Датчики акустического (ультразвукового) типа

Датчики акустического (ультразвукового) типа
В акустических (ультразвуковых) уровнемерах реализуется метод, основанный на использовании эффекта отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела двух сред с разными акустическими сопротивлениями.
Наиболее эффективно локация контролируемого уровня осуществляется через воздушную (газовую) среду, так как при этом обеспечивается универсальность по отношению к различным жидкостям и высокая надежность работы преобразовательных звеньев, которым в этом случае не приходится контактировать с контролируемыми жидкими средами. Но существуют также приборы, в которых локация уровня ультразвуковыми волнами осуществляется со стороны жидкости.
В зависимости от того, какой из параметров звуковой волны и как используется в качестве информационного, различают частотный, фазовый и импульсный способы измерения уровня, а также некоторые их комбинации, например импульсно-частотный.
Область практического применения акустических уровнемеров, осуществляющих локацию уровня через воздушную (газовую) среду, чрезвычайно широка: их можно использовать для контроля или регулирования уровней жидких сред, однородных и неоднородных по свойствам, агрессивных и неагрессивных, кристаллизующихся и с выпадающими осадками, а также находящихся под давлением до 40 кгс/см² (4 МПа) в температурном интервале от 5 до 80 °С. Уровнемеры, осуществляющие локацию уровней через жидкие среды, применяются значительно реже, преимущественно при работе с однородными жидкими продуктами, находящимися под высоким давлением.

Рис. 5.12. Схема реализации метода акустической импульсной локации границы раздела фаз (жидкой и газообразной) со стороны газа
Схема реализации метода акустической импульсной локации границы раздела фаз (жидкой и газообразной) со стороны газа показана на рис. 5.12. Работает она следующим образом. Генератор 6
вырабатывает электрические импульсы с определенной частотой повторения. В пьезоэлектрическом преобразователе эти импульсы преобразуются в ультразвуковые колебания. Мерой расстояния до поверхности жидкости (уровня) служит время распространения ультразвуковых колебаний г от их источника до границы раздела фаз (газ - жидкость) и обратно. После обратного преобразования акустических колебаний в электрические (с помощью того же пьезоэлемента 1) последние попадают в усилитель-формирователь 2 и далее на устройство измерения времени запаздывания отраженного сигнала 3. Формирование унифицированного выходного сигнала (4-20 мА) осуществляется в электронном блоке 4. Для уменьшения влияния температурного фактора в схему обработки сигнала включается блок температурной компенсации 5 с термопреобразователем сопротивления. В алгоритме обработки выходного сигнала также предусмотрены процедуры, обеспечивающие ослабление влияния на результат измерения различного рода помех.
Все функциональные узлы современных ультразвуковых расходомеров выполняются на основе интегральной микроэлектронной технологии.
Аналогичный алгоритм измерения уровней жидких, а также твердых сыпучих материалов реализован в интеллектуальных уровнемерах серии Rose mount 3100, 3101, 3102 и 3105, выпускаемых компанией «Emerson Process Management» и промышленной группой «Метран». Эти приборы предназначаются для осуществления непрерывного контроля уровней различных жидкостей в резервуарах, хранилищах, сточных ямах, демпферных резервуарах, а также для расчета текущих значений объемов и расхода жидких материалов, хранящихся в открытых и закрытых емкостях. Они могут быть легко сконфигурированы на месте их установки посредством встроенных кнопок управления и дисплея. Для дистанционного конфигурирования используются специальные портативные коммуникаторы и универсальный контроллер Rosemount 3490. [33]
Для обеспечения правильной работы ультразвуковых уровнемеров необходимо соблюдение достаточно строгих требований к их установке на объектах контроля. В частности, для обеспечения достаточного уровня значений отраженного сигнала уровнемер должен быть установлен строго вертикально, для исключения ложных эхо-сигналов (обусловленных различными препятствиями на пути распространения ультразвуковых импульсов) расстояние от оси уровнемера до стенок резервуара устанавливается не менее 0,3 м (рис. 5.13).
В приборах, основанных на локации свободной поверхности жидкости через газовую среду, искомая величина (т.е. уровень L)