возвращаются к приемнику, который преобразует звуковые волны обратно в электрическую энергию. Блок управления посылает на индикатор электрический сигнал, который прямо пропорционален величине транзитного времени. На индикаторе фиксируется показание, которое в свою очередь прямо пропорционально уровню жидкости.
Непрерывное измерение уровня с использованием низкочастотных ультразвуковых волн — уровень жидкости в емкости повысился
Уровень жидкости увеличился и на индикаторе показание высокого уровня в емкости. При повышении уровня звуковым волнам требуется меньшее количество времени на то, чтобы пройти расстояние от излучателя до поверхности жидкости и обратно к приемнику: величина транзитного времени уменьшается. Соответственно, когда уровень жидкости понижается, величина транзитного времени увеличивается.
Иногда установка акустической системы наверху емкости может быть нежелательной. Некоторые жидкости испаряются, образуя пары, которые могут помешать проходу звуковых волн через воздушную среду, находящуюся выше уровня жидкости. В случаях возможного наличия в воздушной среде помех для звуковых волн, для непрерывного измерения уровня могут быть использованы высокочастотные ультразвуковые системы.
Непрерывное изменение уровня с помощью высокочастотных ультразвуковых волн
На рисунке выше акустическая система располагается на донной плоскости емкости. В этой системе используется высокочастотный звуковой сигнал, который проходит через жидкость и отражается от воздушной среды. В остальном, система работает по тому же самому принципу, что и система из предыдущего примера.
Акустические ультразвуковые уровнемеры. Устройство, принцип действия, типы и виды ультразвуковых уровнемеров.
По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные.
В локационных ультразвуковых уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость — газ, в связи с чем они получили название ультразвуковых. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа. В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от высоты уровня.
Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры. Локация уровня может производиться либо через газовую среду над жидкостью, либо снизу через слой жидкости. Недостатком первого типа уровнемеров являются погрешность от зависимости скорости звука от давления и температуры газа и сильное поглощение ультразвука газом, что требует большей мощности источника, чем при локации через жидкость. Однако на показания таких уровнемеров не сказываются изменения характеристик жидкости, поэтому они могут быть использованы для измерения уровня жидкостей неоднородных, содержащих пузырьки газа или кристаллизующихся. Уровнемеры с локацией через жидкость могут быть использованы для сред под высоким давлением, для них требуется небольшая мощность источника, однако они чувствительны к включениям в жидкость, например к пузырькам газа при вскипании. Поэтому эти уровнемеры применимы только для однородных жидкостей. Кроме того, они также чувствительны к изменению температуры и давления среды из-за зависимости от них скорости распространения ультразвука.
Упрощенная схема акустического уровнемера с локацией уровня со стороны газа ЭХО-1 представлена на рис. 1.
Рис. 1. Упрощенная схема акустического ультразвукового уровнемера :
1 — акустический преобразователь; 2 — генератор; 3 — усилитель; 4 — схема измерения времени; 5 — преобразователь; 6 — вторичный прибор; 7 — блок температурной компенсации
Источником и одновременно приемником отраженных ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент, заключенный в акустический преобразователь 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые возбуждаются пьезоэлементом в результате подачи на него электрических импульсов от генератора 2. Одновременно генератор включает схему измерения времени 4. Отраженный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время t, соответствующее контролируемому уровню в соответствии с выражением t = 2(Н – h)/c, где с — скорость ультразвука в газе.
Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 преобразует значение времени в унифицированный выходной сигнал 0. 5 мА, измеряемый вторичным прибором 6. Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации 7, включающий в себя термопреобразователь сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя.
Ультразвуковой метод характерен очень малым подводом теплоты в контролируемую среду, поэтому может быть использован в криогенной технике. Однако метод применим только на жидкостях со спокойной поверхностью, т.е. исключаются кипящие жидкости и криостаты с загруженным внутренним объемом.
Фирма Siemens производит более десяти типов ультразвуковых уровнемеров, предназначенных для различных отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйства. В некоторых типах в одном приборе объединены источники (приемники) излучения (сенсоры) с электронным преобразователем, в других они разнесены. Совмещенный вариант реализован в компактных приборах типа «The Probe», предназначенных для измерения уровня в диапазоне от 0,25 до 8 м. Сенсор работает на частоте 43 кГц, выходной сигнал уровнемера составляет 4. 20 мА, погрешность не превышает ±0,25 %, благодаря введению температурной компенсации. Измерительный преобразователь LU 10 может работать с десятью сенсорами, которые могут отстоять от измерительного блока на расстояние до 365 м. При диапазоне измерения до 60 м и наличии температурного зонда погрешность измерения уровня составляет ±0,1; ±0,25 %. Выходной сигнал 4. 20 мА может сочетаться с цифровым наиболее распространенных протоколов.
На явлении отражения ультразвука построена схема уровнемера типа РУ-ПТ1, который является более поздним вариантом РУМБ- БК-М (з-д «Теплоприбор» г. Рязань). Принцип действия уровнемера основан на измерении времени распространения фронта ультразвуковых колебаний в металлическом стержне от поплавка до нулевой отметки на нижнем конце первичного преобразователя (рис. 2).
Рис. 2. Схема ультразвукового уровнемера :
1 — источник ультразвуковых колебаний; 2 — металлический стержень; S — поплавок; 4 — индикатор
К ультразвуковым относятся уровнемеры типа ДУУ2, ДУУ4 ЗАО «Альбатрос», в которых используется магнитострикционный эффект. Последний состоит в деформации кристаллического тела под воздействием магнитного поля. Преобразователь этих уровнемеров содержит диэлектрическую направляющую трубку, внутри которой находится стальная проволока с намотанной по всей длине катушкой. По наружной поверхности трубки, покрытой фторопластом, скользит магнитный поплавок, плавающий на поверхности жидкости или границе раздела сред. В месте размещения поплавка происходят локальные изменения в кристаллической решетке проволоки. При подаче в катушку импульса тока создается импульсное магнитное поле, вызывающее импульсную деформацию проволоки. При достижении последней поплавка возникает отраженный импульс продольной деформации, воспринимаемой пьезодатчиком. Положение уровня определяется по интервалу времени от момента формирования импульса тока до приема импульса упругой деформации. На направляющей трубке может размещаться до четырех магнитных поплавков, измеряющих, например, верхний уровень и три границы раздела сред. В гибкой модификации преобразователя катушка с проволокой покрыта фторопластовой изоляцией. Для натяжения проволоки к ее концу крепится груз или опорный магнит. На конце преобразователя размещаются датчики давления и температуры.
Максимальная измеряемая высота уровня составляет 25 м, избыточное давления не должно превышать 2 МПа, а температура 120 °С при плотности среды от 500 до 1500 кг/м3. Основная погрешность в зависимости от исполнения составляет ±1; ±3; ±5 мм. Число выходных сигналов 4. 20 мА достигает шести в зависимости от числа измеряемых величин.
Что такое ультразвуковые акустические уровнемеры?!
Что такое ультразвук, вы н аверняка помните еще из школьного курса. Это звуковые колебания, частота которых, находится за пределами слышимости человека. Под ультразвуком, как правило, понимают колебания, имеющие частоту выше 20кГц.
Хотя мы не сталкиваемся с ультразвуком постоянно в повседневной жизни, его сфера применения очень широка. Ультразвук применяется в аппаратах УЗИ, в эхолотах для речного и морского транспорта, в дальномерах, в приборах для резки металла и др. Для измерения уровня жидкости ему также нашлось применение.
Область применения
Принцип работы ультразвуковых уровнемеров
Акустический уровнемер работает по принципу измерения времени прохождения волной расстояния от датчика до уровня жидкости и обратно. На границе разделов двух сред «жидкость-газ» или «сыпучие материалы-газ» и происходит отражение волны. По такому принципу работает большинство ультразвуковых уровнемеров. Для излучения звуковых волн и приема их отраженного сигнала, обычно используется один датчик.
Кстати, дорогие ультразвуковые уровнемеры, помимо основных функций способны определять и другие характеристики измеряемой среды, такие как плотность, объем, массу жидкости. Это стало возможным благодаря применению дополнительных датчиков и «навороченной» электронной начинки.
Варианты исполнений
Ультразвуковые акустические уровнемеры выпускаются в двух исполнениях: мобильном и стационарном.
Стационарные ультразвуковые уровнемеры используются для постоянного учета и контроля уровня различных сред в больших емкостях, таких как баки, цистерны, котлы и др. Стационарным прибором является и ЭХО-5Н.
Кстати, помимо акустических уровнемеров, существуют, также, ультразвуковые акустические сигнализаторы уровня. Это накладные приборы, которые устанавливаются на наружную поверхность резервуара, что позволяет определить заполнение емкости до необходимого уровня. От сигнализатора можно получать сигнал к открытию и закрытию с клапана, используемого для наполнения резервуара средой. Примером ультразвукового сигнализатора уровня служат приборы серии УЗС-М4. Их модификации отличаются количеством точек контроля, напряжением питания, предельными значениями давления и температуры измеряемой среды.
Теперь рассмотрим основные разновидности акустических уровнемеров:
Преимущества и недостатки ультразвуковых уровнемеров
Вместо заключения, хотелось бы напомнить, что хотя акустические ультразвуковые уровнемеры и не лишены недостатков, преимуществ у них гораздо больше:
Акустические ультразвуковые уровнемеры. Устройство, принцип действия, типы и виды ультразвуковых уровнемеров.
По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные.
В локационных ультразвуковых уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость — газ, в связи с чем они получили название ультразвуковых. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа. В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от высоты уровня.
Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры. Локация уровня может производиться либо через газовую среду над жидкостью, либо снизу через слой жидкости. Недостатком первого типа уровнемеров являются погрешность от зависимости скорости звука от давления и температуры газа и сильное поглощение ультразвука газом, что требует большей мощности источника, чем при локации через жидкость. Однако на показания таких уровнемеров не сказываются изменения характеристик жидкости, поэтому они могут быть использованы для измерения уровня жидкостей неоднородных, содержащих пузырьки газа или кристаллизующихся. Уровнемеры с локацией через жидкость могут быть использованы для сред под высоким давлением, для них требуется небольшая мощность источника, однако они чувствительны к включениям в жидкость, например к пузырькам газа при вскипании. Поэтому эти уровнемеры применимы только для однородных жидкостей. Кроме того, они также чувствительны к изменению температуры и давления среды из-за зависимости от них скорости распространения ультразвука.
Упрощенная схема акустического уровнемера с локацией уровня со стороны газа ЭХО-1 представлена на рис. 1.
Рис. 1. Упрощенная схема акустического ультразвукового уровнемера :
1 — акустический преобразователь; 2 — генератор; 3 — усилитель; 4 — схема измерения времени; 5 — преобразователь; 6 — вторичный прибор; 7 — блок температурной компенсации
Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 преобразует значение времени в унифицированный выходной сигнал 0. 5 мА, измеряемый вторичным прибором 6. Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации 7, включающий в себя термопреобразователь сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя.
Ультразвуковой метод характерен очень малым подводом теплоты в контролируемую среду, поэтому может быть использован в криогенной технике. Однако метод применим только на жидкостях со спокойной поверхностью, т.е. исключаются кипящие жидкости и криостаты с загруженным внутренним объемом.
Фирма Siemens производит более десяти типов ультразвуковых уровнемеров, предназначенных для различных отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйства. В некоторых типах в одном приборе объединены источники (приемники) излучения (сенсоры) с электронным преобразователем, в других они разнесены. Совмещенный вариант реализован в компактных приборах типа «The Probe», предназначенных для измерения уровня в диапазоне от 0,25 до 8 м. Сенсор работает на частоте 43 кГц, выходной сигнал уровнемера составляет 4. 20 мА, погрешность не превышает ±0,25 %, благодаря введению температурной компенсации. Измерительный преобразователь LU 10 может работать с десятью сенсорами, которые могут отстоять от измерительного блока на расстояние до 365 м. При диапазоне измерения до 60 м и наличии температурного зонда погрешность измерения уровня составляет ±0,1; ±0,25 %. Выходной сигнал 4. 20 мА может сочетаться с цифровым наиболее распространенных протоколов.
На явлении отражения ультразвука построена схема уровнемера типа РУ-ПТ1, который является более поздним вариантом РУМБ- БК-М (з-д «Теплоприбор» г. Рязань). Принцип действия уровнемера основан на измерении времени распространения фронта ультразвуковых колебаний в металлическом стержне от поплавка до нулевой отметки на нижнем конце первичного преобразователя (рис. 2).
Рис. 2. Схема ультразвукового уровнемера :
1 — источник ультразвуковых колебаний; 2 — металлический стержень; S — поплавок; 4 — индикатор
К ультразвуковым относятся уровнемеры типа ДУУ2, ДУУ4 ЗАО «Альбатрос», в которых используется магнитострикционный эффект. Последний состоит в деформации кристаллического тела под воздействием магнитного поля. Преобразователь этих уровнемеров содержит диэлектрическую направляющую трубку, внутри которой находится стальная проволока с намотанной по всей длине катушкой. По наружной поверхности трубки, покрытой фторопластом, скользит магнитный поплавок, плавающий на поверхности жидкости или границе раздела сред. В месте размещения поплавка происходят локальные изменения в кристаллической решетке проволоки. При подаче в катушку импульса тока создается импульсное магнитное поле, вызывающее импульсную деформацию проволоки. При достижении последней поплавка возникает отраженный импульс продольной деформации, воспринимаемой пьезодатчиком. Положение уровня определяется по интервалу времени от момента формирования импульса тока до приема импульса упругой деформации. На направляющей трубке может размещаться до четырех магнитных поплавков, измеряющих, например, верхний уровень и три границы раздела сред. В гибкой модификации преобразователя катушка с проволокой покрыта фторопластовой изоляцией. Для натяжения проволоки к ее концу крепится груз или опорный магнит. На конце преобразователя размещаются датчики давления и температуры.
Максимальная измеряемая высота уровня составляет 25 м, избыточное давления не должно превышать 2 МПа, а температура 120 °С при плотности среды от 500 до 1500 кг/м3. Основная погрешность в зависимости от исполнения составляет ±1; ±3; ±5 мм. Число выходных сигналов 4. 20 мА достигает шести в зависимости от числа измеряемых величин.
Ультразвуковые преобразователи уровня: работают там, где не могут другие
Далеко не все вещества безобидны для контактирующих с ними измерительных приборов. И далеко не каждый резервуар удобен для установки этих приборов внутри. Во множестве случаев стоит отдать предпочтение бесконтактным устройствам. Поговорим об одной из популярных их разновидностей —ультразвуковых датчиках уровня.
Принцип работы
При этом интеллектуальный прибор компенсирует изменение скорости звука из-за изменений температуры с помощью встроенного температурного сенсора. Как производные могут быть рассчитаны значения расхода. Кроме того, прибор может включать сигнализатор, уведомляющий о неполадках посредством GPS, GSM и SMS.
Области применения
Работа без прямого контакта с измеряемым продуктом определяет возможность применения «ультразвуков» там, где приборы другого типа не справляются. Одна из самых распространенных задач — измерение уровня и объема жидких веществ, а также гранул или порошков на химических производствах. Ультразвуковой уровнемер незаменим на КНС и очистных, опреснительных сооружениях. Приборы этого типа широко применяются в нефтепереработке, агропромышленном комплексе и пищевой промышленности, фармацевтике, производстве строительных материалов, а также для контроля уровня в передвижных емкостях транспортных составов.
Уровнемеры ультразвукового типа не подходят разве что для измерений в вакууме, а также для работы с пенящимися жидкостями или веществами, образующими газовую подушку (емкости с азотной кислотой).
Преимущества ультразвуковых уровнемеров
Ультразвуковые датчики уровня обладают рядом достоинств. В первую очередь, это проведение измерений без контакта с измеряемым продуктом. А значит к приборам не предъявляется особых требований по прочности или износостойкости. При этом ультразвуковые уровнемеры отличаются высокой точностью сигнала и предоставляют надежные данные независимо от свойств продукта, могут работать автономно.
На результаты измерений ультразвуковыми уровнемерами не влияют ни плотность среды, ни ее физико-химические свойства. Этот тип приборов подходит для работы с вязкими, агрессивными, сильно загрязненными средами. К тому же ультразвуковые приборы отличаются компактными габаритами и доступной стоимостью по сравнению с другими бесконтактными устройствами.
Недостатки и их компенсация
Излучаемый ультразвуковыми приборами сигнал движется по конусной траектории. Поэтому он в значительной степени рассеивается, что приводит к появлению множества паразитных отражений (например, от стенок и наслоений на них, конструктивных элементов емкости, арматуры и т.п.). Чтобы минимизировать рассеивание, нужно правильно выбирать место расположения прибора и правильно осуществлять монтаж. Если же рабочая емкость высокая и узкая, лучше остановить свой выбор на гидростатических или радарных уровнемерах.
Из-за сравнительно малой скорости ультразвука возникают довольно большие «слепые зоны» — это расстояния от датчика до среды, где излучаемый и отраженный сигнал накладываются друг на друга. Границы «слепой зоны» минимальны в датчиках с двумя головками (исполнение с отдельным излучателем и приемником ультразвука).
Ультразвуковые приборы не подходят для работы в вакууме и резервуарах под давлением. Так как корректно функционируют только при нормальном атмосферном давлении.
Несмотря на то, что приборы данного типа работают с сильнозагрязненными средами, присутствие большого количества пыли или сильный ветер могут снизить точность показаний. Кроме того, на сигнал влияют сильные испарения или пена, искажают его и очень мелкодисперсные или пористые гранулированные продукты. Во многих случаях нивелировать проблему можно путем подбора оптимальной частоты ультразвуковых волн. В остальных же стоит использовать уровнемеры контактного типа или микроволновые радарные.
Ультразвуковые уровнемеры МПУ-УР
Компания «Полтраф СНГ» предлагает ассортимент ультразвуковых уровнемеров отечественного производителя «Мераприбор». Это экономичные приборы для широкого спектра задач. Все устройства внесены в государственный реестр средств измерений.
Датчик уровня МПУ-УР-01.005 — наиболее бюджетное решение для простых условий. Прибор без дисплея измеряет уровень как в резервуарах-хранилищах, так и открытых емкостях и бассейнах. Чувствительный элемент из PTFE делает уровнемер идеальным для использования в агрессивных средах. Датчик уровня МПУ-УР-01.006/07 — компактный двухпроводной уровнемер с большим удобным дисплеем. Подходит для применения в химической, нефтяной промышленности, металлургии. Воздухонепроницаемый и щелочеупорный металлический корпус обеспечивает работу прибора в самых неблагоприятных условиях. Прибор отличает большая устойчивость к помехам и легкий монтаж.
Датчик уровня МПУ-УР-01.008 — ультразвуковой уровнемер в алюминиевом корпусе с дисплеем. Подходит для простых условий применения, устойчив к воздействию агрессивных сред. Надежно измеряет независимо от свойств продукта.