Ultrazvukový snímač hladiny, známý také jako ultrazvukové hladinoměry, jsou bez{0}}kontaktní přístroje pro měření hladiny. Vyznačují se vysokou přesností, snadnou instalací a minimální údržbou. Běžně používané k měření hladin kapalin v různých nádobách, stejně jako hladiny vody v kanálech, bazénech, nádržích, řekách, jezerech a mořích, mohou také měřit úrovně rozhraní a rozdíly hladin. Jsou vhodné zejména pro odpadní vody a korozivní prostředí. Při použití ve spojení s nádržemi a jezy k vytvoření průtokoměrů s otevřeným kanálem mohou také měřit průtok. Proto se stále častěji používají v mnoha průmyslových odvětvích a oblastech, jako je ocel, petrochemie, úprava vody a ochrana vody.
Princip měření ultrazvukového snímače hladiny
Ultrazvukový hladinoměr, instalovaný na horní části nádoby, vysílá pod kontrolou elektronické jednotky paprsek ultrazvukových impulsů směrem k měřenému objektu. Zvukové vlny se odrážejí od povrchu objektu a část odraženého echa je přijímána sondou a převáděna na elektrický signál. Doba od vyslání ultrazvukové vlny do jejího příjmu je úměrná vzdálenosti mezi sondou a měřeným objektem. Elektronická jednotka tento čas detekuje a na základě známé rychlosti zvuku vypočítá naměřenou vzdálenost. Vzdálenost od sondy ke dnu nádrže mínus vzdálenost od sondy k hladině kapaliny se rovná skutečné hladině kapaliny nebo výšce hladiny. To se používá k převodu výšky hladiny kapaliny na proudový signál 4~20 mA nebo napěťový signál 1~5 V pro výstup. Alternativně může být přenášen do řídicího centra prostřednictvím komunikace RS485, HART nebo GPRS. Protože teplota má významný vliv na rychlost zvuku, měl by přístroj měřit okolní teplotu, aby korigoval rychlost zvuku.
Výhody a nevýhody ultrazvukových hladinoměrů
Ve srovnání s jinými typy hladinoměrů mají ultrazvukové hladinoměry následující výhody:
(1) Bez-kontaktní měření: Ultrazvukový snímač je instalován nad hladinou kapaliny a nedotýká se měřeného média. To umožňuje pohodlné měření korozivních, viskózních nebo toxických kapalin, zamezuje korozi nebo kontaminaci měřenou kapalinou a eliminuje požadavky na údržbu.
(2) Dobrá všestrannost: Hladinoměr může měřit hladinu kapaliny v otevřených kanálech i ve velkých skladovacích nádržích.
Snadná montáž a demontáž.
(3) Silná přizpůsobivost: Má širokou škálu aplikací a není ovlivněna hustotou, dielektrickou konstantou nebo vodivostí média. Je vysoce adaptabilní na fyzikálně-chemické vlastnosti měřené kapaliny. (4) Vhodné pro měření hladiny toxických, žíravých a vysoce viskozních kapalin, čímž překonává nedostatky jiných hladinoměrů v tak drsném prostředí měření.
(5) Téměř žádné pohyblivé mechanické části, žádné opotřebení, dlouhá životnost a nízká hmotnost. Piezoelektrický prvek uvnitř měniče vibruje na akustických frekvencích, s malou amplitudou, dlouhou životností a dobrou stabilitou.
Mezi nevýhody patří především: když je měřená kapalina těkavá, nerovnoměrná hustota vzduchu nad hladinou kapaliny může vést k větším chybám měření; když má měřený povrch kapaliny velké zvlnění, může snadno způsobit chaotické odrazy zvukových vln, což má za následek chyby. Ultrazvukové hladinoměry mají navíc při měření hladiny kapalin nevyhnutelné slepé zóny, což ztěžuje-měření na krátkou vzdálenost.
Rozdíl mezi integrovanými a dělenými- ultrazvukovými hladinoměry
Integrované ultrazvukové hladinoměry integrují ultrazvukovou sondu, jednotku zpracování signálu, displej atd. do jednoho zařízení. Všechny funkce měření a regulace jsou dokončeny ve stejném krytu.
Snadná instalace: Díky kompaktní konstrukci je třeba během instalace upevnit pouze jedno zařízení, což eliminuje složité kabely a instalační postupy. Komplexní funkčnost: Vhodné pro drsná průmyslová prostředí, s krytím až IP66/IP67. K dispozici je více modelů, například typy odolné proti korozi-a výbuchu-.
Zjednodušená kalibrace: Integrovaný design zjednodušuje a zjednodušuje proces kalibrace, obvykle vyžaduje kalibraci celého systému spíše než několik samostatných komponent.
Integrované ultrazvukové hladinoměry se běžně používají ve skladovacích nádržích, průmyslových čistírnách odpadních vod, chemických reakčních nádobách a mělkých vodních bazénech.
Ultrazvukové hladinoměry děleného-typu: Ultrazvukové hladinoměry děleného-typu se skládají ze samostatné sondy a jednotky pro zpracování signálu. Sonda je instalována v místě měření, zatímco jednotka pro zpracování signálu může být instalována v kontrolní místnosti nebo na jiném vhodném místě mimo místo měření. Oba jsou propojeni kabelem.
Schopnost silného rušení-: Když je sonda a jednotka zpracování signálu oddělená, jednotka pro zpracování signálu může být držena mimo oblasti s vysokou teplotou, vysokým tlakem nebo silným elektromagnetickým rušením, čímž se zvyšuje přesnost a spolehlivost měření.
Snadné ovládání: Jednotka pro zpracování signálu má obvykle větší displej a více ovládacích rozhraní, což usnadňuje nastavení a monitorování operátory.
Vysoká přizpůsobivost: Dělená konstrukce umožňuje přizpůsobit se náročným prostředím měření, jako jsou vysoké-teploty, korozivní plyny nebo kapaliny. Sonda může být vyrobena ze speciálních materiálů, aby tyto podmínky vydržela.
Ultrazvukové hladinoměry děleného-typu jsou vhodné pro měření hladiny ve velkých skladovacích nádržích, složitých procesech a v prostředí s vysokou-teplotou nebo vysoce korozivním prostředím. Jsou zvláště vhodné pro aplikace vyžadující vzdálené ovládání nebo ochranu před rušením okolního prostředí.
Klíčové technické specifikace ultrazvukových hladinoměrů
1. Měření rozsahu a mrtvé zóny
Rozsah měření a mrtvá zóna jsou dva důležité indikátory ultrazvukových hladinoměrů.
Rozsah měření představuje maximální rozsah, který může hladinoměr změřit, a odráží citlivost převodníku. Jinými slovy, čím větší je rozsah měření, tím vyšší je citlivost. Většina výrobců specifikuje měřicí rozsah pro hladký povrch kapaliny, ale při skutečném měření může kolísání hladiny kapaliny, plovoucí předměty na hladině a přítomnost prachu nebo páry v měřeném pevném materiálu způsobit, že měřicí rozsah nedosáhne jmenovité hodnoty.
Mrtvá zóna, známá také jako slepá zóna, je vzdálenost, kterou ultrazvukový hladinoměr nemůže změřit kvůli následným otřesům ultrazvukového snímače. Například mrtvá zóna 30 cm znamená, že když je vzdálenost mezi hladinou kapaliny a sondou menší než 30 cm, měření nebude možné. Proto u výrobků se stejným rozsahem měření znamená menší mrtvá zóna lepší konstrukci převodníku; usnadňuje také instalaci pro měření v uzavřených nádržích nebo s krátkými měřicími rozsahy.
2. Teplota a přesnost
Teplotní rozsah je většinou specifikován jako -20~60 stupňů. Protože většina hladinoměrů používajících LCD displeje má rozsah provozních teplot omezený na určitý limit pro LCD obrazovku; překročení tohoto rozsahu způsobí poruchy. Pokud se nedbají omezení LCD displeje, rozsah provozních teplot je obecně -40 až 80 stupňů. Za normálních okolností provozní teplota ultrazvukových měničů zřídka překročí 150 stupňů: překročení 150 stupňů může snadno poškodit piezoelektrickou keramiku uvnitř, proto lze 150 stupňů považovat za absolutní destruktivní teplotu. Navíc některé materiály používané ve výrobním procesu ultrazvukových měničů nemohou fungovat po delší dobu při teplotách nad 100 stupňů; proto je maximální teplotní limit pro většinu převodníků 100 stupňů.
Proč zvažovat přesnost a teplotu společně? Protože ve vzduchu chyba měření teploty 1 stupeň ovlivňuje rychlost zvuku o 0,6 m/s. Při 20 stupních a 1 atmosféře je rychlost zvuku přibližně 340 m/s. Proto je dopad na chybu měření vypočítán na 0,17 %; pokud chyba měření teploty překročí 3 stupně, chyba měření hladiny překročí u většiny výrobců jmenovitý rozsah 0,5 %. Ve skutečnosti je přesnost 0,5 % pro normální teplotní a tlakové podmínky. Při vyšších nebo nižších teplotách může přesnost měření přesáhnout 0,5 %. Chyby měření také narůstají v prostředí s teplotními gradienty nebo rychlými změnami teploty. Kromě toho má složení plynu největší vliv na přesnost měření. Například v přítomnosti těkavých kapalin odpařování kapaliny mění složení vzduchu, což zase mění rychlost zvuku plynu, což v konečném důsledku způsobuje chyby měření.
3. Tlak
Při podtlaku se ultrazvukové měření obecně nedoporučuje, protože šíření ultrazvuku se dosahuje plynem. Podtlak znamená, že vzduch uvnitř je řídký. Šíření ultrazvuku ve vzácném vzduchu způsobuje dva problémy: za prvé se mění rychlost zvuku, což způsobuje chyby měření; za druhé, útlum zvukových vln se ve zředěném vzduchu zvyšuje, což vede ke snížení rozsahu měření nebo dokonce k úplnému znemožnění měření.
4. Žíravost
Korozivita hladinoměrů testuje především materiál sondy. Ve slabě kyselém nebo zásaditém prostředí postačí běžné plastové skořepiny. Polytetrafluoretylenové (PTFE) pláště odolají většině silných kyselin a zásad. Stojí za zmínku, že pokud je měřená látka vysoce korozivní a těkavá, je nejlepší nanést na desku plošných spojů lepidlo při použití integrovaného hladinoměru. Je to proto, že většina vodotěsných krytů není plynotěsná; jakmile se plyn dostane do zařízení, zkoroduje obvodovou desku.
