Аурикулярные и ультразвуковые диагностические приборы

Акустические уровнемеры

Принцип
действия акустических
(ультразвуковых)
уровнемеров основан на отражении
колебаний от границы раздела сред с
различным акустическим сопротивлением.
Обычно используется метод импульсной
локации границы раздела газ-жидкость
(или сыпучий материал) со стороны газа.
Уровень измеряется по времени
распространения ультразвуковых колебаний
от источника излучений до плоскости
(границы) раздела и обратно. (Достоинство
ультразвуковых уровнемеров в
нечувствительности к изменению свойств
измеряемой среды, большой температурный
диапазон, высокая на­дежность и
точность измерений). Ультразвуковые
средства измерения уровня являются
наиболее широко распространенными в
пищевой промышленности бесконтактными
устройствами, использующимися для
определения уровня жидкостей и сыпучих
материалов. Ультразвуковой преобразователь
устанавливается в верхней части танка
или силоса и генерирует ультразвуковые
колебания в направлении продукта На
этот же преобразователь поступает
отраженный от поверхности продукта
сигнал (эхо-сигнал). Временной интервал
между генерируемым и отраженным сигналами
– прямо пропорционален расстоянию от
преобразователя до поверхности продукта
D. Преобразователь, заранее запрограммированный
на расстояние до нулевой отметки Е и
измерительный диапазон F, может легко
рассчитать уровень заполнения силоса
L (рис. 2.11).

• т

  очность
  измерения не зависит от физических
  свойств анализируемого продукта
  (электропроводности, диэлектрической
  постоянной, вязкости, плотности и т.п.);

• бесконтактные
  средства измерения обычно не подвержены
  эррозии и не могут «засоряться»,
  «обволакиваться»;
• в
  последнее время созданы датчики,
  предназначенные для применения в
  высоких, узких, запыленных силосах;

Рис.2.11.
Принцип действия ультразвукового
уровнемера.

• нельзя
  применять в условиях вакуума;
• при
  высоких давлениях происходит ограничение
  механического хода мембраны. При
  абсолютном давлении выше 3 бар следует
  пользоваться СИ другого типа;
• нельзя
  применять при температурах выше 100 ºС;
• ультразвуковые
  колебания плохо распространяются в
  атмосфере углекислого газа. В емкостях
  для брожения уровнемеры этого типа не
  рекомендуется использовать;
• наличие
  пены на поверхности жидкости приводит
  с снижению уровня отраженного сигнала.

На
рис. 2.12. приведена рекомендуемая схема
установки датчика во избежание
погрешностей измерения.

Рис.
2.12. Схема установки датчика ультразвукового
уровнемера

Волновые уровнемеры

Используются
высокочастотные волновые методы
измерений. Уровень среды определяют по
интегральным характеристикам
электромагнитных систем с распределенными
параметрами.

Резонансные
уровнемеры.
При изменении электрических параметров
из мерительного преобразователя
изменяется его резонансная частота.
Электрические параметры зависят от
изменения уровня среды, в которую
помещаются преобразователи.

Эти
уровнемеры отличаются простой и надежной
конструкцией, выход­ная характеристика
– резонансная частота не зависит от
геометрических размеров чувствительного
элемента, можно измерять уровень сред
с любы­ми электрическими свойствами.

Радиолокационные
(микроволновые)
уровнемеры основаны на явлении отражения
электромагнитных волн от границы раздела
двух сред с различными скоростями их
распространения в этих средах. Эти
уровнемеры применяются там, где ди­апазон
измерения уровня велик, десятки и даже
сотни метров. В пищевой промышленности
широко не используются.

• скорость
  распространения микроволн не зависит
  ни от температуры, ни от давления и не
  изменяется даже в вакууме. Микроволновые
  уровнемеры способы выдерживать давление
  до 64 бар и температуры свыше 250 ºС;
• состав
  газа и наличие турбулентных потоков
  также не оказывает влияния на скорость
  распространения радиоволн. Даже в
  экстремальных условиях легко
  обеспечивается высокая точность
  измерений (обычно не более 10 мм на 10 000
  мм);
• важным
  преимуществом, по сравнению с
  ультразвуковыми уровнемерами, является
  то, что датчик может располагаться за
  специальным окном, изготовленным из
  материала с низкой диэлектрической
  постоянной. Таким образом, датчик
  оказывается изолированным от среды,
  содержащейся в резервуаре, что облегчает
  соблюдение санитарно-гигиенических
  норм;
• отраженный
  сигнал может поступать на датчик
  непосредственно после формирования
  измерительного сигнала, «слепая» зона
  отсутствует.

• применение
  микроволновых методов измерения может
  быть ограничено в случае поверхностей
  с плохими характеристиками отражения
  (пены или сыпучих материалов, состоящих
  из частиц с закругленными углами).
  Обычно радиоволны отражаются от толстого
  слоя проводящей пены и поглощаются
  непроводящей пеной;
• ультразвуковой
  метод измерения основан на измерении
  плотности на границе раздела «проводящая
  среда – анализируемая среда», а
  микроволновый – на измерении
  диэлектрической постоянной: чем выше
  диэлектрическая постоянная среды,
  уровень которой определяется, тем выше
  степень отражения.

Принцип
действия основан на использовании
зависимости интенсив­ности потока
ионизирующего излучения, падающего на
приемник (детектор) излучения, от
положения уровня измеряемой среды
(рис.2.13).

Следящий
радиоизотопный уровнемер основан на
поглощении гамма излучения контролируемым
материалом.

Слежение
за уровнем материала ocуществляется
автоматически путем синхронного
перемещения источника из­лучения и
приемника излучения, подвешенных на
тросах или гибких лентах в трубах,
помещенных в емкость. Следящая система
состоит из усилителя и электродвигателя
с редукторами. Точность слежения
составляет +
2-10 мм. Диапазон измерений от 0 до 20 м.
Такой уровнемер можно применить для
контроля уровня в закрытой емкости, в
условиях повышенного давле­ния
(например, емкости для хранения
виноматериалов).

Рис.
2.13. Структурная схема радиоизотопного
сигнализатора уровня

Сигнализатор
состоит из источника излучения 1,
детектора 3, усилителя 4 и сигнализирующего
устройства 5.Интенсивность ионизирующего
излучения от источника 1 к детектору 3
при прохождении через слой материала
в емкости 2 уменьшается вследствие
поглощения его материалом. В результате
на детекторе 3 возникает сигнал, который
усиливается усилителем 4 и подается в
измерительное устройство 5.

В
акустических и ультразвуковых уровнемерах
реализуется метод, основанный на
использовании эффекта отраже­ния
ультразвуковых колебаний от границы
раздела двух сред с раз­личными
акустическими сопротивлениями.

В
уровнемерах, называемых акустическими,
используется метод локаций уровня
жидкости через газовую среду. Достоинством
этого метода является то, что акустическая
энергия, посланная в объект для измерения
уровня жидкости, распространяется по
газовой среде. Это обеспечивает
универсальность по отношению к различ­ным
жидкостям, уровень которых необходимо
измерить, а также высокую надежность
первичных преобразователей, не
контактирую­щих с жидкостью.

В
уровнемерах, называемых ультразвуковыми,
используется метод, основанный на
отражении ультразвуковых колебаний от
границы раздела сред со стороны жидкости.

В
зависимости от используемого параметра
звуковой волны для измерения уровня
жидкости различают частотный, фазовый
и им­пульсный способы измерения
уровня, а также некоторые их комби­нации,
такие, как импульсно-частотный, и др.
Каждый из указан­ных способов, обладая
общим для акустического (ультразвукового)
метода измерения достоинствами, имеет
свои преимущества и недо­статки.

Акустические
уровнемеры широко применяют для
дистанцион­ного измерения уровня
жидкостей в различных объектах в
химиче­ской, бумажной, пищевой и других
отраслях промышленности. Уровнемеры
этого типа могут быть использованы для
измерения уровня различных жидкостей
(однородных и неоднородных, вяз­ких,
агрессивных, кристаллизующихся,
выпадающих в осадок), находящихся под
давлением до 40 кгс/см2
(4 МПа) и имеющих тем­пературу от 5 до
80° С. Акустические уровнемеры не могут
быть использованы для измерения уровня
жидкостей, находящихся под высоким
избыточным и вакуумметрическим давлением.
Если жид­кость, уровень которой
необходимо измерять, будет находиться
под вакуумметрическим давлением до 0,5
кгс/см2
(0,05 МПа), то акустические уровнемеры
могут быть использованы.

Ультразвуковые
уровнемеры могут быть использованы для
из­мерения уровня только однородных
жидкостей и широкого рас­пространения
в промышленности не получили. Однако
ультразву­ковые уровнемеры позволяют
измерять уровень однородных жид­костей,
находящихся под высоким избыточным
давлением.

В
акустическом уровнемере ЭХО-1 генератор
9
вырабатывает
электрические импульсы с определенной
частотой повторения, преобразуемые в
ультразвуковые при помощи акустического
преобра­зователя 1,
установленного
на крышке резервуара. Распростра­няясь
вдоль акустического тракта, ультразвуковые
импульсы отра­жаются от плоскости
границы раздела сред и попадают на тот
же преобразователь 1.

Рис.
19-6-1. Схема акустического уровнемера
ЭХО-1.

Ультразвуковой
уровнемер.
В ультразвуковом уровнемере используется
импульсный способ измерения уровня по
отражению ультразвуковых колебаний от
границы раздела сред со стороны жидкости.
Мерой уровня жидкости в этом случае
является также время прохождения
ультразвуковых колебаний от
пьезо­метрического преобразователя
(излучателя) до плоскости границы раздела
сред (жидкость — газ) и обратно до
приемника.

Предел
допускаемой основной погрешности
ультразвукового уровнемера не превышает
2,5% диапазона измерения уровня жид­кости,

Тема:
изучение принципа действия уровнемеров.

Цель:
изучить принцип действия уровнемеров.

Существует
несколько методов измерения уровня
жидкости, имеющих свои технологические
возможности, основанных на различных
физических принципах действия и
обладающих как рядом преимуществ, так
и недостатками. По принципу действия
уровнемеры для жидкостей разделяются
на механические, гидростатические,
электрические, акустические, радиоактивные.

В
настоящий момент существуют следующие
устройства для измерения уровня жидкости:

–
поплавковые, в которых для измерения
уровня используется поплавок или другое
тело, находящееся на поверхности
жидкости;

–
буйковые, в которых для измерения уровня
используется массивное тело (буёк),
частично погружаемое в жидкость;

–
гидростатические, основанные на измерении
гидростатического давления столба
жидкости;

–
электрические, в которых величины
электрических параметров зависят от
уровня жидкости;

–
ультразвуковые, основанные на принципе
отражения от поверхности звуковых волн;

–
радарные и волноводные, основанные на
принципе отражения поверхности сигнала
высокой частоты (СВЧ);

–
радиоизотопные, основанные на использовании
интенсивности потока ядерных излучений,
зависящих от уровня жидкости.

Помимо
классификации уровнемеров по принципу
действия, эти приборы делятся на:

–
приборы для непрерывного слежения за
уровнем (непрерывное измерение);

–
приборы для сигнализации о предельных
значениях уровня (дискретный контроль).

К
приборам непрерывного слежения относятся
— уровнемеры-указатели, преобразователи
уровня, указатели уровня жидкости.

К
приборам для сигнализации о предельных
значениях уровня относятся — сигнализаторы
уровня, реле уровня, переключатели
уровня, датчики предельного уровня.
Рассмотрим каждый вид уровнемеров на
предмет их принципа действия, области
применения и их достоинства и недостатки.

Простейший
уровнемер (визуальный) — водомерное
стекло, в котором использован принцип
сообщающихся сосудов, служит для
непосредственного наблюдения за уровнем
жидкости в закрытом сосуде. Указательное
стекло соединяют с сосудом нижним концом
(для открытых сосудов) или обоими концами
(для сосудов с избыточным давлением или
разрежением). Наблюдая за положением
уровня жидкости в стеклянной трубке,
можно судить об изменении уровня в
сосуде. Стёкла комплектуют вентилями
или кранами для отключения их от сосуда
и продувки системы.

Не
рекомендуется использовать указательные
стекла длиной более 0,5 м, поэтому при
контроле уровня, изменяющегося больше
чем на 0,5 м, устанавливают несколько
стекол таким образом, чтобы верх
предыдущего стекла перекрывал низ
последующего.

В
настоящее время водомерные стекла
используются на предприятиях, где
применяются паровые агрегаты (например
котельные, компрессорные, теплостанции
и другие).

Поплавковые
и буйковые уровнемеры

Поплавковые
и буйковые уровнемеры относятся к
механическим.

Поплавковые
— уровнемеры с чувствительным элементом
(поплавком), тогда измерение происходит
по оценке положения предмета на
поверхности жидкости относительно двух
точек измерений.

Буйковые
уровнемеры, принцип действия которых
основан на измерении выталкивающей
силы, действующей на буёк (закон Архимеда).
Перемещение поплавка или буйка через
механические связи или систему
дистанционной (электрической или
пневматической) передачи сообщается
измерительной системе прибора.

1
– поплавок, 2 – поплавковый гибкий трос,
3 – груз, 4 – шкала.

Рис. 2.
Поплавковые уровнемеры с плавающим
поплавком

Поплавковые
измерительные приборы делятся на
уравнемеры узкого и широкого диапазонов.

Поплавковые
уровнемеры узкого диапазона
представляют собой устройства, содержащие
шарообразный поплавок, выполненный из
нержавеющей стали, который плавает на
поверхности жидкости и через штангу и
специальное уплотнение соединяется
или со стрелкой измерительного прибора,
или с преобразователем угловых перемещений
в унифицированный электрический или
пневматический сигналы.

Поплавковые
уровнемеры широкого диапазона
представляют из себя поплавок, связанный
с противовесом гибким тросом, в нижней
части противовеса укреплена стрелка,
указывающая значения уровня жидкости
в резервуаре.

Важной
характерной особенностью поплавковых
уровнемеров, является высокое разрешение
прибора 0,1 мм и точность измерений — 1
мм.

Область
применения поплавкового метода измерения
уровня очень широка. Его нельзя применять
только в средах, образующих налипание,
а также -отложение осадка на поплавок.

Типичным
применением поплавковых уровнемеров
является измерение уровня топлива,
масел, легких нефтепродуктов в относительно
небольших емкостях и цистернах.
Поплавковый метод может с успехом
применяться в случае пенящихся жидкостей,
а для липких сред существуют вибрационные
поплавковые указатели уровня жидкости.

Вывод:
выполняя данную работу, я я ознакомилась
с принципом действия уровнемеров.

Измерение
уровня гидростатическими уровнемерами
основано на уравновешивании давления
столба жидкости в резервуаре давлением
столба жидкости, которая заполняет
измерительный прибор, или реакцией
пружинного механизма прибора.

Рис.
3. Уровнемер-манометр с трубчатой
пружиной

Измерение
гидростатического давления осуществляется:

датчиком
избыточного давления (манометром),
подключаемым на высоте, соответствующей
нижнему предельному значению уровня;

дифференциальным
манометром, подключаемым к резервуару
на высоте, соответствующей нижнему
предельному значению уровня, и к газовому
пространству над жидкостью;

измерением
давления газа (воздуха), прокачиваемого
по трубке, опущенной в заполняющую
резервуар жидкость на фиксированное
расстояние (пьезометрический метод).

Наиболее
широкое распространение получили
приборы измерения уровня с использованием
дифференциальных датчиков давления
(дифманометров). Эти схемы с успехом
применяются для измерения уровня
жидкости в технологических агрегатах,
находящихся под избыточным давлением.

По конструкции
гидростатические датчики делятся на
два типа: стационарные (мембранные) или
погружные (колокольные). В первом случае
датчик соединен с мембраной и прибор
устанавливается внизу емкости. В случае
погружного датчика чувствительный
элемент погружен в рабочую среду и
передает давление жидкости на сенсор
через столб воздуха запаянный в подводящей
трубке.

Типичное
применение гидростатических уровнеметров
— для однородных жидкостей в емкостях
без существенного движения рабочей
среды, а также ждя паст и вязких жидкостей.
С помощью дифференциальных датчиков
давления возможно также измерение
уровня жидкости в открытых резервуарах,
уровня раздела жидкостей.

К достоинствах
данных уровнемеров можно отнести
простоту конструкции и дешевизну. Однако
у гидрастатических указателей уровня
жидкости есть существенные недостатки
— относительно низкая (по сравнению с
другими методами) точность измерения
и ограниченность применения из-за того,
что монтаж устройства на дне резервуара
требует постоянной плотности среды.

В электрических
уровнемерах уровень жидкости преобразуется
в какой-либо электрический сигнал.
Электрические уравнемеры бывают
ёмкостные и кондуктометрические.

В ёмкостных
уровнемерах чувствительным элементом
служит преобразователь — конденсатор,
ёмкость которого меняется пропорционально
изменению уровня жидкости. Преобразователи
выполняют цилиндрического и пластинчатого
типов, а также в виде жесткого стержня.
При измерении уровня агрессивных, но
неэлектропроводных жидкостей обкладки
преобразователя выполняют из химически
стойких сплавов или покрывают тонкой
антикоррозионной пленкой. Покрытие
обкладок тонкими пленками применяют
также при измерении уровня электропроводных
жидкостей.

Действие
кондуктометрического (омического)
указателя уровня жидкости основано на
измерении сопротивления между электродами,
помещенными в измеряемую среду (одним
из электродов может быть стенка резервуара
или аппарата). Прибор представляет собой
электромагнитное реле, включаемое в
цепь между электродом и контролируемым
материалом.

Омические
уровнемеры используют для сигнализации
и поддержания в заданных пределах уровня
исключительно электропроводных жидкостей
в емкостях, бойлерах, контейнерах или
открытых каналах, а также для управления
насосами в дренажах, водных установках
и емкостях.

В
акустических, или ультразвуковых,
уровнемерах используется явление
отражения ультразвуковых колебаний от
плоскости раздела контролируемая среда
(жидкость) — газ. Эти приборы отличаются
по диапазонам измерения, версиями
датчика и имеют разные технологические
присоединения.

Прибор
состоит из электронного блока (ЭБ),
пьезоэлектрического излучателя
(преобразователя) и вторичного прибора.

Электронный
блок состоит из генератора, задающего
частоту повторения импульсов, генератора
импульсов, посылаемых в измеряемую
среду, приемного усилителя и измерителя
времени. Электрический импульс,
преобразованный в ультразвуковой в
излучателе, распространяется в газовой
среде, отражается от границы раздела
«жидкость — воздух» и возвращается
обратно, воздействуя спустя некоторое
время на тот же излучатель. Далее
преобразуется в электрический сигнал.
Оба импульса: и посланный и отраженный,
разделенные во времени, поступают на
усилитель.

Свойства
среды не влияют на точность измерения,
полученного ультразвуковым методом,
поэтому ультразвуковым уровнемером
может измеряться уровень агрессивных,
абразивных, вязких и клейких веществ.
Однако необходимо помнить, что на
скорость распространения ультразвука
оказывает влияние температура воздуха
в среде его работы. Скорость ультразвука
зависит и от состава воздуха и его
влажности.

К
несомненным преимуществам использования
акустических указателей уровня жидкости
относятся: безконтактность, возможность
использования в загрязненной среде, а
также в различного вида жидкостях,
отсутствие высоких требований к
износостойкости и прочности оборудования,
независимость от плотности жидкости.

Но
есть и недостатки, на которые стоит
обратить внимание: большое расхождение
конуса излучения, возможность возникновения
ошибок измерения при отражении от
нестационарных препятствий (например,
мешалок), может использоваться только
в резервуарах с нормальным атмосферным
давлением (что ограничевает область
применения), на сигнал оказывают влияние
пыль, пар, газовые смеси и пена, образующаяся
на поверхности.

На данный
момент есть множество самых различных
методов измерения уровня, дающих
возможность получать информацию как о
предельных, так и о текущих его значениях.
Однако не многие в могут быть реализованы
в промышленных системах. Некоторые из
реализованных методов являются
уникальными, и случаи их применения
можно пересчитать по пальцам, другие
гораздо более универсальны и потому
широко используются. Но есть и методы,
удачно сочетающие в себе и уникальность,
и универсальность. Именно к ним относится
микроволновый бесконтактный метод, в
просторечии именуемый радарным.

Радарный
уровнемер наиболее используемый в
современном производстве. Принцип
действия его основан на измерении
времени переотражения от поверхности
раздела газ — контролируемая среда
высокочастотных радиоволн.

Результатом
обработки является значение того или
иного параметра объекта: дальность,
скорость, направление движения или
других. В радарных уровнемерах применяются
СВЧ-сигналы с несущей частотой, лежащей
в диапазоне от 5,8 до 26 ГГц.

В настоящее
время в радарных системах контроля
уровня применяются в основном две
технологии: с непрерывным
частотно-модулированным излучением
(FMCW — frequency modulated continuous wave) и импульсным
излучением сигнала.

Технология
FMCW основана на реализации косвенного
метода измерения расстояния. Уровнемер
излучает микроволновый сигнал, частота
которого изменяется непрерывно по
линейному закону между двумя значениями.
Отраженный от поверхности жидкости,
сигнал принимается той же антенной и
анализируется с помощью программного
обеспечения. Его частота сравнивается
с частотой сигнала, излучаемого в данный
момент времени. Значение разности частот
прямо пропорционально расстоянию до
контролируемого объекта.

В радарах
же импульсного типа применяется метод
определения расстояния, основанный на
непосредственном измерении времени
прохождения СВЧ-импульса от излучателя
до поверхности жидкости и обратно. Время
прохождения сигналом расстояния в
несколько метров составляет единицы
наносекунд, поэтому получение точного
измерения настолько малых значений
требуют специальных методов обработки
сигнала. Для решения этой задачи
используется преобразование микроволнового
импульса в ультразвуковой сигнал. В
результате преобразования к обработке
сигналов радарного уровнемера легко
применяются схемы, которые используются
в акустических указателях уровня
жидкости.

При сравнении
характеристик двух типов микроволновых
указателей уровня, можно увидеть, что
радарные уровнемеры импульсного типа
обладают рядом преимуществ перед
устройствами, использующими технологию
FMCW: экономичность энергопотребления,
меньшая стоимость, более высокая
надежность (за счет меньшего количества
комплектующих).

Важнейшим
элементов радарного уровнемера, влияющим
на формирование сигнала, является размер
и тип антенны. От антенны зависит, какая
часть излучённого сигнала достигнет
поверхности контролируемой среды и
какая часть отражённого сигнала будет
принята и передана на электронный блок
для обработки. В микроволновых системах
контроля уровня используются антенны
пяти типов: рупорная (или коническая);
стержневая; трубчатая; параболическая;
планарная.

Стержневая
антенна также широко применима. Радарные
уровнемеры с этим видом антенны
используются в небольших емкостях:
агрессивными средами, химическими
веществами, гигиеническими продуктами.
Стержневая антенна применима и в случае,
когда доступ в емкость ограничен малыми
размерами патрубка. Антенны покрыта
слоем защитной изоляции, производит
измерения на расстояниях до 20 м.

Трубчатая
антенна — это надстроенный удлиненный
волновод, из-за этого она позволяет
выпускать наиболее сильный сигнал за
счет снижения рассеивания. Такие антенны
применяют в тех случаях, когда проведение
измерения посредством рупорной или
стержневой антенны связано с большими
трудностями или попросту невозможно
(наличин пены, сильного испарения или
высокой турбулентности жидкости).

В системах
коммерческого учета применяются антенны
параболического и планарного типов,
так как они обеспечивают особо высокую
точность измерений.

На сегодняшний
день радарные уровнемеры являются
самыми универсальными, так как их
эксплуатация обеспечивает минимальный
контакт измерительного устройства с
контролируемой средой, они могут работают
вне зависимости от изменений температуры
и давления (причем радарные указатели
уровня жидкости применимы в таких
условиях, в каких невозможно использование
других методов).

Радарные
уровнемеры имеют большую устойчивость
к таким факторам как запыленность,
испарения с контролируемой поверхности,
пенообразование, обладают высочайшей
точностью. Однако недостатком радарного
метода является дороговизна таких
приборов.

Волноводные
уровнемеры применяются в малых и узких
резервуарах, поскольку радиоимпульсы
направляются по зонду, а не свободно
распространяются в пространстве
резервуара. В случае необходимости
съемная голова датчика позволяет
заменять модуль электроники, не нарушая
герметичности резервуара, что может
быть важно при измерении уровня сжиженных
газов и аммиака.

Волноводный
уровнемер состоит из следующих основных
элементов: корпус, электронный модуль,
фланцевое или резьбовое соединение с
резервуаром и зонд. Корпус уровнемера,
состоящий из двух независимых отсеков
(отсек электроники и клеммный отсек для
подключения кабелей), может быть снят
с зонда, при этом, что немаловажно,
открывать резервуар не нужно. Кроме
того, корпус такой конструкции повышает
надежность и безопасность уровнемера
при эксплуатации в опасных производствах.
Электронный модуль излучает электромагнитные
импульсы, которые распространяются по
зонду, выполняет обработку отраженного
(принятого) сигнала и выдает информацию
в виде аналогового или цифрового сигнала
на встроенный жидкокристаллический
индикатор или в систему измерения.

В зависимости
от условий процесса производства и
свойств среды, подлежащей измерению,
используется один из пяти типов зондов:
коаксиальный, жесткий двухстержневой,
жесткий одностержневой, гибкий
двухпроводный и гибкий однопроводный.

Коаксиальный
зонд применяется, когда необходимо
измерение уровня внешней поверхности
и уровня раздела двух жидкостей, например,
растворителей, спиртов, водных растворов,
сжиженных газов и жидкого аммиака. Этот
зонд обеспечивает самое высокое отношение
сигнал/шум. Рекомендуется для измерения
уровня жидкостей с низкой диэлектрической
проницаемостью, в условиях турбулентности,
в в условиях возникновения пены или
потоков жидкости или пара вблизи зонда,
так как оболочка коаксиального зонда
работает как успокоительный колодец.

Двухстержневой
жесткий или двухпроводной гибкий зонды
рекомендуются для измерении уровня
жидкостей (нефтепродукты, растворители,
водные растворы и т.п.). Возможно применение
для измерения уровня и раздела жидких
сред. Могут применяться с более вязкими
жидкостями, чем рекомендовано для
коаксиального зонда. Однако не стоит
применять его при наличии липких сред.

Одностержневой
жесткий или однопроводной гибкий зонды
менее восприимчивы к налипанию среды
и образованию наростов. Они могут
применяться для вязких жидкостей,
взвесей, водных растворов и алкогольных
напитков, а также использоваться в
фармацевтической промышленности.
Применяются для измерения уровня вязких
жидкостей, например, сиропа, меда и т.п.,
а также водных растворов.

Уровнемеры
с радиоизотопными излучателями делятся
на две группы:

со следящей
системой, для непрерывного измерения
уровня;

сигнализаторы
(индикаторы) отклонения уровня от
заданного значения.

Принцип
действия таких устройств основан на
степени поглощения проходящего через
вещество в резервуаре гамма-лучей,
проходящих выше или ниже уровня раздела
двух сред разной плотности. Приемник и
излучатель радиационного излучения
перемещаются по всей высоте емкости на
специальных лентах с помощью реверсивного
электромотора. Комплект прибора состоит
из трех блоков: преобразователя,
содержащего источник и приемник
излучения; электронного блока;
показывающего прибора.

Использование
приборов с радиоизотопными излучателями
целесообразно там, где другие методы
измерения непригодны, так как этот метод
радиационно опасен и требует дополнительных
средств безопасности для персонала.

Как мы
видим, при выборе уровнемера необходимо
учитывать такие физические и химические
свойства контролируемой среды, как
температура, абразивные свойства,
вязкость, электрическая проводимость,
химическая агрессивность и т.д. Кроме
того, следует принимать во внимание
рабочие условия в резервуаре или около
него: давление, вакуум, нагревание,
охлаждение, способ заполнения или
опорожнения (пневматический или
механический), наличие мешалки,
огнеопасность, взрывоопасность,
пенообразование и прочие другие.

Для каждой
промышленной отрасли существуют свои
методы и приборы. Ознакомившись с
устройством и условиями эксплуатации
различных уравнемеров, можно делать
выбор в пользу того или иного метода
измерения уровня жидкости. Также стоит
учитывать надежность, качество и
стоимость приборов.

Существуют
разнообразные методы измерения уровня
– контактные и бесконтактные.

Уровнемеры
с контактными методами измерения уровня:

— волноводный
(стержневой) уровнемер;

Уровнемеры
с бесконтактными методами измерения
уровня:

— уровнемеры,
зондирующие звуком;

— уровнемеры,
зондирующие электромагнитным излучением;

— уровнемеры,
зондирование радиационным излучением.

Стержневой
уровнемер использует микроимпульсный
метод измерения уровня. Стержневой
уровнемер – это надежное решение для
непрерывного измерения даже в условиях
турбулентности и наличия пены на
поверхности продукта. Особенность
конструкции стержневого уровнемера
такова, что на точность измерения не
влияют влажность среды, пыль, давление
пара, плотность, температура, проводимость
продукта и внутренние конструкции
резервуара. В зависимости от модели
стержневого уровнемера и исполнения
возможно измерение общего и межфазного
уровня.

Стержневой
микроимпульсный уровнемер работает с
высокочастотными электромагнитными
импульсами, проходящими по всей длине
измерительного зонда. Как только импульс
достигает поверхности продукта,
изменяется волновое сопротивление и
часть энергии импульса отражается.
Время между излучением и получением
отраженного импульса измеряется и
анализируется прибором, и на его основе
вычисляется прямое значение уровня от
присоединения к процессу до поверхности
продукта.

Датчики уровня

Принцип действия основан на замыкании поплавком контактов, расположенных на различных уровнях направляющего стержня.
В магнитных поплавковых уровнемерах используются герконы, а в механических – микровыключатели.

Преимущества

• просто
• дёшево.

Недостатки

• контактный метод, при выборе поплавка необходимо учитывать: химическую совместимость со средой, плавучесть,
  вязкость, плотность и температуру
• не подходит для измерения уровня очень вязкой жидкости, шлама
• а также жидкости, которая прилипает к поплавку и стержню
• или содержит металлические кусочки, которые могут вызвать ложные срабатывания магнитных выключателей.

Магнитострикционные уровнемеры

Это поплавковые уровнемеры непрерывного действия, в которых используются магнитострикционный эффект.
Поплавок с постоянным магнитом внутри перемещается вдоль направляющего стержня, в котором натянута проволока
из магнитострикционного материала (волновод). В волновод подаются токовые импульсы.
В месте расположения магнита (поплавка) при взаимодействии магнитного поля с током, возникают импульсы
продольной деформации, которые регистрируются пьезоэлементом вверху стержня. Время прохождения импульса
пропорционально расстоянию до поверхности.

Буйковые уровнемеры

На частично погружённый в жидкость буёк действует выталкивающая сила Архимеда, пропорциональная глубине погружения.

Ультразвуковые уровнемеры (Ultrasonic)

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров основан на измерении времени распространения звуковой
волны высокой частоты (20-200 кГц) от антенны уровнемера до поверхности жидкости и обратно.

Ультразвуковые уровнемеры подходят для измерения уровня вязких жидкостей и сыпучих материалов.

• звуковой сигнал не может распространяться в вакууме
• на показания оказывают влияние: температура, влажность, давление, турбулентность, пена, пар, изменение
  концентрации жидкости.

Микроволновые радарные уровнемеры (Radar)

Принцип действия радарных уровнемеров основан на измерении времени распространения электромагнитной
волны (радиоволны) сверхвысокой частоты (1-30 ГГц) от антенны уровнемера до поверхности жидкости и обратно.

Радары подходят для использования во влажной, туманной и пыльной среде, а также при переменной температуре.

Импульсный метод – измерение времени прохождения импульса до поверхности и обратно – очень сложно реализовать,
т.к. это время измеряется в наносекундах.

Более распространён способ непрерывного линейного частотного модулирования радиосигнала –
FMCW (Frequency Modulated Continuous-Wave). При этом способе излученный и
отражённый сигналы смешиваются, и образуется сигнал, частота которого равна разности частот этих сигналов.
Эта разность пропорциональна расстоянию от антенны до поверхности.

• электромагнитные волны поглощаются (не отражаются) диэлектриками (пластмасса, стекло, бумага и т.д.)
• высокая цена (чем выше частота, тем точнее измерения и тем дороже).

Гидростатическое измерение уровня

Используется зависимость давления столба жидкости от уровня. Давление столба жидкости измеряется с помощью
дифференциальных датчиков давления – один датчик измеряет давление на дне резервуара, а другой –
давление над поверхностью жидкости.

Емкостные уровнемеры (Capacitance)

В резервуар опускается конденсатор, представляющий собой длинную трубку с металлическим стержнем внутри.
Вместе с резервуаром заполняется и трубка – из-за разной диэлектрической проницаемости жидкости и воздуха
ёмкость конденсатора изменяется пропорционально уровню.

В качестве опорного электрода (внешних обкладок конденсатора) могут использоваться стенки резервуара.

Кондуктометрические сигнализаторы уровня

Используются для контроля уровня в проводящих жидкостях. В резервуар опускается пара электродов,
и как только уровень повышается так, что электроды оказываются погружёнными в жидкость – уменьшается
сопротивление между электродами и срабатывает выключатель. Для контроля нескольких уровней используются
несколько пар электродов разной длины.

Вибрационные сигнализаторы уровня (Vibrating Switch)

Применяются для сигнализации уровня жидких и сыпучих веществ.
Используется эффект камертона – в резонаторе, имеющем форму вилки, пьезоэлектрическим способом возбуждаются
механические резонансные колебания, которые затухают и гасятся при погружении резонатора в сыпучее вещество.

Как выбрать

• Измеряемая среда (жидкость, шлам, ил, сыпучее и т.п.)
• Диапазон рабочих температур измеряемой среды
• Давление измеряемой среды
• Электрическая проводимость
• Плотность
• Вязкость
• Диэлектрическая проницаемость
• Прилипает к зонду
• Содержит металлические включения
• Есть пена на поверхности.

Окружающая среда

• Температура окружающей среды
• Влажность
• Наличие агрессивных сред
• Взрывоопасная зона.

Технология

Принцип действия акустических (ультразвуковых) уровнемеров основан на отражении колебаний от границы раздела сред с различным акустическим сопротивлением. Обычно используется метод импульсной локации границы раздела газ-жидкость (или сыпучий материал) со стороны газа. Уровень измеряется по времени распространения ультразвуковых колебаний от источника излучений до плоскости (границы) раздела и обратно. (Достоинство ультразвуковых уровнемеров в нечувствительности к изменению свойств измеряемой среды, большой температурный диапазон, высокая на­дежность и точность измерений). Ультразвуковые средства измерения уровня являются наиболее широко распространенными в пищевой промышленности бесконтактными устройствами, использующимися для определения уровня жидкостей и сыпучих материалов. Ультразвуковой преобразователь устанавливается в верхней части танка или силоса и генерирует ультразвуковые колебания в направлении продукта На этот же преобразователь поступает отраженный от поверхности продукта сигнал (эхо-сигнал). Временной интервал между генерируемым и отраженным сигналами – прямо пропорционален расстоянию от преобразователя до поверхности продукта D. Преобразователь, заранее запрограммированный на расстояние до нулевой отметки Е и измерительный диапазон F, может легко рассчитать уровень заполнения силоса L (рис. 2.11).

точность измерения не зависит от физических свойств анализируемого продукта (электропроводности, диэлектрической постоянной, вязкости, плотности и т.п.);

– бесконтактные средства измерения обычно не подвержены эррозии и не могут «засоряться», «обволакиваться»;

– в последнее время созданы датчики, предназначенные для применения в высоких, узких, запыленных силосах;

Рис.2.11. Принцип действия ультразвукового уровнемера.

– для анализа эхо-сигнала все шире используются микропроцессорные системы и элементы нечеткой логики, вследствие чего ультразвуковые уровнемеры применяются в качестве легко устанавливаемых приборов, имеющих низкую стоимость.

– нельзя применять в условиях вакуума;

– при высоких давлениях происходит ограничение механического хода мембраны. При абсолютном давлении выше 3 бар следует пользоваться СИ другого типа;

– нельзя применять при температурах выше 100 ºС;

– ультразвуковые колебания плохо распространяются в атмосфере углекислого газа. В емкостях для брожения уровнемеры этого типа не рекомендуется использовать;

– наличие пены на поверхности жидкости приводит с снижению уровня отраженного сигнала.

На рис. 2.12. приведена рекомендуемая схема установки датчика во избежание погрешностей измерения.

Делятся на 3 группы:

1.Принцип ультразвуковой локации (и уровнемер и сигнализатор).

Строятся уровнемер двух модификаций, на прохождение ультразвука по жидкости (устанавливается на дне). Недостаток: Толька для контроля уровня чистой жидкости, если жидкость содержит твердые, газообразные частицы, то ультразвук рассеивается и гасится.

Чаще всего применяют с ультразвуковой локации по воздуху (над уровнем жидкости).Недостаток: ограниченный диапазон измерения (до 5 метров) т.к. ультразвуковыеколебания в воздухе рассеиваются (воздух изолятор).

2. Сигнализация уровня на принципе «прохождения».

Цельносварная конструкция с сигнальным зазором между излучателем и приемником. Излучатель и приемник включены в схему автогенератора по кольцевой схеме (чаще всего), (один на вход другой на выход).

Недостаток: наличие ложных срабатываний при появление в жидкости пузырьков воздуха.

Для повышения надежности в сигнальный зазор помещают специальный волновод пластину в которую укладывают целое число полуволн.

3. Сигнализатор уровня на принципе демпфирования.

Выполнен на основе пьезоэлектрического преобразователя с изменяющемся импедансом акустической среды (R=ρ/c).

Акустическая среда контролируемая жидкость(наличие, отсутствие). Простейшие ультразвуковые сигнализаторы, выполнены в виде трубы с заваренным рабочим концом, к внутренней стороне торца приклеен пьеза элемент (пьезоэлектрический трансформатор). Когда торец трубопровода находится в воздухе, пьезотрансформатор имеет высокую добротность, при этом происходят колебания автогенератора в частотозадающую цепь которого включен пьезотрансформатор. При касание торца трубы жидкости происходит переход энергии ультразвуковых колебаний в жидкость т.е происходит демпфирование ультразвукового преобразователя, амплитуда его колебаний резко снижается, при этом срываются колебания автогенератора, при отсутствие контакта с жидкостью автогенератор снова продолжает колебаться.

2-ой вариант: сигнализатор содержит два пьезоэлемента приклеенных к внутренней поверхности торца, один из них подключен к генератору колебаний, другой измерительному преобразователю. При контакте торца с жидкостью происходит демпфирование колебаний и резкое уменьшение выходного сигнала

Принцип действия ультразвуковых уровнемеров основан на принципе локации (рис. 49а). В соответствии с этим принципом измерение уровня осуществляют по времени прохождения ультразвуковыми колебаниями расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения. Локация границы раздела двух сред осуществляется либо со стороны газа, либо со стороны рабочей среды (жидкости или сыпучего материала).

Рис.49а. Принцип работы ультразвукового уровнемера.

Схема и внешний вид ультразвукового уровнемера показаны на рис.49б.

Функции источника и приемника ультразвуковых колебаний

выполняет пьезоэлемент. Генератор с определенной частотой вырабатывает электрические импульсы 20кГц, которые преобразуются пьезоэлементом в ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания распространяются вдоль акустического тракта, отражаются от поверхности среды и воспринимаются тем же пьезоэлементом.

Уровень h вещества определяется из выражения:

где C – скорость распространения ультразвука в данной среде,

t – время прохождения ультразвуком расстояния от излучателя до границы раздела двух сред и обратно до приемника излучения.

Рис.49б. Ультразвуковой уровнемер.

Преимуществом ультразвуковых уровнемеров является независимость их показаний от физико-химических свойств и состава рабочей среды. Это позволяет использовать их для измерения уровня агрессивных, абразивных клейких, вязких, неоднородных, кристаллизирующихся и выпадающих в осадок жидкостей. К недостаткам следует отнести влияние на показания уровнемеров температуры, давления и состава газа.

Универсалы среди всех датчиков

Ультразвуковые датчики используются всякий раз, когда оптические системы достигают своих пределов.

Эти датчики работают с частично и полностью прозрачными или чрезвычайно темными объектами так же легко, как и с объектами с отражающими поверхностями в пыльной, парообразной или влажной среде.

Принцип работы ультразвуковых датчиков жидкости

Ультразвуковые датчики находят свое применение в самых разных сферах производства. По большому счету это универсальное решение задач автоматизации технологических процессов. Эти датчики используются для определения местонахождения и удаленности различных объектов.

Есть несколько видов ультразвуковых датчиков. Они применимы для определения уровня жидкости (например, расхода топлива на транспорте), обнаружения этикеток, в том числе и прозрачных, контроля передвижения объекта, измерения расстояния и т. д.

Работает прибор по принципу измерения времени прохождения звукового сигнала до объекта и обратно к датчику. Состоит он из трех основных блоков — генератора сигнала, устройства приема и микроконтроллера, рассчитывающего время возвращения волны, из чего и формируются данные о дистанции.

Датчики ультразвукового типа являются экономичными устройствами, которые могут быть применены для выполнения большого диапазона задач. Среди наиболее распространенных сфер применения можно выделить:

• Отслеживание уровня жидкости (как правило, воды) в непрерывном режиме, там, где необходим постоянный мониторинг (промышленные емкости, вместительные резервуары и т.д.);
• Использование в качестве датчика, срабатывающего на достижение определенного уровня жидкости в емкости (сигнализация);
• Реализация функционала по контролю качества, в сфере учета продукции в АПК, сельском хозяйстве, а также в розничной торговле (например, при раздаче топлива на автозаправках).

Достоинства и недостатки ультразвуковых датчиков

Наибольшими преимуществами ультразвуковых датчиков являются:

• расширенная область применения, по причине универсальности типовых устройств;
• могут применяться для жидкостей с различными физико-химическими свойствами;
• небольшие габаритные размеры и устойчивость к воздействию агрессивных факторов сред;
• невысокая стоимость.

Некоторыми несущественными ограничениями являются:

• могут работать только с жидкими средами, но не подходят для газообразных и мелкодисперсных материалов;
• подвержены негативным воздействиям со стороны внешней среды.

Последний пункт не является сильным ограничивающим фактором, поскольку его можно полностью нивелировать, с помощью правильной установки и корректного выбора местоположения датчика. Кроме этого, можно использовать сенсоры, которые работаю по другому принципу работы – волноводных или гидростатических.

Ультразвуковой датчик расстояния

Ультразвуковой датчик применяется для обнаружения и определения расстояния до объекта, а также для контроля их движения. Передатчик излучает звуковые колебания, частота которых превышает 20 кГц. Они в виде волн «прошивают» пространство, и, встречаясь с твердыми предметами, отражаются от них и попадают в приемник датчика. Электронная схема подсчитывает расстояние до объекта согласно следующей формуле:

где R – искомое расстояние, t – промежуток времени между отправкой и приемом ультразвуковой волны, V – скорость звука.

Результат произведения делится на два, так как излучение проходит путь сначала от датчика к объекту, затем обратно. Что касается скорости звука, она зависит от свойств среды, например, в воздухе она составляет 331 м/сек, а в воде – 1 430 м/сек.

Ультразвуковой датчик определяет расстояние до объектов, расположенных на удалении не более 8 метров от излучателя. Чем более твердой и ровной будет поверхность предмета, тем лучше от нее отражаются волны.

Строение датчика

В конструкции современных датчиков используются следующие типы излучателей:

• магнитострикционные – ультразвуковые колебания формируются за счет быстрого изменения размеров ферромагнетника, размещенного в переменном магнитном поле. Его плюсы: долгий срок службы (ресурс не меньше 10 тысяч часов) и высокий КПД, достигающий 80%. Есть и минусы в виде достаточно сложного устройства и быстрого нагрева, из-за чего нужно водяное охлаждение.
• пьезоэлектрические – гораздо проще в строении, если сравнивать с предыдущим видом, так как волны формируются в процессе быстрого изменения размеров мембраны в переменном электрическом поле. Сама мембрана изготовлена из диэлектрического материала. Также такие передатчики отличаются компактностью, небольшим весом и возможностью излучение ультразвука разной частоты. Существенный минус один – достаточно низкая мощность.

Приемник

В большинстве датчиков стоят пьезоэлектрические излучатели. Приемник работает благодаря аналогичному эффекту, который действует в обратном направлении. Когда мембрана начинает колебаться под влиянием отраженного ультразвука, в окружающем ее поле появляется ток.

Классификация датчиков по конструкции

• Одна головка. Передатчик и приемник – это один и то же элемент. Сперва мембрана генерирует ультразвуковое излучение, затем принимает отраженные волны и образует сигнал, который считывается электрической схемой. Устройства с одной головкой более компактные и простые. Есть существенный недостаток: наличие «мертвого» времени, срока, в течение которого затухают колебания в мембране после излучения ультразвука. Этой проблемы можно частично избежать при правильной настройке, но устранить нельзя.
• Две головки. В таком варианте излучатель и приемник располагаются по отдельности. Это исключает образование слепой зоны, и датчик исправно работает независимо от расстояния до объекта. Однако появляется потребность в тонкой настройке частоты, на которой работают оба компонента, для более точного подсчета расстояния.

Независимо от строения ультразвуковые датчики отлично подходят для обнаружения объектов и определения расстояния до них, расчета уровня жидкостей и сыпучих газов. Они способны выполнять эти задачи даже в полной темноте независимо от температуры и влажности воздуха, его задымленности и степени загрязнения пылью. Ложные срабатывания не происходят, так как приемник не реагирует на слышимый человеком звук, но может быть настроен на нужную частоту.

Области применения

В этой сфере ультразвуковыми датчиками расстояния решается проблема позиционирования робота в окружающем его пространстве. Датчик выступает в качестве глаз, помогает технике избегать столкновений с объектами. Кроме этого, ультразвуковые системы ориентации в пространстве имеют ряд плюсов:

• низкая цена и наличие комплектующих в свободной продаже;
• простая и надежная конструкция, собрать ее можно самому;
• легкая интеграция в схему робота без необходимости ее замены;
• универсальность – датчик можно встроить в любую технику;
• высокая точность работы независимо от условий внешней среды;
• безопасность излучения для человека и окружающей среды.

Ультразвуковые датчики используются в конструкции как наземных, так и подводных роботов. Ввиду того, что ультразвук отлично проходит сквозь воду, дым, влажный и запыленный воздух, для применения этих устройств нет никаких ограничений. Подводные роботы комплектуются не пьезоэлектрическими, а магнитострикционными излучателями – их акустическая мощность выше.

Другие сферы

Робототехника – далеко не единственная отрасль, в которой нашлось применение ультразвуковым датчикам расстояния. Они не менее широко используются для выполнения перечисленных задач:

• Определение расхода жидкостей, транспортируемых по трубопроводу. Устройство испускает ультразвуковое излучение и сравнивает скорость колебаний в направлении потока и против него. Примечательно, что для этой задачи необязательно устанавливать сенсор внутрь трубопровода. Достаточно разместить его с внешней стороны конструкции.
• Измерение уровня сыпучих и жидких материалов в емкости. Датчик испускает излучение в исследуемый материал и оценивает время, необходимое ультразвуку на отражение от границы разделения газа с жидким или сыпучим веществом. Как только затрачиваемое на это время изменяется в большую или меньшую сторону, срабатывает предупреждение.
• Отслеживание физических и химических характеристик различных веществ. Для этого измеряется скорость прохождения ультразвука через исследуемое вещество. Далее полученное значение сравнивается с эталоном для конкретной среды, на основе чего принимается решение о наличии либо отсутствии процессов изменения ее структуры.
• Медицина. Например, для проведения диагностики в рамках УЗИ. Принцип прост: в разных тканях человеческого организма ультразвук движется с разной скоростью. Отраженные от органов волны попадают на приемник, после чего интерпретируются и визуализируются на мониторе.
• Пожарная безопасность. Для этой цели используются чувствительные сенсоры, которые реагируют не на твердые объекты, а на движущийся воздух, разогретый огнем от пожара.
• Охранная система. Работает датчики по одному из принципов:

  Работает в режиме обнаружения. Как только в поле его действия появляется объект, запускается охранный алгоритм. Это может быть включение сигнализации, вызов охраны.
  Сенсор работает в паре с удаленным приемником. Излучение испускается передатчиком и попадает на приемник на некотором расстоянии. Как только через этот «луч» ультразвука проходит объект, сигнал прерывается, после чего срабатывает охранная сигнализация.

• Работает в режиме обнаружения. Как только в поле его действия появляется объект, запускается охранный алгоритм. Это может быть включение сигнализации, вызов охраны.
• Сенсор работает в паре с удаленным приемником. Излучение испускается передатчиком и попадает на приемник на некотором расстоянии. Как только через этот «луч» ультразвука проходит объект, сигнал прерывается, после чего срабатывает охранная сигнализация.