Датчики акустического (ультразвукового) типа

Рис. 5.13. Требования к монтажу ультразвукового уровнемера
рассчитывается «от крыши», т.е. как разность между высотой расположения базовой точки установки источника колебаний Н_s и путем прохождения эхо- сигнала L_f: L = H_S —Lf (рис. 5.12). Значение параметра H_s (параметра резервуара) зависит от температуры стенок и степени заполненности резервуара продуктом. Параметр L_f сильно зависит
от местной скорости распространения звука в воздушной среде, т.е. от температуры, давления, влажности воздуха, концентрации и распределения в нем по пути распространения акустического сигнала паров контролируемой жидкости. Для ослабления влияния указанных факторов ультразвуковые уровнемеры оснащаются преобразователями температуры, специальными уголковыми отражателями, которые служат реперами при измерениях, а также микропроцессорными устройствами цифровой обработки выходных сигналов. Максимальное разрешение и точность измерения уровня акустическими методами ограничиваются длиной акустической волны.
Аналогично работают ультразвуковые уровнемеры с локацией контролируемой поверхности со стороны жидкости, но в них источники - приемники ультразвуковых колебаний - располагаются на дне резервуара, и отсчет показаний осуществляется от дна. Эти приборы работают на более высоких частотах акустических колебаний и поэтому имеют более высокую разрешающую способность. Однако они проявляют существенно более выраженную зависимость от физических свойств контролируемых продуктов, заметное снижение чувствительности на расстоянии 0,3-0,5 м от дна и поэтому применяются очень редко.
Принцип действия ультразвукового уровнемера с волноводом (рис. 5.14а) полностью совпадает с классической схемой отрытого канала, но ультразвуковая волна распространяется внутри металлического волновода, где через известные фиксированные расстояния устанавливаются специальные отражающие кольца или высверливаются отверстия. Благодаря наличию указанных отражающих устройств, приемник звуковых колебаний дополнительно получает отраженные сигналы из точно фиксированных реперных точек, и таким образом повышается точность измерения. Однако проблемы измерения «от крыши» остаются. Кроме того, достаточно узкий волновод без отверстий (или с малым их количеством) может сам служить источником погрешности, вследствие того что в нем могут присутствовать застойные явления, и тогда уровень нефтепродукта внутри его будет устанавливаться с погрешностью. Еще одним источником дополнительной погрешности здесь может быть разница в удельном весе жидкости внутри и вне волновода. Кроме того, при работе с нефтью или нефтепродуктами опарафинивание волновода может стать серьезной проблемой при эксплуатации (замыливание реперных отверстий).

Рис. 5.14. Принцип действия волноводных уровнемеров: а -ультразвукового с волноводом; б - волноводного радарного
Радарные уровнемеры представляют собой современные интеллектуальные приборы, также предназначенные для бесконтактного измерения уровней жидких и сыпучих материалов в технологических аппаратах различной конфигурации. Они обладают высокой чувствительностью и позволяют осуществлять качественное измерение в условиях кипения контролируемых сред с сильным преобразованием и с сильной их турбулизацией, а также при наличии

Рис. 5.15. Принцип измерения радарным уровнемером
пены на свободных поверхностях. В радарных уровнемерах реализуется такой же принцип измерения, как и в рассмотренных нами ультразвуковых приборах. Только здесь излучатели радарных импульсов, имеющих более высокие частоты, оборудуются высокоэффективными коническими антеннами различных форм и размеров.
Типичным примером современных радарных уровнемеров (рис. 5.15, 5.16а,б) может служить линейка приборов Rosemount 5400, включающая модель 5401, работающую на частоте 6 ГГц, и модель 5402 с рабочей частотой 26 ГГц. Модель 5402, которая имеет меньший угол излучения, рекомендуется для использования в аппаратах с достаточно узкими или загроможденными внутренними конструкциями рабочими объемами [33].

Рис. 5.16. Типовые варианты применения радарных уровнемеров: а - при наличии значительных волн и пены на контролируемой поверхности; б - при наличии внутренних конструкций в резервуаре
В обеих моделях уровень рассчитывается по измеряемому времени задержки между излучением и приемом эхо-сигналов.
Интеллектуальная система обработки первичного измерительного сигнала в электронном блоке уровнемера обеспечивает эффективное подавление помех, шумов и ложных отражений зондирующих импульсов, связанных с волнением зондируемых поверхностей, загрязнением антенны и с прочими факторами, негативно влияющими на качество измерения.
Предусмотрена возможность работы уровнемеров Rosemount как в автономном режиме, так и в составе современных АСУТП. Их выходная измерительная информация формируется в виде аналогового электрического сигнала 4-20 мА постоянного тока с наложенным цифровым кодом по протоколу Hart, по полевой шине Foundation и Modbus (рис 5.17).
Для обеспечения надежной и качественной работы радарных уровнемеров перед вводом в эксплуатацию их необходимо правильно сконфигурировать (т.е. запрограммировать на выполнение функций, которые необходимы для работы прибора в конкретных условиях). Для этих целей имеется специальное программное обеспечение, которое позволяет с помощью персонального компьютера и специальных коммуникаторов осуществлять необходимые настройки.

Рис. 5.17. Схема интеграции радарного уровнемера в систему контроля или управления на базе программируемого контроллера
Принцип действия волноводных радарных уровнемеров (рис. 5.146) основан на технологии рефлектометрии. Микроволновые наносекундные радарные импульсы малой мощности направляются вниз по зонду, погруженному в технологическую среду. Когда радарный импульс достигает среды с другим коэффициентом диэлектрической проницаемости, часть энергии импульса отражается в обратном направлении. Разница во времени между моментом передачи радарного импульса и моментом приема эхо-сигнала пропорциональна расстоянию, согласно которому рассчитывается уровень жидкости или уровень границы раздела двух сред. Интенсивность отраженного эхо-сигнала зависит от диэлектрической проницаемости среды. Чем выше коэффициент диэлектрической проницаемости, тем выше интенсивность отраженного сигнала.
Волноводная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами измерения уровня, поскольку радарные импульсы практически невосприимчивы к составу среды, атмосфере резервуара, температуре и давлению. А так как в данном случае радарные импульсы направляются по зонду, а не свободно распространяются в пространстве резервуара, то такая технология может с успехом применяться в малых и узких резервуарах, а также в резервуарах с узкими патрубками [36].