9.6. Ультразвуковые уровнемеры

Ультразвук можно использовать для измерения уровня как жидкостей, так и сыпучих материалов. Способ непригоден лишь для измерения уровня жидкости, содержащей твердые частицы, которые могут образовать отложения на вибраторах и тем самым привести к погрешностям измерения. Такие химические и физические свойства жидкости, как агрессивность, плотность и вязкость, играют при этом второстепенную роль. Ультразвуковой метод измерения уровня позволяет осуществлять сигнализацию уровня сыпучих материалов, а также легких хлопьевидных и содержащих воздух материалов, например, целлюлозы, мелкозернистых или порошкообразных синтетических материалов.

Область применения этого метода распространяется также и на измерение уровня жидкости в емкостях из дерева и пластика, где сам по себе точный и надежный емкостный метод измерения не всегда пригоден.

Для измерения уровня при помощи ультразвука необходимо наличие излучателя и приемника. Излучатель посылает ультразвуковые импульсы, представляющие собой механические колебания в диапазоне частот от 20 кГц до нескольких мегагерц. Чем выше частота, тем прямолинейнее распространяются ультразвуковые колебания, поведение которых напоминает поведение световых лучей. В связи с этим к ним применим известный из оптики закон отражения и преломления.

Замечание

В ультразвуковой измерительной технике все шире применяют пьезоэлектрический эффект, так как он позволяет достичь высоких частот, находящихся в диапазоне мегагерц.

Время прохождения или поглощения луча ультразвука может служить мерой уровня. В воздухе и газах скорость распространения ультразвука минимальна, С ростом частоты звукопроводность уменьшается.

Различают три режима работы ультразвуковых преобразователей уровня (рис. 5.103). В первом режиме при измерении уровня методом поглощения мерой уровня служит ослабление луча ультразвука.

а б в

Рис. 103. Схемы ультразвуковых уровнемеров, в которых осуществляется первый (а), второй (б) и третий (в) режимы работы: / — излучатель; 2 — приемник

Первый режим весьма похож на работу фотоэлектрического преобразователя: ультразвуковой излучатель и приемник (детектор) монтируются внутри резервуара и располагаются строго друг против друга так, что между ними образуется прямой путь прохождения ультразвуковой волны в газе (рис. 5.103, а). При заполнении пространства между двумя вибраторами жидкостью или сыпучим материалом ультразвуковой излучатель посылает сигнал, и ультразвуковые волны весьма существенно поглощаются жидкостью или сыпучим материалом. Если сыпучий материал или жидкость освобождает траекторию луча ультразвука, сигнал гаснет. Этот режим работы ультразвуковых преобразователей используется только для определения дискретных уровней жидкости, т. е. для сигнализации предельных величин. Такой способ подачи ультразвуковых сигналов пригоден для измерения уровня сыпучих материалов.

Для измерения уровня жидкостей более удобен второй режим работы ультразвуковых преобразователей, основанный на измерении времени прохождения сигнала с использованием принципа эхолота (рис. 5.103, б). Электрический импульс пьезоэлектрическим вибратором преобразуется в ультразвуковой импульс, который излучается в жидкость и отражается пограничным слоем жидкость-воздух. Эхо поступает на аналогичный пьезоэлектрический вибратор и преобразуется в электрический импульс. Оба импульса, посланный и отраженный, попадают с определенным интервалом на вход усилителя.

Тогда уровню жидкости соответствует время между излучением (моментом посылки импульса) и приемом отраженного ультразвукового импульса от поверхности жидкость—воздух до ультразвукового преобразователя:

где — расстояние от излучателя до поверхностного раздела фаз; — скорость распространения ультразвука в измеряемой среде. Скорость распространения ультразвука при любой температуре жидкости (воды) можно рассчитать по эмпирической формуле:

где — температура жидкости (воды),°С.

Пауза между двумя последовательно посылаемыми импульсами определяется выражением

Принципиальная схема ультразвукового уровнемера, работающего во втором режиме ультразвуковых преобразователей, приведена на рис. 104.

Рис. 104. Принципиальная схема ультразвукового уровнемера.

Уровнемер состоит из пьезоэлектрического преобразователя (вибратора) 2, установленного в резервуаре 1, электронного блока 3 и вторичного измерительного прибора 8 (на рисунке — автоматический потенциометр). Электронный блок включает в себя генератор 7, задающий частоту повторения импульсов; генератор импульсов 4, посылаемых в жидкость, уровень которой измеряется; приемного устройства-усилителя 5; измерителя времени 6. Генератор 7, задающий частоту повторения импульсов, управляет работой генератора импульсов 4 и измерителем времени 6. Генератор импульсов 4 вырабатывает электрические импульсы с определенной частотой повторения, которые преобразуются в ультразвуковые с помощью пьезоэлектрического преобразователя 2, установленного с внешней стороны дна резервуара. Распространяясь в жидкой среде, ультразвуковые импульсы отражаются от поверхности жидкости (от границы раздела жидкость—газ) и поступают на тот же пьезометрический преобразователь. Отраженные импульсы после обратного преобразования в электрические усиливаются и формируются усилителем 5, а затем подаются на измеритель времени. Выходным сигналом измерительной схемы является постоянное напряжение, поступающее на вход вторичного прибора 8 (например, автоматического потенциометра).

Замечание

При вычислении уровня жидкости необходимо принимать во внимание скорость звука в среде между преобразователем и поверхностью жидкости. Конструктивно ультразвуковой излучатель и детектор могут располагаться раздельно (см. рис. 103, б) или в одном корпусе (см. рис. 104).

Третий режим работы ультразвуковых преобразователей показан на рис. 5.103, в. Внутри резервуара размещают эмиттер, излучающий ультразвуковые волны в пространстве над поверхностью жидкости. В этом случае ультразвуковые колебания оказываются в резонансе с колебаниями полости над поверхностью жидкости или в резонансе с гармониками собственных колебаний этой полости. Уровень жидкости определяется измерением частоты новых колебаний, поскольку при разном уровне жидкости резонансная частота оказывается различной.

Примечание

Ультразвуковые волны похожи на звуковые, они создают в воздухе движущиеся волны давления и отличаются от звука частотой (частота ультразвука выше 20 кГц). Ультразвуковые преобразователи излучают и принимают ультразвуковые волны целого ряда частот. Как правило, ультразвуковые преобразователи представляют собой пьезоэлектрические конструкции, имеющие резонансную частоту в диапазоне ультразвука. Подача на излучающий преобразователь колебаний от генератора на некоторой частоте вызывает излучение ультразвуковых волн (излучатель и детектор подбираются для работы на одной и той же резонансной частоте).

Применение ультразвуковых уровнемеров: для измерения уровня только однородных жидкостей, находящихся под высоким избыточным давлением.

Преимущество измерения уровня с использованием ультразвука заключается в том, что этот метод удобен для измерения уровня заполнения даже в труднодоступных резервуарах, где часто по конструктивным причинам бывает невозможно воспользоваться другим способом измерения. Разумеется, метод требует больших затрат, так как, кроме пьезоэлектрических вибраторов, необходимы частотные генераторы.

Замечание

Разработан новый датчик-сигнализатор уровня в металлических резервуарах, работа которого основана на ультразвуковой технологии. Он позволяет сигнализировать о значениях уровня в металлическом резервуаре не нарушая его целостности, что особенно важно, когда в резервуаре содержится агрессивная или летучая среда (щелочь, легкие углеводороды и т. д.) при высоком давлении или температуре.