Aktuální vydání

celé číslo

06

2019

Počítačová podpora vývoje a výroby, software pro řízení údržby 

celé číslo

Přehled trhu: ultrazvukové hladinoměry

Bezkontaktní měření polohy hladiny nachází široké uplatnění v průmyslu, ve vodárenství, v čističkách odpadních vod i jinde. Radarovým hladinoměrům byl věnován přehled trhu ve vydání Automa 2/2009 (str. 1821). V tomto vydání je na str. 38 až 40 uveden přehled trhu ultrazvukových hladinoměrů. Tyto přístroje představují jednoduché a spolehlivé řešení tam, kde není třeba měřit tak přesně, aby bylo nutné použít radarové přístroje.
 

Princip měření

 
Ultrazvukové hladinoměry jsou založeny na známém principu (obr. 1). Přístroj se skládá z generátoru ultrazvukových impulzů, přijímače a zesilovače signálu a z elektronické vyhodnocovací jednotky. Vysílač většinou založený na piezoelektrickém principu vysílá ultrazvukové impulzy směrem k hladině měřené kapaliny nebo sypké látky. Impulzy se od povrchu odrážejí a jsou přijímány přijímačem. Signál je zesílen a elektronická jednotka řízená mikroprocesorem vypočítá vzdálenost mezi snímačem a hladinou kapaliny. Jestliže se do snímače vloží informace o vzdálenosti snímače ode dna nádrže, Lmax, vyčíslí se výš ka hladiny h podle vzorce:
 
h = Lmaxc(t/2)
 
kde c je rychlost měření (m.s–1), t je čas (s) a L vzdálenost od snímače (m).
 

Mrtvá zóna

 
Základním stavebním prvkem ultrazvukového snímače hladiny je membrána, na které je zevnitř upevněn krystal naladěný na stanovenou vysílací frekvenci. V prvním kroku se krystal rozkmitá elektrickým napětím vhodného průběhu a membrána vyšle akustický signál. Poté se systém přepne pro příjem a funguje jako příjmač: akustický impulz o dané frekvenci rozkmitá membránu a na krystalu vznikne elektrické napětí. Jediná membrána na čele snímače tedy funguje jako vysílač i přijímač. Doba potřebná pro přepnutí z jednoho do druhého stavu se projeví tzv. mrtvou zónou: snímač totiž není schopen zaznamenat odraz vytvořený překážkou, která leží blíž než v určité dané limitní vzdálenosti.
 

Vlivy na měření

 
Rychlost šíření zvuku ve vzduchu je významně ovlivněna jeho teplotou; proto se u ultrazvukových hladinoměrů zavádí kompenzace vlivu teploty. Čidlo teploty je buď integrováno do snímače (obvykle do prostoru v okolí membrány), nebo se používá externí.
 
S vlivem teploty souvisí tzv. solární přírůstek (solar gain), tedy nepřesnost, která vzniká, když slunce svítí na zásobník nebo do prostoru mezi převodníkem a povrchem kapaliny. Tomuto jevu se předchází vhodným umístěním externího čidla teploty.
 
Měření odražené zvukové vlny je ovlivněno množstvím rušivých vlivů; mezi ně patří např. „falešné odrazy“ vznikající v nádržích s míchadly či různými přepážkami. Pro jejich eliminaci je třeba před vlastním měření provést mapování nádrže. Hladinoměr v prázdné nádrži zaznamená všechny odrazy a uloží si jejich dobu i amplitudu do paměti. Vytvoří si vlastně zvukový obrazy prázdné nádoby. Při vlastním měření je schopen rušivé odrazy eliminovat a bere v úvahu pouze impulzy odražené do hladiny.
 
Dalším rušivým vlivem je hluk způsobovaný ložisky strojů, nasypáváním nebo napouštěním materiálu, průtokem kapalin přes ventily, ale také vícenásobný odraz: zvukový signál se odrazí poprvé od hladiny a vrací se směrem ke zdroji, kde se odrazí od víka nádrže a následně znovu od hladiny.
 
Dnešní ultrazvukové hladinoměry pracují s výkonnými mikroprocesory a díky pokročilému zpracování signálu a zdokonalenému rozeznávání odrazů dokážou eliminovat rušivé nebo vícenásobné odrazy.
 
Výpadek ultrazvukových snímačů hladiny mohou způsobit kapičky rosy, které kondenzují na membráně. K jejich odstranění je nabízena membrána se schopností sama se očistit: membrána se v určitých intervalech zachvěje s větší amplitudou a kapičky setřese.
 

Měření v otevřených žlabech

 
Díky vysoké přesnosti, které bylo dosaženo mj. kompenzací vlivu teploty, se ultrazvukové hladinoměry rozšířily i do oblasti měření průtoku v otevřených žlabech. Měrné žlaby jsou v zásadě dvojího druhu: buď pracují na principu přepadu (jez s přepadovou hranou), nebo je měřicí orgán vytvořen místním zúžením žlabu; v obou případech platí, že vzdutí, tj. výška hladiny ve žlabu, je podle jistého převodního vztahu úměrné okamžité hodnotě průtoku.
 
Na obr. 2 je znázorněno měření průtoku pomocí měrného Parshallova žlabu. Voda přitékající do žlabu je nucena místním zúžením koryta a následným zvýšeným spádem ve dně přejít z říčního pohybu přes kritickou hloubku do pohybu bystřinného. Díky tomuto přechodu z jednoho režimu do druhého je možné podle úrovně hladiny před hrdlem určovat průtok vody. Úroveň hladiny je snímána ultrazvukovým hladinoměrem instalovaným v ose přítokové části žlabu nad hladinou před přepadem. Průtok se stanovuje podle naměřené výšky hladiny na základě empiricky zjištěných převodních vztahů.
 
Různé druhy průtokoměrných žlabů se staví v určité velikostní řadě o standardizovaných rozměrech a k jednotlivým velikostem jsou přiřazeny známé převodní charakteristiky. Na trhu jsou dostupné hladinoměry, jejichž programové vybavení podporuje využití na průtokoměrných žlabech tím, že převodní charakteristiky standardních měřicích žlabů jsou integrovány do funkcí přístroje. Při instalaci přístroje pak stačí nastavit základní parametry měřicího žlabu, tj. typ žlabu a jeho velikost.
 

Závěr

 
Současná ultrazvuková měřicí technika je založena na osvědčeném, již dlouho známém měřicím principu, ale je o mnoho spolehlivější a přesnější než dříve. Zpracování signálu mikroprocesorem rozšiřuje možnosti použití ultrazvukových hladinoměrů. Další vývoj diagnostických funkcí přístrojů umožní dálkově se dotazovat na stav přístroje a vydávat účinné výstrahy před případnými problémy.
(ev)
 
Obr. 1. Princip měření ultrazvukovým hladinoměrem
Obr. 2. Parshallův žlab pro měření polohy hladiny v otevřeném korytu ultrazvukovým hladinoměrem