Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Ultrazvuková čidla pro měření průtoku v otevřených profilech

číslo 2/2002

Ultrazvuková čidla pro měření průtoku v otevřených profilech

Jedním ze zajímavých způsobů měření průtoku je měření v otevřených žlabech. Používají se různé způsoby, z nichž nejznámější patrně jsou měrné žlaby – Venturiho žlab, Parshallův žlab atd. Velmi zjednodušeně lze říci, že v měrných žlabech se převádí měření průtoku na měření výšky hladiny v definovaném profilu žlabu. Metoda je vhodná pro větší průtoky i silně znečištěných kapalin. S výhodou se využívá např. v čističkách odpadních vod, kde lze měrný žlab vestavět do otevřené části přívodního kanálu a přitom je možné dodržet základní podmínky pro přesné měření v otevřených žlabech, hlavně nutný minimální spád a zklidněný tok měřené kapaliny. Uspořádání měřicího zařízení s měrným žlabem ukazuje obr. 1.

Obr. 1.

Pro měření výšky hladiny se využívají různé metody. Ty zdánlivě nejjednodušší, např. plovákový limnigraf, však vyžadují speciální provedení měrného žlabu s měrnou šachtou, která musí být navržena tak, aby nenarušovala kontinuitu průtoku.

Většina průtokoměrů s otevřenými profily proto v současné době využívá k měření hladiny ultrazvukové čidlo, které nejenže nevyžaduje speciální úpravy měrného žlabu, ale má i několik dalších výhod. Tou největší je skutečnost, že jde o bezdotykové měření a hladinoměrná sonda se nezanese nečistotami nebo námrazou jako u plovákových měřičů. Další výhodou je elektrický výstup v analogové nebo digitální podobě bez nutnosti použít další převodník. Velmi jednoduchá je i instalace a nastavení ultrazvukového hladinoměru, je však třeba si uvědomit skutečnosti, které vyplývají z principu ultrazvukové metody měření vzdálenosti.

Ultrazvukové měření hladiny

Princip měření ultrazvukem je obecně znám. Čidlo vyšle ultrazvukový impuls a čeká na odražený signál. Doba do příchodu odrazu je úměrná vzdálenosti čidla od detekovaného předmětu. Pro porovnání vlastností čidel byly zavedeny tyto parametry:

  • jmenovitý detekční rozsah,
  • velikost referenční plochy,
  • oblast necitlivosti,
  • prostorový úhel vyslaného paprsku.

Obr. 2.

Jmenovitý detekční rozsah udává maximální vzdálenost referenční plochy. Velikost referenční plochy je obsah plochy rovinné hladké pevné desky, který je třeba k odrazu dostatečné energie pro vybuzení přijímače ve jmenovité vzdálenosti. Stejně jako referenční plocha se chová hladká vodní hladina.

Ultrazvuková čidla používají stejný ultrazvukový měnič pro vysílání i příjem. Při vysílání je měnič rozkmitán na velkou amplitudu a chvíli trvá, než se uklidní a lze jej přepnout do módu příjmu. Tato doba (vynásobená rychlostí zvuku v daném prostředí) určuje oblast necitlivosti, ze které není čidlo schopno zpracovat odražený signál. Oblast necitlivosti tvoří 10 až 15 % jmenovité vzdálenosti.

Prostorový úhel vysílaného paprsku popisuje tvar akustické vlny. Důležitý je pro odhad parazitních odrazů, např. při měření v trubce, ve stísněném prostoru nebo v blízkosti překážky.

Mnoho nejasností panuje v otázkách rozlišovací schopnosti ultrazvukového čidla, jeho přesnosti a možných rušivých vlivů. Proberme si hlavní parametry.

Rozlišení

Rozlišení je určeno nejkratším měřitelným časovým intervalem daným frekvencí vnitřních hodin čidla. U čidel Pepperl+Fuchs je nejkratší měřitelný časový interval 1 µs, což odpovídá rozlišení 0,17 mm. Rozlišení však není omezeno pouze tímto parametrem. U čidel s výstupem v podobě analogové proudové smyčky 0 až 20 mA nebo 4 až 20 mA hraje roli i rozlišení analogově-digitálního převodu. V praxi to znamená, že maximální rozlišení je možné využít jen při měření vzdáleností do 75 cm (jako části celkového rozsahu čidla).

Rozlišení v různých místech jmenovitého rozsahu

Ultrazvuková čidla Pepperl+Fuchs umožňují „roztáhnout“ libovolnou část jmenovité detekční vzdálenosti na rozsah výstupního proudu 0 až 20 mA. Ať je toto okno umístěno kdekoliv, rozlišení zůstává stejné.

Obr. 3.

Rušivé vlivy

Při měření ultrazvukem v otevřeném prostoru musí zvuková vlna projít ke svému cíli vzduchem. Fyzikální vlastnosti vzduchu ovlivňují rychlost šíření zvuku ve vzduchu. Zanedbání změn rychlosti zvuku ovlivňuje nejistotu měření.

Nejvýraznější změnu rychlosti zvuku způsobuje teplota vzduchu. Tato závislost je lineární s konstantou 1,7·10–2 m·s–1K–1. Je-li tedy teplotní pole oblasti měření homogenní, stačí teplotu změřit a chybu korigovat. Všechna ultrazvuková čidla Pepperl+Fuchs mají kompenzaci vlivu teploty zabudovánu.

Dalším rušivým faktorem může být kolísající vlhkost vzduchu. Uvádí se, že vlhkost na hranici rosného bodu zvyšuje rychlost zvuku asi o tři procenta. Vliv má i atmosférický tlak: změna tlaku o ±0,5 % způsobí změnu rychlosti zvuku ±0,6 %.

Tam, kde je vyžadována velká přesnost měření, lze uplatnit poměrovou kompenzaci. Ve stejném prostředí, ve kterém je realizováno měření, se instaluje druhé čidlo, které bude měřit známou vzdálenost pevné překážky. Poměrovým výpočtem se potom stanoví měřená vzdálenost s kompenzovanými rušivými vlivy. Pepperl+Fuchs dodává vyhodnocovací jednotku, která umí tyto výpočty průběžně provádět a na jejímž výstupu je údaj o měřené vzdálenosti v podobě proudové smyčky stejné jako u snímače bez kompenzace.

Horší situace nastává při lokálních změnách vlastností vzduchu. Lokální rozdíly teploty vytvářejí teplotní gradienty, ve kterých se zvuková vlna ohýbá a přesnost měření klesá. Na to je třeba dát pozor při měření horkých kapalin. Důsledkem lokálních rozdílů tlaku je proudění, které také deformuje nebo úplně rozbíjí zvukovou vlnu. Na to je třeba pamatovat také při čištění čidla ofukováním. Čištění čidla proudem vzduchu může mít i další nepříznivý důsledek: technický vzduch nikdy není úplně suchý a ofukování čidla v zimě může způsobit vytvoření ledové krusty a úplné vyřazení čidla.

Struktura odrazné plochy

Hladká plocha (kterou je např. hladina kapaliny) vyvolává úplný odraz, při kterém je odražena veškerá energie. To se na první pohled může jevit jako výhoda. Je však třeba striktně dodržet kolmost osy čidla k měřené hladině. Při odchylce od kolmice větší než polovina vyzařovacího úhlu čidla (u čidel Pepperl+Fuchs jsou to 3°) vznikne ztráta odraženého signálu. Zvlněná hladina způsobuje rozptyl signálu, který se neodráží jen kolmo k hladině. Rozptylem se však snižuje plošná hustota odražené energie, a aby byl vybuzen přijímač, je nutné použít vysílač o větším výkonu neboli čidlo o větší jmenovité detekční vzdálenosti. Zde je vždy nejlepší uskutečnit zkoušku v praxi. (Pepperl+Fuchs k těmto účelům zvolené čidlo bezplatně zapůjčí.)

Obr. 4.

Ultrazvuková čidla Pepperl+Fuchs mají zabudovánu vyhodnocovací elektroniku. Není tedy třeba žádná externí jednotka, na čidlo se pouze přivede napájecí napětí v rozsahu 10 až 30 V a na výstupu lze snímat proud v rozsahu 4 až 20 mA nebo napětí v rozsahu 2 až 10 V, odpovídající měřené vzdálenosti. K dispozici jsou rovněž čidla s komunikací po RS-232. Navrhuje-li zákazník kompletní vyhodnocovací jednotku, je cenově velmi výhodným řešením použít čidlo bez vyhodnocení, jehož výstupem jsou tvarované impulsy v časovém odstupu odpovídajícím měřené vzdálenosti. Kompletní technické údaje, včetně aplikačních doporučení, lze najít v katalogu ultrazvukových čidel Pepperl+Fuchs v českém jazyce, který bezplatně zašle kterákoliv kancelář firmy FCC Průmyslové systémy s. r. o.).

(FCC Průmyslové systémy)

FCC Průmyslové systémy s. r. o.
info@fccps.cz
www.fccps.cz

400 11 Ústí nad Labem, SNP 8, tel.: (047) 277 41 73, fax: (047) 277 21 15
603 00 Brno, Vinařská 1a, tel.: (05) 43 21 56 54, fax: (05) 43 21 56 55
182 00 Praha 8, U Slovanky 3, tel.: (02) 66 05 20 98, fax: (02) 68 80 819

Inzerce zpět