Aktuální vydání

celé číslo

02

2024

Amper 2024

celé číslo

Ultrazvukové měření výšky hladiny kapalin a pevných látek

Automa 5/2001

Ing. Martin Šilhavý, DataCon s. r. o.

Ultrazvukové měření výšky hladiny kapalin a pevných látek

Současným trendem při měření výšky hladiny je použití bezkontaktních čidel. Historicky prvními snímači pro bezkontaktní měření byly snímače ultrazvukové. Článek připomíná jejich základní vlastnosti a především podmínky vhodného a správného použití.

Obr. 1.

Vlastnosti snímačů
Princip funkce je jednoduchý. Piezorezistivní rezonátor periodicky vysílá série ultrazvukových impulsů směrem k hladině látky, jejíž výška je měřena. Povrch látky působí jako reflektor a odráží vyslané impulsy zpět k vysílači. Snímač výšky hladiny prostřednictvím téhož rezonátoru odražené impulsy přijímá a vyhodnocuje dobu t, která uplynula mezi vysláním impulsu a přijetím jeho odrazu. Při konstantní rychlosti šíření zvuku v daném látkovém prostředí v je vzdálenost s hladiny měřené látky od snímače úměrná době t podle vztahu

s = v·t/2

Přechod piezorezistivního rezonátoru z režimu vysílání do režimu příjmu trvá určitou dobu, po kterou rezonátor není schopen registrovat příchozí odražený impuls. Tato doba určuje minimální vzdálenost měřitelnou senzorem – tzv. mrtvou zónu, která se v praxi pohybuje mezi 0,2 až 0,8 m. Maximální měřitelná vzdálenost závisí na výkonu snímače a druhu měřené látky a zpravidla leží mezi 2 až 100 m. Přesnost měření za referenčních podmínek se pohybuje v řádu desetin procenta měřicího rozsahu a rozlišovací schopnost je až 1 mm.

Vysílaný ultrazvukový paprsek je velmi úzký. Vrcholový úhel vysílacího kužele má velikost mezi 3 až 5°. Při pečlivé instalaci lze snímač velmi dobře zaostřit do bodu, ve kterém je třeba měřit výšku hladiny, a to i v úzkém profilu.

Obr. 2.

Doba odezvy ultrazvukového snímače na změnu výšky hladiny se pohybuje od desetin sekundy u snímačů s malým vyzařovaným výkonem po jednotky sekund u nejvýkonnějších snímačů.

Příklady použití ultrazvukových snímačů
Hlavní předností ultrazvukových snímačů výšky hladiny je, že pracují bez přímého dotyku s měřeným médiem. Výhodně je lze použít pro měření agresivních látek, abrazivních směsí nebo hladiny vodního díla, která v zimě zamrzá.

Vodárenství, čistírny odpadních vod
Jednou z nejznámějších aplikací ultrazvukového snímače je měření výšky hladiny v měrném žlabu nebo na přepadu ve tvaru písmene V. Pro tento typ aplikací se jeví ultrazvukové snímače jako nejvhodnější. Díky pokročilému programovému vybavení jsou současné snímače schopny přímo přepočítávat naměřenou vzdálenost snímače od hladiny na výšku hladiny a přímo indikovat průtok.

Ultrazvukové snímače se používají také pro měření výšky hladiny na přehradách, jezech a jiných vodních dílech. Jsou sice asi třikrát dražší než častěji používané ponorné snímače hydrostatického tlaku, obejdou se však téměř bez údržby, a v delším časovém horizontu jsou tedy efektivnější.

Chemický a petrochemický průmysl
Měření hladiny agresivních či ulpívajících chemických látek je dalším typickým příkladem použití ultrazvukových snímačů. Povrch rezonátoru je pokryt povlakem z plastu a snímač jako celek je chráněn mj. proti korozi vysokým stupněm krytí – IP66 až IP67. Softwarové vybavení snímače umožňuje přepočítávat výšku hladiny na objem i u zásobníků složitého tvaru (obr. 1).

Obr. 3.

Stavební průmysl, průmysl paliv
Při skladování sypkých látek v silech (obr. 2) nebo na skládkách (obr. 3) je třeba měřit výšku hladiny. Lze se zde setkat s odlišnými problémy než při měření kapalin. Sypké látky při plnění sila vytvářejí násypný kužel a při vyprazdňování zdola má jejich povrch velmi nepravidelný tvar. Prostředí je obvykle prašné. Přesto se zde, oproti jiným principům, ultrazvukové snímače používají nejčastěji.

Instalace snímače v praxi
Nejčastější příčinou chybné funkce ultrazvukového snímače výšky hladiny je nevhodné umístění nebo jiná chyba při návrhu aplikace. Ultrazvukový měřicí princip má nejen své výhody, ale i omezení, která je třeba při jeho použití brát v úvahu.

Správně umístit snímač není ve složitějších pracovních podmínkách triviální problém a vyplatí se svěřit návrh odborníkům. V praxi je ale možné setkat se i se zásadními chybami, kterých se lze vyvarovat dodržením těchto několika základních pravidel:

  1. Snímač je třeba umístit dostatečně daleko od potenciálních zdrojů falešných odrazů (potrubí uvnitř nádrže, lopatky míchadla, stěna s nánosem produktu). Je vždy lepší odstranit zdroj falešných odrazů než za pomoci softwarové filtrace potlačovat následky (obr. 4). Příliš komplikované nastavení, které kompenzuje množství falešných odrazů, může snímač v určité situaci zcela vyřadit z provozu.

  2. Ve ztížených provozních podmínkách (pára, prach) je lépe zvolit snímač s větším výkonem (tj. s větším měřicím rozsahem), než by odpovídalo vzdálenosti hladiny od snímače.

  3. Je nezbytné umístit snímač dále od přítoku nebo násypky do zásobníku, jinak padající produkt vyřadí po dobu plnění snímač z činnosti.

  4. Měří-li se ve venkovním prostředí, je vhodné skrýt snímač před přímým slunečním zářením. Ohřátím snímače nad teplotu okolí vzroste chyba měření.

  5. Snímač by neměl být umístěn v ose nádrže s parabolickým víkem. Vlivem vícenásobného odrazu mezi víkem a hladinou přijímá senzor množství falešných impulsů, které mohou vzájemně interferovat a přehlušit platný signál.

  6. Hlavní osa anténního diagramu snímače by měla směřovat pokud možno kolmo k  povrchu měřené látky. Při měření sypkých látek se vyplatí snímač odklonit od svislé osy a respektovat tak násypný a vyprazdňovací úhel produktu.

Vliv teploty
Rychlost šíření zvuku v suchém vzduchu při teplotě 0 °C je 332 m·s–1. S rostoucí teplotou rychlost zvuku nelineárně roste a při teplotě 100 °C je o 17 % větší. Současné ultrazvukové snímače sice teplotu měří a teplotní chybu kompenzují, některé vlivy však zcela vyloučit nelze. Je-li např. ultrazvukový snímač vystaven přímému slunečnímu záření, ohřeje se vestavěné čidlo teploty nad teplotu okolí a výstupní údaj se vlivem kompenzace zkreslí. Nepřesnosti mohou vzniknout také tehdy, když teplota v prostoru mezi snímačem a měřenou látkou strmě roste nebo klesá.

V důsledku konstrukce piezorezistivního rezonátoru je použití ultrazvukových snímačů zpravidla omezeno na teploty do 100 °C, výjimečně do 150 °C.

Obr. 4.

Přetlak a podtlak
Pro šíření zvukových vln je nezbytné látkové prostředí. Ultrazvukový snímač proto nelze aplikovat ve vakuu. Velmi zřídka se ultrazvuk používá pro měření při absolutním tlaku menším než 60 kPa. Naproti tomu konstrukce rezonátoru obvykle nedovoluje použít ultrazvukový snímač při tlacích větších než několik stovek kilopascalů.

Vliv transportního média
Vlastnosti plynů nebo par nad hladinou měřené látky zásadně ovlivňují přesnost a spolehlivost měření. Například plynný CO2 tlumí ultrazvuk do té míry, že není možné odražené impulsy přijímat. Těkavé výpary uhlovodíků, zejména benzinu, naproti tomu v zásobníku vytvářejí vrstvy s různou hustotou. Zvuk se v nich šíří různou rychlostí a na rozhraní vrstev vznikají falešné odrazy. To se může projevit na přesnosti a spolehlivosti měření.

Pára, prach a proudění transportního média
Je-li v prostoru mezi snímačem a hladinou měřené látky pára nebo prach, nastává útlum ultrazvukového signálu. Pak je nezbytné použít výkonnější snímač, původně určený pro měření větší vzdálenosti. Prach se na membráně rezonátoru obvykle neusazuje, neboť rezonátor má vlivem vibrací samočisticí schopnost.

Ultrazvukový princip se často používá pro měření hladiny cementu či granulí. Je-li látka dopravována do zásobníku potrubím za pomoci stlačeného vzduchu, nesmí být proudění orientováno kolmo k ose měření. Mohl by totiž být „odvanut“ proud ultrazvukových impulsů mimo oblast měření.

Elektrické a dielektrické vlastnosti měřené látky
Na rozdíl od radaru není ultrazvukový princip měření závislý ani na hodnotě dielektrické konstanty, ani na vodivosti média. Pro odraz zvukových vln je rozhodující charakter povrchu a rozdíl hustot měřené látky a prostředí nad ní.

Pěna na hladině kapaliny
Zpěněná hladina kapaliny se při měření může projevit dvojím způsobem. Dostatečně výkonný ultrazvukový snímač zaznamená a vyhodnotí odraz od povrchu pěny. Snímač s malým výkonem zpravidla hladinu neindikuje vůbec, neboť odraz od povrchu pěny je slabý. V žádném případě však není možné měřit výšku hladiny kapaliny pod pěnou.

Obr. 5.

Pokročilé metody vyhodnocení signálu
Digitální zpracování signálu uvnitř ultrazvukového snímače výšky hladiny přináší uživateli mnoho výhod. Jednou z nich je možnost použít výpočetní techniku při nastavování snímače, kontrole funkce či odstraňování problémů. Zobrazení křivky odrazů pomáhá v orientaci a umožňuje najít příčinu chybného chování (obr. 5).

Jestliže je amplituda falešného odrazu menší než amplituda užitečného odrazu a jeho zdroj je v konstantní vzdálenosti od snímače, lze aplikovat funkci záznamu falešných odrazů. Označené odrazy si snímač zapamatuje a vyloučí jejich vliv.

Moderní ultrazvukové snímače využívají při zpracování signálu také principy fuzzy logiky. Již uvedený proces proto může probíhat do jisté míry automaticky a snímač se tak může adaptovat na měnící se parametry prostředí (např. ulpívání produktu na stěnách nádrže).

Závěr
Současné ultrazvukové snímače dokážou měřit v prostorech komplikovaných tvarů a poskytovat spolehlivý údaj i za ztížených provozních podmínek. Ani nejdokonalejší elektronika a softwarové vybavení ale nedokážou odstranit problémy způsobené nesprávnou instalací.

Výhradní obchodní zastoupení firmy VEGA, poradenství, prodej, servis:

DataCon s. r. o.
Prvního pluku 12a
186 00 Praha 8
tel./fax: 02/231 59 42, 24 81 68 58
e-mail: silhavym@datacon.cz
www.vega.com
www.datacon.cz