Акустичні та ультразвукові рівнеміри

За принципом дії акустичні рівнеміри можна поділити на: локаційні; поглинання та резонансні.

У локаційних рівнемірах використовується ефект відбиття ультразву­кових коливань від границі розділу рідина - газ. Значення рівня визначається за часом проходження ультразвукових коливань від джерела до приймача після відбиття їх від поверхні розділу. У рівнемірах поглинання положення рівня визначається за послабленням інтенсивності ультразвуку при проходженні через шари рідини і газу. У резонансних рівнемірах визначення рівня відбувається через вимірювання частоти власних коливань стовпа газу над рідиною, яка залежить від рівня цієї рідини.

Найбільшого поширення набули локаційні рівнеміри, в яких використовується метод ехо-локації рівня ріди­ни або поверхні сипкого матеріалу через газове середовище. Принцип дії акустичних (ультразвукових) рівнемірів заснований на властивості коливань відбиватися від границі розподілу середовищ із різним акустичним опором. У рівнемірах, як правило, використовується метод імпульсної локації границі розподілу газ - рідина (сипучий матеріал) з боку газу. Мірою рівня в цьому випадку є час поширення ультразвукових коливань від джерела випромінювань до площини (границі) розподілу й назад.

Швидкість звуку у твердих тілах (у м/с)

(6.6)

де Е — модуль пружності, Па; — густина матеріалу, кг/м³.

Швидкість звуку в рідинах (у м/с):

(6.7)

де k=1/x — модуль всебічного стиску, Па; х — коефіцієнт стиску, м²/Н; r — щільність рідини, кг/м³.

Швидкість звуку в газах

(6.8)

де р — тиск газу, Па; r — щільність газу, кг/м³; R — газова стала, Дж/(кг*К); Т — температура газу, К.

Як видно з наведених формул, у всіх випадках швидкість звуку залежить від температури, тому що вона виражається через щільність, що у свою чергу сильно залежить від температури. До достоїнств ультразвукових рівнемірів варто віднести нечутливість їх до зміни властивостей вимірюваного середовища, великий температурний діапазон, висока надійність і точність вимірювань. На рис. 6.5 наведена структурна схема рівнеміра, що застосовується для вимірювання рівня неоднорідних рідин, що кристалізуються і випадають в осад. Діапазон вимірювання рівня 0—3 м; клас точності 2, 5; температура контрольованого середовища 10—80° С; тиск середовища 0, 6—4 МПа.

При роботі рівнеміра генератор електричних імпульсів 2виробляє електричні імпульси з певною частотою повторення, які перетворяться за допомогою акустичного вимірювального перетворювача 1 в ультразвукові коливання, випромінювані в напрямку вимірюваного рівня. Цей перетворювач виконується зі спеціальної п’єзокераміки (титанату барію). Ультразвукові імпульси, перетворені з електричних, поширюються вздовж акустичного тракту, досягають рівня розподілу середовищ і, відбиваючись від нього, вертаються назад до перетворювача 1, за допомогою якого відбувається зворотне перетворення з акустичних коливань в електричні.

Таким чином, рівень матеріалу в ємкості визначають за часом запізнювання відбитого сигналу, щодо поданого (у с), тобто, t= 2Н/с₃, ( 6.9)

де Н - відстань від випромінювача до матеріалу, м; с₃ — швидкість поширення звуку в середовищі, що перебуває над матеріалом, м/с.

Потім електричні імпульсипідсилюються й формуються за допомогою підсилювача-формувача 3, від якого вони подаються на схему вимірювання сасу відбитого сигналу 4, де відбувається перетворення цього сигналу в часовий інтервал, пропорційний значенню вимірюваного рівня. За допомогою блоку порівняння 5, що підсилювально-перетворювального пристрою 6 і пристрою зворотного зв'язку 7 цей сигнал перетвориться у вихідний електричний сигнал шляхом автоматичного спостереження за тривалістю імпульсів від тригера схеми вимірювання часу 4. При цьому прямокутні імпульси зі схеми вимірювання часу 4 і з ланцюга пристрою зворотного зв'язку 7 подаються в схему блоку порівняння 5, у якій відбувається їхнє порівняння по тривалості.

Якщо тривалість імпульсу зі схеми вимірювання часу (тригера) 4 більша або менша імпульсу з ланцюга зворотного зв'язку 7, на вході блоку порівняння 5 з'являється сигнал розбалансу, що за допомогою підсилювально-перетворюючого пристрою 6 збільшує або зменшує величину вихідного сигналу. Для зниження впливу температури газового середовища в ємності, де відбувається вимірювання, на результати вимірювання передбачається температурна компенсація за допомогою блоку 8. У рівнемірі передбачений також спеціальний перешкодозахисний пристрій 9, що виключає вплив різного роду перешкод на результати вимірювань. Блок контролю 10 служить для забезпечення контролю працездатності рівнеміра в цілому та окремих вузлів його електричної схеми.

Розпоширеними серед ультразвукових рівнемірів є прилади MultiRanger 100 та Probe LU фірми “Siemens”. Обидва призначені для безконтактного вимірювання рівня рідин та сипких матеріалів на відстанях від сенсора до об’єкту до 15 м у відкритих та закритих ємностях з гарантованою надійністю в безперервному режимі работи, а також для дискретного керування насосами або траспортерами.

а) б) в)

Рис. 6.6. MultiRanger 100 з сенсорами Echomax XPS и ХСТ та Probe LU

Прилади використовуються, наприклад, для вимірювання рівня рідин: палива, відходів виробництва, кислот і т.п., а також для вимірювання рівня сипких матеріалів: дерев’яної стружки або при утворенні високих насипних конусів. За наявності електричної сумісності з хімічно стійкими сенсорами серії Echomax® прилади можуть використовуватись в особливо важких умовах роботи при температурі середовища до 145°C (293°F). MultiRanger 100 (загальний вигляд його електронного мікропроцесорного блоку приведений на рис. 6.6, а, а види випромінювачів-приймачів ультразвукових коливань (сенсорів) типу Echomax XPS и ХСТ на рис. 6.6, б) - є двохканальний, тобто, може виконувати одночасне вимірювання рівня у двох ємностях та видавати сигнал різниці рівнів. Probe LU (рис.6.6, в) – компактний пристрій, в якому об’єднані сенсор та мікропроцесорний блок опрацювання ультразвукового сигналу. У приладах, по аналогії з Sitrans P (розділ 5.3), здійснюється двопрорвідна схама живлення, яка поєднує уніфікований сигнал вимірювальної інформації із струмом живлення.. Загальна приведена похибка – 0, 25% від кінцевого значення діапазону вимірювання.