Акустични ултразвукови нивопредаватели
Според принципа на действие акустичните нивомери могат да бъдат разделени на локационни, абсорбционни и резонансни.
В локалните ултразвукови нивомери се използва ефектът на отразяване на ултразвукови вибрации от интерфейса течност-газ, във връзка с което те се наричат ултразвукови. Позицията на нивото се определя от времето на преминаване на ултразвукови вибрации от източника към приемника след отразяването им от интерфейса. При абсорбционните нивомери позицията на нивото се определя от затихването на интензитета на ултразвука при преминаване през слоеве течност и газ. При резонансните нивомери измерването на нивото се извършва чрез измерване на собствената честота на газовия стълб над нивото на течността, което зависи от височината на нивото.
Най-разпространените нивомери за местоположение. Нивото може да бъде разположено или през газовата среда над течността, или отдолу през течния слой. Недостатъкът на първия тип нивомери е грешката в зависимостта на скоростта на звука от налягането и температурата на газа и силното поглъщане на ултразвук от газа, което изисква по-голяма мощност на източника, отколкото при локализиране през течност. Въпреки това показанията на такива нивомери не се влияят от промени в характеристиките на течността, така че те могат да се използват за измерване на нивото на течности, които са нехомогенни, съдържат газови мехурчета или кристализират. Нивомерите за локализиране на течности могат да се използват за приложения с високо налягане, изискват малка мощност на източника, но са чувствителни към включвания в течността, като газови мехурчета по време на кипене. Следователно тези нивомери са приложими само за хомогенни течности.В допълнение, те също са чувствителни към промените в температурата и налягането на средата поради зависимостта от тях на скоростта на разпространение на ултразвука.
Опростена схема на акустичен нивомер с местоположение на нивото от страната на газа EKHO-1 е показана на фиг. 1.
Ориз. 1. Опростена схема на акустичен ултразвуков нивомер:
1 - акустичен преобразувател; 2 - генератор; 3 - усилвател; 4 - схема за измерване на времето; 5 - конвертор; 6 - вторично устройство; 7 - модул за температурна компенсация
Източникът и същевременно приемникът на отразените ултразвукови вибрации е пиезоелектрическият елемент, затворен в акустичния преобразувател 1. Локализацията се извършва от ултразвукови импулси, които се възбуждат от пиезоелектричния елемент в резултат на прилагане на електрически импулси към него от генератора 2. В същото време генераторът включва веригата за измерване на времето 4. Отразеният ултразвуков импулс се връща към пиезоелемента електрически елемент след време t, съответстващо на контролираното ниво в съответствие с израза t = 2(H - h)/c, където c е скоростта на ултразвука в газа.
Пиезоелектричният елемент преобразува отразения ултразвуков импулс в електрически сигнал, който се усилва от усилвателя 3 и се подава в веригата за време 4. Преобразувателят 5 преобразува стойността на времето в единния изходен сигнал от 0,5 mA, измерен от вторичното устройство 6. За да се намали ефектът на промените в температурата на газа, има температурен компенсация 7, който включва устойчив термичен конвертор, разположен вътре в температурния компенсация.
Пример за използването на акустичния метод е наличният в търговската мрежа нивопреобразувател ECHO-5, предназначен за измерване на нивото на течности (включително агресивни), както и насипни и бучки.при температури от -50 до 170 ° C и при налягане до 4 MPa. Горни граници на измерване на нивомера: 0,4. 30 m, основната грешка на преобразувателя, в зависимост от модификацията, е ±0,5; ±1,0; ± 1,5; ±2,5%.
Ултразвуковият метод се характеризира с много ниско внасяне на топлина в контролираната среда, поради което може да се използва в криогенната технология. Методът обаче е приложим само за течности със спокойна повърхност, т.е. кипящи течности и криостати с натоварен вътрешен обем са изключени.
Siemens произвежда повече от десет вида ултразвукови нивопредаватели за различни индустрии, селско стопанство и комунални услуги. При някои типове източниците (приемниците) на радиация (сензори) с електронен преобразувател са комбинирани в едно устройство, при други са разделени. Комбинираната версия е реализирана в компактни инструменти като "The Probe", предназначени за измерване на нивото в диапазона от 0,25 до 8 м. Сензорът работи на честота 43 kHz, изходният сигнал на нивомера е 4,20 mA, грешката не надвишава ±0,25%, поради въвеждането на температурна компенсация. Измервателният преобразувател LU 10 може да работи с десет сензора, които могат да бъдат отделени от измервателния блок на разстояние до 365 м. При обхват на измерване до 60 м и температурна сонда грешката при измерване на нивото е ±0,1; ±0,25%. Изходен сигнал 4.20mA може да се комбинира с най-разпространените цифрови протоколи.
Въз основа на явлението ултразвуково отражение е изградена схема на нивомер тип RU-PT1, който е по-късна версия на RUMB-BK-M (завод Teplopribor, Ryazan). Принципът на действие на нивомера се основава на измерване на времето за разпространение на фронта на ултразвукови вибрации в метален прът от поплавъка до нулевата маркировка на дънотокрая на първичния преобразувател (фиг. 2).
Ориз. 2. Схема на ултразвуков нивомер:
1 - източник на ултразвукови вибрации; 2 - метален прът; S - поплавък; 4 - индикатор
Ултразвуковият нивомер се състои от преобразуватели: първичен преобразувател, междинен преобразувател и предавателен преобразувател. Съставът на първичния преобразувател включва източник на ултразвукови вибрации 7, метален прът 2, потопен в контролирана среда и движещ се по него поплавък 3. От източника се формира ултразвуков импулс и сигналите, отразени от поплавъка и секцията на пръта, съответстваща на нулевото ниво, се вземат от пръта. Междинният преобразувател ги усилва и под формата на два импулса на напрежение U1 и U2 подава към предавателния преобразувател. Според момента на началото на импулса, зададен от генератора G, и времето на пристигане на импулсите се изчислява времето на преминаване на импулса в пръта от поплавъка до нулевата маркировка (т.е. в рамките на контролираното ниво). За да се вземе предвид термичното удължение на пръта от импулса U2, се изчислява времето t2 на разпространение на импулса по целия прът. Стойността на контролираното ниво се определя по формулата h = Ho(t1/t2), където Ho е основната дължина на пръта при температура 20 ± 5 °C. Горната граница за измерване на височината на нивото е 0,4. 12 m, изходни сигнали: ток 0,5 (4,20) mA, цифрова индикация на ниво в m, цифров сигнал по интерфейс RS-232C, RS-485, сигнализиране на две максимални отклонения на нивото. Нивомерът е предназначен за широк клас среди (включително нефтопродукти и втечнени газове) при температури от -40. 120 °C и налягане до 2,5 MPa, основната грешка е ±4 mm.
Ултразвуковите нивомери са от типа DUU2, DUU4 на ЗАО Албатрос, които използват магнитострикционния ефект. Последносе състои в деформация на кристално тяло под въздействието на магнитно поле. Преобразувателят на тези нивомери съдържа диелектрична водеща тръба, вътре в която има стоманена тел с намотка по цялата й дължина. По външната повърхност на тръбата, покрита с флуоропласт, се плъзга магнитен поплавък, плаващ върху повърхността на течността или интерфейса между медиите. На мястото на поплавъка настъпват локални промени в кристалната решетка на жицата. Когато към бобината се приложи токов импулс, се създава импулсно магнитно поле, което предизвиква импулсна деформация на жицата. Когато се достигне последният поплавък, отразеният импулс на надлъжна деформация се възприема от пиезоелектричния сензор. Положението на нивото се определя от интервала от време от момента на формиране на токовия импулс до получаването на импулса на еластична деформация. Водещата тръба може да побере до четири магнитни поплавъка, които измерват, например, горното ниво и три интерфейса. В гъвкавата модификация на преобразувателя бобината с тел е покрита с флуоропластична изолация. За да опънете жицата, към края й е прикрепен товар или референтен магнит. Сензори за налягане и температура са поставени в края на трансдюсера.
Максималната измерима височина на нивото е 25 m, свръхналягането не трябва да надвишава 2 MPa, а температурата не трябва да надвишава 120 °C при плътност на средата от 500 до 1500 kg/m3. Основната грешка в зависимост от версията е ±1; ±3; ±5 мм. Брой изходни сигнали 4. 20 mA до шест в зависимост от броя на измерените стойности.