Ultrazvočni senzor nivoja, znan tudi kot ultrazvočni merilnik nivoja tekočine, je brez{0}}kontaktni merilnik nivoja. Odlikujejo jih visoka natančnost, enostavna namestitev in minimalno vzdrževanje. Običajno se uporabljajo za merjenje nivojev tekočin v različnih posodah, pa tudi nivojev vode v kanalih, bazenih, rezervoarjih, rekah, jezerih in morjih, lahko pa merijo tudi nivoje vmesnikov in razlike v nivojih. Še posebej so primerni za odpadne vode in korozivna okolja. Če se uporabljajo v povezavi z rezervoarji in jezovi za oblikovanje merilnikov pretoka odprtega kanala, lahko merijo tudi pretok. Zato se vse pogosteje uporabljajo v številnih panogah in na področjih, kot so jeklarska, petrokemična, čiščenje vode in varčevanje z vodo.
Princip merjenja ultrazvočnega senzorja nivoja
Ultrazvočni merilnik nivoja, nameščen na zgornjem delu posode, pod nadzorom elektronske enote oddaja žarek ultrazvočnih impulzov proti merjenemu objektu. Zvočne valove odbija površina predmeta, del odbitega odmeva pa sprejme sonda in ga pretvori v električni signal. Čas od emisije ultrazvočnega valovanja do njegovega sprejema je sorazmeren z razdaljo med sondo in predmetom, ki ga merimo. Elektronska enota zazna ta čas in na podlagi znane hitrosti zvoka izračuna izmerjeno razdaljo. Razdalja od sonde do dna rezervoarja minus razdalja od sonde do nivoja tekočine je enaka dejanskemu nivoju tekočine ali višini nivoja. To se uporablja za pretvorbo višine nivoja tekočine v tokovni signal 4~20 mA ali napetostni signal 1~5 V za izhod. Alternativno se lahko posreduje v nadzorni center prek komunikacije RS485, HART ali GPRS. Ker temperatura pomembno vpliva na hitrost zvoka, mora instrument meriti temperaturo okolja, da popravi hitrost zvoka.
Prednosti in slabosti ultrazvočnih merilnikov nivoja
Ultrazvočni nivojski senzorji imajo v primerjavi z drugimi vrstami nivojskih merilnikov naslednje prednosti:
(1) Brez{1}}brezkontaktno merjenje: ultrazvočni pretvornik je nameščen nad površino tekočine in ni v stiku z merjenim medijem. To omogoča priročno merjenje jedkih, viskoznih ali strupenih tekočin, s čimer se izognete koroziji ali kontaminaciji z izmerjeno tekočino in odpravite zahteve po vzdrževanju.
(2) Dobra vsestranskost: Merilnik nivoja lahko meri nivo tekočine v odprtih kanalih kot tudi v velikih rezervoarjih za shranjevanje.
Enostavna namestitev in demontaža.
(3) Močna prilagodljivost: Ima široko paleto aplikacij in nanj ne vplivajo gostota, dielektrična konstanta ali prevodnost medija. Je zelo prilagodljiv fizikalno-kemijskim lastnostim merjene tekočine. (4) Primerno za merjenje nivoja strupenih, jedkih in visoko{4}}viskoznih tekočin, s čimer odpravlja pomanjkljivosti drugih merilnikov nivoja v tako težkih merilnih okoljih.
(5) Skoraj brez gibljivih mehanskih delov, brez obrabe, dolga življenjska doba in majhna teža. Piezoelektrični element znotraj pretvornika vibrira na akustičnih frekvencah z majhno amplitudo, dolgo življenjsko dobo in dobro stabilnostjo.
Slabosti vključujejo predvsem: kadar je merjena tekočina hlapljiva, lahko neenakomerna gostota zraka nad površino tekočine povzroči večje napake pri meritvah; kadar ima izmerjena površina tekočine velike valove, lahko zlahka povzroči kaotične odboje zvočnih valov, kar povzroči napake. Poleg tega imajo ultrazvočni merilniki nivoja neizogibna slepa območja pri merjenju ravni tekočin, kar otežuje meritve-na kratke razdalje.
Razlika med ultrazvočnimi merilniki nivoja-vgrajenega in razdeljenega tipa
Integrirani ultrazvočni merilniki nivoja združujejo ultrazvočno sondo, enoto za obdelavo signalov, zaslon itd. v eno napravo. Vse merilne in krmilne funkcije se izvajajo v istem ohišju.
Enostavna namestitev: Zaradi svoje kompaktne strukture je treba med namestitvijo pritrditi samo eno napravo, kar odpravlja zapletene postopke ožičenja in namestitve. Obsežna funkcionalnost: Primerno za težka industrijska okolja z zaščitnimi ocenami do IP66/IP67. Na voljo je več modelov, kot so tipi,-odporni na korozijo in-eksplozije.
Poenostavljena kalibracija: Integrirana zasnova poenostavlja in poenostavlja postopek kalibracije, ki običajno zahteva kalibracijo celotnega sistema in ne več ločenih komponent.
Integrirani ultrazvočni merilniki nivoja se pogosto uporabljajo v skladiščnih rezervoarjih, industrijskih čistilnih vodah, kemičnih reakcijskih posodah in plitvih vodnih bazenih.
Ultrazvočni merilniki nivoja-tipa: ultrazvočni merilniki nivoja-razdelnega tipa so sestavljeni iz ločene sonde in enote za obdelavo signala. Sonda je nameščena na merilni točki, medtem ko je enota za obdelavo signalov lahko nameščena v nadzorni sobi ali na drugem priročnem mestu stran od merilne točke. Oba sta povezana s kablom.
Močna zmožnost proti -motenju: če sta sonda in enota za obdelavo signala ločeni, je enoto za obdelavo signala mogoče držati stran od območij z visoko temperaturo, visokim tlakom ali močnimi elektromagnetnimi motnjami, s čimer se izboljšata natančnost in zanesljivost meritev.
Enostavno upravljanje: Enota za obdelavo signalov ima običajno večji zaslon in več operacijskih vmesnikov, kar operaterjem olajša prilagajanje in spremljanje.
Visoka prilagodljivost: deljena zasnova omogoča prilagajanje težkim merilnim okoljem, kot so visoka-temperatura, jedki plini ali tekoča okolja. Sonda je lahko izdelana iz posebnih materialov, ki vzdržijo te pogoje.
Ultrazvočni nivo-nivomeri razdeljenega tipa so primerni za merjenje nivoja v velikih skladiščnih rezervoarjih, zapletenih procesih in visoko{1}}temperaturnih ali zelo korozivnih okoljih. Še posebej so primerni za aplikacije, ki zahtevajo daljinsko upravljanje ali zaščito pred motnjami iz okolja.
Ključne tehnične specifikacije ultrazvočnih merilnikov nivoja
1. Merilno območje in mrtva cona
Merilno območje in mrtva cona sta dva pomembna indikatorja ultrazvočnih merilnikov nivoja.
Merilno območje predstavlja največji obseg, ki ga lahko meri merilnik nivoja in odraža občutljivost pretvornika. Z drugimi besedami, večje kot je merilno območje, večja je občutljivost. Večina proizvajalcev določi merilno območje za gladko površino tekočine, vendar lahko pri dejanski meritvi nihanje nivoja tekočine, plavajoči predmeti na površini in prisotnost prahu ali pare v merjenem trdnem materialu povzročijo, da merilno območje ne doseže nazivne vrednosti.
Mrtva cona, znana tudi kot slepa cona, je razdalja, ki je ultrazvočni merilnik nivoja ne more izmeriti zaradi popotresnih sunkov ultrazvočnega pretvornika. Na primer, mrtva cona 30 cm pomeni, da meritev ne bo mogoča, če je razdalja med površino tekočine in sondo manjša od 30 cm. Zato pri izdelkih z enakim merilnim območjem manjša mrtva cona pomeni boljšo zasnovo pretvornika; prav tako olajša namestitev pri meritvah v zaprtih rezervoarjih ali s kratkimi merilnimi območji.
2. Temperatura in natančnost
Temperaturno območje je večinoma določeno kot -20 ~ 60 stopinj. Ker ima večina merilnikov nivoja, ki uporabljajo zaslone LCD, območje delovne temperature omejeno na določeno mejo za zaslon LCD; prekoračitev tega območja bo povzročila okvare. Če ne upoštevate omejitev zaslona LCD, je območje delovne temperature običajno od -40 do 80 stopinj. V normalnih okoliščinah delovna temperatura ultrazvočnih pretvornikov redko preseže 150 stopinj: več kot 150 stopinj lahko zlahka poškoduje piezoelektrično keramiko v notranjosti, zato se lahko 150 stopinj šteje za absolutno destruktivno temperaturo. Poleg tega nekateri materiali, uporabljeni v proizvodnem procesu ultrazvočnih pretvornikov, ne morejo delovati dlje časa pri temperaturah nad 100 stopinj; zato je najvišja temperaturna meja za večino pretvornikov 100 stopinj.
Zakaj upoštevati natančnost in temperaturo skupaj? Ker v zraku napaka pri merjenju temperature za 1 stopinjo vpliva na hitrost zvoka za 0,6 m/s. Pri 20 stopinjah in 1 atmosferi je hitrost zvoka približno 340 m/s. Zato je vpliv na merilno napako izračunan na 0,17 %; če napaka pri merjenju temperature preseže 3 stopinje, bo napaka pri merjenju ravni presegla nominalno območje 0,5 % za večino proizvajalcev. V resnici je 0,5-odstotna natančnost za normalne pogoje temperature in tlaka. Pri višjih ali nižjih temperaturah lahko natančnost meritev preseže 0,5 %. Merilne napake se povečajo tudi v okoljih s temperaturnimi gradienti ali hitrimi temperaturnimi spremembami. Poleg tega ima sestava plina največji vpliv na točnost meritev. Na primer, v prisotnosti hlapnih tekočin izhlapevanje tekočine spremeni sestavo zraka, kar posledično spremeni hitrost zvoka plina, kar na koncu povzroči napake pri merjenju.
3. Pritisk
Pod negativnim tlakom ultrazvočno merjenje na splošno ni priporočljivo, ker se ultrazvok širi skozi plin. Podtlak pomeni, da je zrak v notranjosti redkejši. Širjenje ultrazvoka v redkem zraku povzroča dve težavi: prvič, hitrost zvoka se spremeni, kar povzroči napake pri meritvah; drugič, dušenje zvočnega valovanja se poveča v redčenem zraku, kar vodi do zmanjšanega merilnega območja ali celo popolne preprečitve merjenja.
4. Jedkost
Korozivnost merilnikov nivoja preizkuša predvsem material sonde. V šibko kislih ali alkalnih okoljih zadoščajo navadne plastične lupine. Lupine iz politetrafluoroetilena (PTFE) lahko prenesejo večino močnih kislin in alkalij. Treba je omeniti, da če je snov, ki jo merite, zelo jedka in hlapna, je najbolje, da na vezje nanesete lepilo, ko uporabljate integriran merilnik nivoja. To je zato, ker večina vodotesnih ohišij ni odporna na plin-; ko plin vstopi v opremo, bo razjedel vezje.
