Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

Ultrazvukové hladinoměry řady SolidScan

Izraelská firma Solid Applied Technologies (Solid AT) je součástí investiční skupiny Solid Group. Od svého založení se zabývá výzkumem, vývojem a výrobou kontinuálních snímačů výšky hladiny, které jsou založeny na principu měření ultrazvukem a radarem. V tomto příspěvku je představena skupina ultrazvukových snímačů hladiny pod souhrnným označením SolidScan®. Snímače využívají patentované postupy vyvinuté ve firemním vývojovém středisku v Petach Tikvě nedaleko Tel Avivu.
 

Charakteristika ultrazvukového měření

Pro pochopení originálního řešení přístrojů SolidScan je vhodné stručně popsat, jak ultrazvukový hladinoměr pracuje. Senzor ultrazvukového měřicího systému vyšle zvukový pulz směrem k hladině. Pulz se od hladiny odrazí a vrátí se k senzoru. Z časové prodlevy mezi vysláním pulzu a odezvou se určí vzdálenost mezi senzorem a hladinou. Výhody tohoto principu měření jsou tyto:
  • senzor je nad hladinou a nepřichází do styku s měřicím médiem; jeho montáž či výměna jsou snadné, nemusí se vyprazdňovat nádrž,
  • měřicí princip funguje jak pro kapaliny, tak i pro sypké látky.
  • Ultrazvukový měřicí princip má tyto nevýhody:
  • rychlost šíření zvukové vlny se mění s teplotou prostředí nad hladinou, kromě toho rychlost šíření je odlišná pro vzduch a pro plyny či výpary různé povahy,
  • vyslaná akustická vlna je tlumena částicemi prachu vznášejícími se v prostoru nad hladinou, popř. kapičkami nasycených par; odraz je rovněž utlumen, je-li na hladině pěna,
  • detekce odraženého signálu je ztížena akustickým rušením, které pochází z okolí: hlukem vznikajícím v ložiskách dopravníků, prouděním tekutiny přes ventily, sypáním materiálu apod.,
  • dalším zdrojem rušení je případný několikanásobný odraz vyslaného signálu, popř. vzájemné interference různých „zbloudilých“ odrazů.
Firma Solid AT nalezla způsoby, jak eliminovat uvedené nevýhody ultravzukového principu měření, a využila je ve snímačích řady SolidScan.
 

Řešení firmy Solid AT

Teplotní kompenzace ultrazvukového systému s využitím integrovaného čidla teploty je dnes již samozřejmostí; bez teplotní kompenzace by chyba měření teploty byla 1,7 %/10 °C. (Teplotní kompenzace ovšem nezabrání chybě způsobené nerovnoměrným rozložením teploty nad hladinou.)
Přesnému a spolehlivému měření přístrojů řady SolidScan nejsou na překážku ani nepříznivé akustické podmínky. Na tom má zásluhu především propracovaná metoda statického a dynamického řízení akustického signálu. Systém průběžně „mapuje“ hluky z okolí a volí takový průběh a intenzitu vyslaného ultrazvukového signálu, aby odražený signál dokázal rozlišit od akustického pozadí. V dalším kroku snižuje energii vyslaného pulzu tak, aby několikanásobné odrazy a jejich interference byly pod prahem citlivosti snímacího zařízení (obr. 1).
Významnou součástí unikátního softwarového vybavení je statistické zpracování zachycené odezvy: systém nestanovuje vzdálenost hladiny z jediného přijatého odrazu, ale z posloupnosti odrazů několika vyslaných zvukových pulzů, navíc ještě z mnoha dílčích odrazů. Pro stanovení platné hodnoty se využívají rozdílné statistické postupy. Například u sypkých látek lze předpokládat, že jejich povrch může připomínat kopcovitý terén Českého středohoří, a v tom případě průměrná hodnota stanovená ze skupiny rozdílných výsledků odpovídá střední výšce hladiny. Naopak při měření klidné hladiny kapalin je pravděpodobné, že větší množství zachycených odrazů vede k hodnotám, které se budou navzájem lišit jen nepatrně, zatímco všechna měření, která se budou vymykat, jsou dána rušivými odrazy a při vyhodnocení se k nim vůbec nebude přihlížet.
V některých případech vznikají rušivé odrazy, které jsou neměnné a trvalé – takto působí např. příčky žebříku v zásobníku, výstupky ve stěnách apod. V takové situaci je vhodné při uvádění přístroje do provozu uplatnit proceduru záznamu rušivých odrazů. Takto „zmapované“ odrazy se v dalším provozu odečítají, čímž se jejich vliv úplně eliminuje.
V některých případech vznikají rušivé odrazy, které jsou neměnné a trvalé – takto působí např. příčky žebříku v zásobníku, výstupky ve stěnách apod. V takové situaci je vhodné při uvádění přístroje do provozu uplatnit proceduru záznamu rušivých odrazů. Takto „zmapované“ odrazy se v dalším provozu odečítají, čímž se jejich vliv úplně eliminuje.
 

Konstrukce hladinoměrů SolidScan

Hlavními částmi snímače jsou senzor a elektronická řídicí a vyhodnocovací jednotka. V čelní ploše senzoru (obr. 2) se nachází 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 do přijímacího režimu: akustický impulz o dané frekvenci rozkmitá membránu a na krystalu vznikne elektrické napětí. Jediná membrána na čele snímače tedy funguje jako vysílač i přijímač. Pro přepnutí z jednoho režimu do druhého je třeba určitá prodleva. Ta způsobuje tzv. mrtvou zónu: snímač není schopen zaznamenat odraz vytvořený překážkou, která leží blíž než ve stanovené limitní vzdálenosti.
Ultrazvukové systémy SolidScan vysílají akustický pulz s kmitočtem 25 kHz. Tato relativně nízká frekvence umožňuje pronikání signálu i prašným prostředím, které má tendenci jej utlumit. Výjimkou je přístroj SmartScan50, který pracuje s kmitočtem 50 kHz, což má určité specifické výhody: umožňuje dosáhnout větší rychlosti měření, měří s přesností až 1 mm a poradí si i v případě, že na hladině je vrstva pěny až do tloušťky 50 mm.
Zvukové vlny se ve vzduchu šíří rychlostí asi 340 m/s, a proto se jednotlivé pulzy neopakují častěji než přibližně desetkrát za sekundu. Dynamické řízení pulzu spolu se statistickým vyhodnocením zaznamenaných odrazů představuje proces, do kterého vstupuje větší množství pulzů, a je tedy poměrně zdlouhavý. Časová konstanta měřicího systému je tudíž od několika sekund až po desítky sekund; vyšší přesnosti měření odpovídá delší časová konstanta.
Senzor a elektronická jednotka buď spolu mohou tvořit jednolitý celek (monoblok, kompaktní provedení), anebo jsou to samostatné komponenty spojené kabelem. Pořízení kompaktního systému je levnější. Systémy s odděleným senzorem oproti tomu umožňují využít snímače s větším výkonem, a tím zvýšit dosah měření; mimo jiné také nabízejí více možností, jak bezpečně koncipovat měřicí systém v prostředí s nebezpečím výbuchu.
Při použití snímačů k měření úrovně hladiny je třeba brát ohled na různé provozní podmínky. Snímače pro kapaliny jsou nastaveny jinak než snímače pro pevné látky, různé režimy je třeba zvolit pro kratší a delší dosah měření. Pro přestavení snímače z jednoho režimu do druhého postačí změnit naprogramování funkcí, aniž by bylo nutné jakkoliv zasahovat do hardwaru snímače. To je velká výhoda pro uživatele i pro distributora, jakož i pro projektanta, který není nucen zcela přesně specifikovat všechny parametry pro objednávku přístroje.
 

Rozsah měření a jeho přesnost

Maximální dosah měření je 3,5 až 40 m v závislosti na typu snímače a na měřeném médiu (u sypkých látek je o něco menší než u kapalin). Přesnost snímačů řady SolidScan je 0,25 % z rozsahu; u snímačů SmartScan50 je dosažitelná přesnost 0,15 %.
 

Měření průtoku v otevřeném kanálu

Při měření průtoku v otevřených kanálech se využívá definovaná závislost mezi objemovým průtokem a vzdutím (tedy výškou hladiny) v měřicím žlabu. Tato závislost není lineární a obvykle bývá dána převodní tabulkou nebo empirickým vzorcem. V paměti snímačů řady Solid-Scan jsou uložena data, která umožňují provádět průběžný výpočet objemového průtoku pro deset standardních druhů měřicích žlabů, přičemž rozměr žlabu lze zadat jako volitelný parametr. Využitím této funkce zobrazovaný údaj a výstupní signál mohou být lineárním obrazem objemového průtoku. Kromě toho je možné do paměti snímače vložit libovolnou převodní charakteristiku v podobě tabulky pro patnáct funkčních hodnot. Uvedená funkce se využívá mj. také v případě, kdy se měří hladina v neprizmatickém tanku (např. ležatý tank o kruhovém nebo eliptickém průřezu) a přitom je třeba, aby zobrazený údaj a výstupní signál odpovídaly množství uskladněného produktu.
Výrobky firmy Solid AT na český trh dodává firma BHV senzory s. r. o.
 
Jan Vaculík, BHV senzory
 
BHV senzory s. r. o.
Družstevní 20
252 68 Kněževes u Prahy
tel. 220 920 253
tel./fax 220 922 036