Ультразвуковые средства измерений уровня

В уровнемерах, называемых ультразвуковыми, используется метод, основанный на отражении ультразвуковых (УЗК) колебаний от границы раздела сред со стороны жидкости.

В зависимости от используемого параметра звуковой волны для измерения уровня жидкости различают: частотный, фазовый,

импульсный способы измерения уровня.

Мерой уровня жидкости h является время прохождения ультразвуковых колебаний t от пьезометрического преобразователя (излучателя) до плоскости границы раздела среды (жидкость - газ) и обратно до приёмника. Время прохождения ультразвуковых колебаний t определяется выражением:

где а – скорость распространения звука в жидкости.

Пауза t_п между двумя последовательными посылаемыми импульсами определяется выражением:

Уровнемер (рис. 17.12) состоит из пьезометрического преобразователя 1, электронного блока 7 и вторичного прибора 5. Электронный блок включает в себя генератор 6, задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 2, посылаемый в жидкость, уровень которой измеряется; приёмного устройства-усилителя 3; схемы измерения времени 4. Генератор, задающий частоту повторения импульсов, управляет работой генератора импульсов и схемой измерения времени. Генератор 2 вырабатывает электрические импульсы с определённой частотой повторения, которые преоразуются в ультразвуковые при помощи пьезометрического преобразователя, установленного с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь в жидкой среде, ультразвуковые импульсы отражаются от плоскости границы раздела жидкость-газ и поступают на тот же пьезометрический преобразователь. Отражённые импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются и формируются усилителем 3 и подаются на схему измерения времени. Выходным сигналом измерительной схемы являются постоянное напряжение, которое поступает на вход вторичного прибора 5.

Рис.17.12. Схема ультразвукового уровнемера

Основные достоинства УЗК-метода:

— бесконтактный;

— применим для загрязнённых жидкостей;

— реализация метода не предъявляет высоких требований к износостойкости и прочности оборудования;

— независимость от плотности контролируемой среды.

Недостатки:

— большое расхождение конуса излучения;

— отражения от нестационарных препятствий (например, мешалок) могут вызвать ошибки измерения;

— применим только в резервуарах с нормальным атмосферным давлением;

— на сигнал оказывают влияние пыль, пар, газовые смеси и пена.

В зоне действия датчика можно устанавливать коммутационную зону. Коммутирующий выход датчика можно настроить таким образом, чтобы он срабатывал лишь при появлении какого-либо объекта в установленной коммутационной зоне (снятие переднего плана и фона). Принцип действия датчика изображен на рис.17.13.

Рис.17.13. Подавление эхо-сигнала от стационарного объекта в резервуаре

Подавление паразитного сигнала уменьшает мощность полезного сигнала, и в некоторых случаях приходится оценивать это уменьшение, чтобы не потерять полезный сигнал.

Датчик оснащен средствами для компенсации влияния изменений температуры, подавляет паразитные эхо-сигналы. Кроме того, можно установить внешние зонды, которые контролируют температуру измеряемой поверхности независимо от условий в месте монтажа датчика, что минимизирует погрешности, вызванные температурными колебаниями жидкостями.

Датчики принципа измерения методом направленного электромагнитного излучения работают на основе измерения коэффициента отражения методом совмещения прямого и отражённого испытательных сигналов и определения времени прохождения излученного импульса до поверхности контролируемой среды (временного сдвига отражённого сигнала — рис. 17.14).

Повторяющиеся импульсы наносекундного диапазона длительностей излучаются с интервалом 1 мкс. Принцип измерения напоминает ультразвуковой метод определения уровня. Только в системе с направленным электромагнитным излучением импульсы распространяются не равномерно в пределах границ диаграммы направленности, а локализованы вдоль стержня или троса датчика, играющего роль волновода.

Данный метод базируется на новейших технологиях и дополняет собой список контактных методов измерения. Из-за чрезвычайно низкой мощности и направленности излучения импульсов микроволны не рассеиваются в пространстве, поэтому применение этих устройств не требует согласований с комитетами по радиочастотам.

Рис.17.14. Принципы измерения методом направленного электромагнитного излучения.

Благодаря низкому энергопотреблению достаточно двухпроводной системы подключения микроволнового датчика с питанием через информационный канал. В силу этой же причины датчики являются взрывобезопасными, что позволяет устанавливать их во взрывоопасных зонах вплоть до зон класса 0.

Для обеспечения электромагнитной совместимости микроволновых датчиков предложен специальный метод со скачкообразной перестройкой частоты, который позволяет обнаруживать электромагнитные помехи и маскировать их в динамическом режиме.

Суммируя приведенные данные, можно сформулировать и другие достоинства и преимущества метода направленного электромагнитного излучения.

Основные достоинства метода направленного электромагнитного излучения:

— управление микроволновыми датчиками посредством меню и их калибровка на этапе изготовления обеспечивают простой ввод в эксплуатацию;

— надёжное измерение порошкообразных материалов даже в процессе наполнения ёмкости;

— измерение уровня жидкостей при образовании пены в условиях повышения давления;

— надёжное и точное измерение в обводных и расширительных трубах;

— возможность эффективного устранения помех отражения от арматуры (балок, укосин и др.) и структурных элементов стенок (например гофрированных листов), резервуаров или узких силосных бункеров;

— независимость метода от вида материала (жидкий/сыпучий), плотности, значения диэлектрической постоянной, химической агрессивности среды, проводимости, изменения свойств материала, вызванных процессом комкования;

— абсолютная независимость метода от влияний таких факторов технологического процесса, как давление, температура, наличие подвижных поверхностей, пена/туман/пыль.

Недостатки:

— клейкие вещества могут вызвать отказы;

— диэлектрическая постоянная измеряемого вещества должна быть больше 1,6.