Váení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, e na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, e ukázka má slouit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, e není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále íøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN technická literatura
[email protected]
kapitola
24
ULTRAZVUKOVÉ HLADINOMÌRY
Prosonic M FMU 40 (dodává firma Endress+Hauser)
24.1 Pøehled ultrazvukové technologie 24.1.1 Vlastnosti ultrazvuku a ultrazvukových senzorù O ultrazvukových senzorech hovoøíme pokud jejich pracovní frekvence leí nad pásmem slyitelným pro èlovìka, tj. nad 20 kHz. Principy funkce ultrazvukových senzorù mohou být pouity i pøi niích frekvencích, pak hovoøíme o sonických senzorech. Podstatou zvuku a ultrazvuku [24-1, 24-2, 24-3] je vlnìní charakterizované zhuováním a zøeïováním vzduchu. Na rozdíl od elektromagnetického vlnìní jde (alespoò pøi íøení vzduchem) o podélné (longitudální) vlnìní. Na obr. 24.1 je znázornìn smìr íøení, smìr kmitání èástic kolem rovnováných poloh a rovnì vlnová délka [24-4]. VP USRK\EXþiVWLF
VP Uãt HQtYOQ Qt λ
Obr. 24.1
Zvuk jako vlnìní
Lokální zhutìní nebo zøedìní vzduchu oproti normálnímu barometrickému tlaku pøedstavuje akustický tlak. V pevných látkách se íøí podélné i pøíèné vlnìní a to rùznými rychlostmi. Rychlost zvuku ve vzduchu je za normálních podmínek asi 340 m.s1 a silnì závisí na teplotì, èásteènì i tlaku, v mení míøe na vlhkosti, atd. Intenzita zvuku, tj. ploná hustota pøenáeného výkonu klesá jednak se ètvercem vzdálenosti, za druhé také atmosférickým útlumem. Pøijímaè ultrazvukových odrazù obvykle kompenzuje rostoucí útlum signálu èasovì promìnným zesílením (pozdní odrazy jsou zesíleny více). Ultrazvukové hladinové spínaèe vyuívají mìnící se útlum vlnìní v prostøedí mezi vysílaèem a pøijímaèem podle pøítomnosti materiálu. Ultrazvukové spojité hladinomìry pracují (obvykle bezkontaktnì, tj. shora) s odrazem signálu od hladiny a mìøením doby letu signálu k cíli a zpìt. Výjimeènì je pouíváno mìøení ode dna nádoby, tj. snímána je doba letu signálu kapalinou k hladinì a zpìt ke dnu. Podobnì, tj. ponoøeným senzorem, se mìøí hloubka dna pod èlunem. Výhodou spojitých ultrazvukových senzorù je (vìtinou) absence doteku s materiálem. Jejich hlavní nevýhodou je znaèná závislost na vlastnostech atmosféry mezi pøevodníkem a hladinou. (Rychlost íøení zvuku silnì závislá na teplotì, nemonost pracovat ve vakuu, atd.) Také pìna na hladinì kapaliny zpùsobuje velký útlum a neposkytuje pouitelné echo.
370
S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝKY HLADINY
A
V praném prostøedí mají ultrazvukové senzory èasto urèitou samoèisticí schopnost, protoe èástice (pokud nejsou lepivé) se neudrí na vibrující ploe.
24.1.2 Ultrazvukové pøevodníky Pro generování (pøípadnì zachycení) ultrazvuku se pouívají pøevodníky rùzných typù. Nejèastìji pouívané jsou pøevodníky piezoelektrické, avak vyskytují se také pøevodníky elektrostatické. Pro jiné technické úèely ne mìøení vzdálenosti existují také pøevodníky magnetostrikèní. Elektrostatické pøevodníky vytváøí zvukové vlnìní pomocí pruné membrány z pokoveného plastu, která funguje jako pohyblivá elektroda a je elektrostatickými silami pøitahována k pevné elektrodì uvnitø pouzdra pøevodníku. Mnohem èastìji se pouívají piezoelektrické pøevodníky vyuívající mechanické deformace piezoelektrického materiálu pøi pøiloení elektrického napìtí (resp. generování el. náboje pod vlivem mechanické deformace). Jako materiál slouí sintrovaná piezokeramika íhaná v elektrickém poli pøipojených elektrod. Pøevodník (typicky ve tvaru disku) obsahuje piezoelektrický materiál, vazební vrstvu pojiva a vnìjí ochranou vrstvu. Piezomateriál je buzen elektrickým napìtím znaèné amplitudy (200400 V). Pro optimální úèinnost je pøevodník buzen na mechanické rezonanèní frekvenci systému pomocí elektrického rezonanèního obvodu. Dùleitou vlastností pøevodníku je smìrovost a vyzaøovací charakteristika. Úhel hlavního vyzaøovacího laloku (definovaný poklesem o 3dB) je nepøímo úmìrný prùmìru pøevodníku a frekvenci. Rozmìrnìjí pøevodník nebo vyí frekvence tedy vytvoøí uí paprsek. Pøijímací charakteristika pøevodníku je shodná s vyzaøovací charakteristikou. Viz obr. 24.2. Typická íøka hlavního laloku je asi 15°. U irího paprsku je energie rozptylována do vìtí plochy, take také pøijatý odraz bude slabí. Naproti tomu úzké paprsky ultrazvuku vykazují vìtí kolísání úrovnì odrazu pøi zvlnìné hladinì [24-5].
Obr. 24.2
A
G%
G%
G%
G%
Vyzaøovací charakteristika ultrazvukového pøevodníku
24 ULTRAZVUKOVÉ
HLADINOMÌRY
371
Kadý ultrazvukový pøevodník má koneènì krátkou dobu doznívání (ringing). Po tuto dobu nemùe fungovat jako pøijímaè signálu, èím vzniká v blízkosti senzoru necitlivá mrtvá zóna (asi 0,20,8 m). Pokud se vzdáme výhody jednoduché konstrukce senzoru s jediným pøevodníkem, lze pouít oddìlený pøijímaè a vysílaè a tak odstranit problém mrtvé zóny. Úhel dopadu na povrch cíle nesmí být pøíli velký, jinak bude signál odraen mimo pøijímaè. To je tøeba respektovat také pøi mìøení sypkých látek a zohlednit sypný úhel. Turbulence vzduchu mùe citelnì ovlivnit èinnost senzoru nebo v extrémním pøípadì zcela odfouknout signál mimo pøijímaè. Problémy také zpùsobuje útlum ultrazvuku v parách nìkterých látek. Prach a páry si mohou vyádat instalaci výkonnìjího pøevodníku, ne by bylo pro danou pracovní vzdálenost nutné. Pracovní teplota je vìtinou omezena asi na 150 °C materiálem pojiva mezi piezoelektrickým mìnièem a pouzdrem senzoru (membránou). Ultrazvukové senzory mohou být rueny cizími zdroji zvuku. Napøíklad trysky tlakového vzduchu nebo vody mohou produkovat irokopásmový um zasahující a do ultrazvukových frekvencí. Mechanické vibrace z okolí by mìly být omezeny pruným uloením senzoru. Pokud ve stejné nádobì pracuje více ultrazvukových pøevodníkù, mohou se vzájemnì ruit. Tomu lze zamezit vzájemnou synchronizací (take nikdy nepracuje více senzorù souèasnì), kódováním vysílaného zvuku (a potlaèením cizích signálù) nebo volbou dostateènì odliných pracovních frekvencí.
24.1.3 Rychlost íøení zvuku Promìnlivá rychlost íøení ultrazvuku v atmosféøe je nejvìtí slabinou tohoto snímaèe. Ostatní vlivy jako tlak a vlhkost jsou èasto ignorovány, avak vliv teploty je nezbytné kompenzovat. Pro rychlost zvuku (m.s1) ve vzduchu za teploty t (°C) pøiblinì platí:
F = + ⋅ W
(24.1)
Pøesnìjí odhad poskytuje vzorec: F = κ ⋅ 5 ⋅7
(24.2)
Kde k je adiabatická konstanta (1,402 pro vzduch), R je plynová konstanta pro vzduch (287,05 J.kg1.K1) a T je termodynamická teplota (t + 273,15 K). Jeliko vliv teploty na rychlost íøení je znaèný (asi 0,6 m.s1.K1), provádí se bìnì kompenzace teploty vzduchu mìøením (napø. zabudovaným termistorem). Problém nastane pokud existuje teplotní gradient podél dráhy paprsku, nebo pokud je odliná teplota v místì mìøení a v pouzdru elektroniky (to nastane, napø. pokud na snímaè svítí slunce). Nìkteré ultrazvukové hladinomìry umoòují pøipojení externího teplomìru pro lepí kompenzaci.
372
S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝKY HLADINY
A
U nìkterých ultrazvukových senzorù je kompenzace zmìn rychlosti íøení øeena umístìním referenèního odraeèe ve známé vzdálenosti od senzoru. Odraeè poskytuje èásteèný odraz, který neblokuje funkci senzoru a protoe je ve známé vzdálenosti, lze z nìj urèit rychlost íøení.
24.2 Hladinové spínaèe Vìtina ultrazvukových hladinových spínaèù je kontaktní, avak vyrábìjí se také senzory mìøící skrz stìnu nádoby. Nìkteré spínaèe se podobají vibraèním spínaèùm, protoe mìøí útlum signálu z vibrující membrány nebo jiné souèásti podle kontaktu s materiálem.
24.2.1 Transmisní-absorpèní spínaèe Zastínìní paprsku V nejjednoduím pøípadì bude vysílaè a pøijímaè umístìn na stejné úrovni na opaèných stranách vnitøního objemu nádoby [24-6]. Pøijímaè zachycuje signál z vysílaèe pouze pokud mezi nimi není pohltivý materiál (práek, granulát apod.) viz obr. 24.3.
Obr. 24.3
Transmisní senzor pro sypké materiály
Zaplnìní mezery Provedení obvyklé pro detekci hladiny kapalin je na obr. 24.4. Uvnitø senzoru jsou dva piezokrystaly fungující jako vysílaè a pøijímaè. Pokud je mezera mezi nimi vyplnì-
Obr. 24.4
A
Transmisní senzor pro kapaliny
24 ULTRAZVUKOVÉ
HLADINOMÌRY
373
na nestlaèitelnou kapalinou (napø. vodou), signál je úèinnì pøenáen od vysílaèe k pøijímaèi. Pokud hladina klesne a v mezeøe je vzduch (plynná atmosféra), úèinnost pøenosu podstatnì poklesne (útlum vzroste) a pøijímaè nezachytí ádný signál. Pro kaovité látky je pouita konstrukce, kde vzdálenost mezi vysílaèem a pøijímaèem je vìtí a dovoluje steèení viskózního materiálu [24-7] viz obr. 24.5.
Obr. 24.5
Snímaè s rozíøenou vzdáleností mezi vysílaèem a pøijímaèem
24.2.2 Reflexní spínaèe Snímaè úrovnì kalu Snímaè je urèen k mìøení polohy rozhraní vodakal [24-8]. Pracuje podobnì jako hladinomìr se spoutìným závaím. Sonda na konci lana vysílá ultrazvuk a pøijímá echo odraené od reflektoru, jen je souèástí sondy. Pokud podíl pevných èástic ve vodì (a tím i útlum signálu) stoupne nad nastavenou úroveò, pøístroj zaznamená délku odvinutí lana viz obr. 24.6.
Obr. 24.6
374
Reflexní snímaè rozhraní vodakal
S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝKY HLADINY
A
