Акустические ультразвуковые уровнемеры. Устройство, принцип действия, типы и виды ультразвуковых уровнемеров.

По принципу действия акустические уровнемеры можно подразделить на локационные, поглощения и резонансные.

В локационных ультразвуковых уровнемерах используется эффект отражения ультразвуковых колебаний от границы раздела жидкость — газ, в связи с чем они получили название ультразвуковых. Положение уровня определяется по времени прохождения ультразвуковых колебаний от источника до приемника после отражения их от поверхности раздела. В уровнемерах поглощения положение уровня определяется по ослаблению интенсивности ультразвука при прохождении через слои жидкости и газа. В резонансных уровнемерах измерение уровня производится посредством измерения частоты собственных колебаний столба газа над уровнем жидкости, которая зависит от высоты уровня.

Наибольшее распространение получили локационные уровнемеры. Локация уровня может производиться либо через газовую среду над жидкостью, либо снизу через слой жидкости. Недостатком первого типа уровнемеров являются погрешность от зависимости скорости звука от давления и температуры газа и сильное поглощение ультразвука газом, что требует большей мощности источника, чем при локации через жидкость. Однако на показания таких уровнемеров не сказываются изменения характеристик жидкости, поэтому они могут быть использованы для измерения уровня жидкостей неоднородных, содержащих пузырьки газа или кристаллизующихся. Уровнемеры с локацией через жидкость могут быть использованы для сред под высоким давлением, для них требуется небольшая мощность источника, однако они чувствительны к включениям в жидкость, например к пузырькам газа при вскипании. Поэтому эти уровнемеры применимы только для однородных жидкостей. Кроме того, они также чувствительны к изменению температуры и давления среды из-за зависимости от них скорости распространения ультразвука.

Упрощенная схема акустического уровнемера с локацией уровня со стороны газа ЭХО-1 представлена на рис. 1.

Рис. 1. Упрощенная схема акустического ультразвукового уровнемера:

1 — акустический преобразователь; 2 — генератор; 3 — усилитель; 4 — схема измерения времени; 5 — преобразователь; 6 — вторичный прибор; 7 — блок температурной компенсации

Источником и одновременно приемником отраженных ультразвуковых колебаний является пьезоэлемент, заключенный в акустический преобразователь 1. Локация осуществляется ультразвуковыми импульсами, которые возбуждаются пьезоэлементом в результате подачи на него электрических импульсов от генератора 2. Одновременно генератор включает схему измерения времени 4. Отраженный ультразвуковой импульс возвращается на пьезоэлемент через время t, соответствующее контролируемому уровню в соответствии с выражением t = 2(Н - h)/c, где с — скорость ультразвука в газе.

Пьезоэлемент преобразует отраженный ультразвуковой импульс в электрический сигнал, который усиливается усилителем 3 и подается на схему измерения времени 4. Преобразователь 5 преобразует значение времени в унифицированный выходной сигнал 0...5 мА, измеряемый вторичным прибором 6. Для уменьшения влияния изменения температуры газа имеется блок температурной компенсации 7, включающий в себя термопреобразователь сопротивления, расположенный внутри акустического преобразователя.

Примером использования акустического метода является серийно выпускаемый преобразователь уровня ЭХО-5, предназначенный для измерения уровня жидкостей (в том числе агрессивных), а также сыпучих и кусковых материалов при температуре от -50 до 170 °С и при давлении до 4 МПа. Верхние пределы измерения уровнемера:  0,4...30 м, основная погрешность преобразователя в зависимости от модификации равна ±0,5; ±1,0; ± 1,5; ±2,5 %.

Ультразвуковой метод характерен очень малым подводом теплоты в контролируемую среду, поэтому может быть использован в криогенной технике. Однако метод применим только на жидкостях со спокойной поверхностью, т.е. исключаются кипящие жидкости и криостаты с загруженным внутренним объемом.

Фирма Siemens производит более десяти типов ультразвуковых уровнемеров, предназначенных для различных отраслей промышленности, сельского и коммунального хозяйства. В некоторых типах в одном приборе объединены источники (приемники) излучения (сенсоры) с электронным преобразователем, в других они разнесены. Совмещенный вариант реализован в компактных приборах типа «The Probe», предназначенных для измерения уровня в диапазоне от 0,25 до 8 м. Сенсор работает на частоте 43 кГц, выходной сигнал уровнемера составляет 4...20 мА, погрешность не превышает ±0,25 %, благодаря введению температурной компенсации. Измерительный преобразователь LU 10 может работать с десятью сенсорами, которые могут отстоять от измерительного блока на расстояние до 365 м. При диапазоне измерения до 60 м и наличии температурного зонда погрешность измерения уровня составляет ±0,1; ±0,25 %. Выходной сигнал 4...20 мА может сочетаться с цифровым наиболее распространенных протоколов.

На явлении отражения ультразвука построена схема уровнемера типа РУ-ПТ1, который является более поздним вариантом РУМБ- БК-М (з-д «Теплоприбор» г. Рязань). Принцип действия уровнемера основан на измерении времени распространения фронта ультразвуковых колебаний в металлическом стержне от поплавка до нулевой отметки на нижнем конце первичного преобразователя (рис. 2).

Рис. 2. Схема ультразвукового уровнемера:

1 — источник ультразвуковых колебаний; 2 — металлический стержень; S — поплавок; 4 — индикатор

Ультразвуковой уровнемер состоит из преобразователей: первичного ПП, промежуточного ПР и передающего ПЕР. В состав первичного преобразователя входит источник ультразвуковых колебаний 7, погружаемый в контролируемую среду металлический стержень 2 и перемещающийся вдоль него поплавок 3. Источником формируется ультразвуковой импульс и снимаются со стержня сигналы, отраженные от поплавка и участка стержня, соответствующего нулевому уровню. Промежуточный преобразователь усиливает их и в виде двух импульсов напряжения U1, и U2 подает на передающий преобразователь. По моменту начала импульса, задаваемому генератором Г, и времени поступления импульсов вычисляется время прохождения импульса в стержне от поплавка до нулевой отметки (т.е. в пределах контролируемого уровня). Для учета температурного удлинения стержня по импульсу U2 вычисляется время t2 прохождения импульса по всему стержню. Значение контролируемого уровня определяется по формуле h = Ho(t1/t2), где Но — базовая длина стержня при температуре 20 ± 5 °С. Верхний предел измерения высоты уровня составляет 0,4... 12 м, выходные сигналы: токовый 0...5 (4...20) мА, цифровая индикация уровня в м, цифровой сигнал по интерфейсу RS-232C, RS-485, сигнализация двух предельных отклонений уровня. Уровнемер предназначен для широкого класса сред (в том числе нефтепродуктов и сжиженных газов) при температурах -40... 120 °С и давлении до 2,5 МПа, основная погрешность составляет ±4 мм.

К ультразвуковым относятся уровнемеры типа ДУУ2, ДУУ4 ЗАО «Альбатрос», в которых используется магнитострикционный эффект. Последний состоит в деформации кристаллического тела под воздействием магнитного поля. Преобразователь этих уровнемеров содержит диэлектрическую направляющую трубку, внутри которой находится стальная проволока с намотанной по всей длине катушкой. По наружной поверхности трубки, покрытой фторопластом, скользит магнитный поплавок, плавающий на поверхности жидкости или границе раздела сред. В месте размещения поплавка происходят локальные изменения в кристаллической решетке проволоки. При подаче в катушку импульса тока создается импульсное магнитное поле, вызывающее импульсную деформацию проволоки. При достижении последней поплавка возникает отраженный импульс продольной деформации, воспринимаемой пьезодатчиком. Положение уровня определяется по интервалу времени от момента формирования импульса тока до приема импульса упругой деформации. На направляющей трубке может размещаться до четырех магнитных поплавков, измеряющих, например, верхний уровень и три границы раздела сред. В гибкой модификации преобразователя катушка с проволокой покрыта фторопластовой изоляцией. Для натяжения проволоки к ее концу крепится груз или опорный магнит. На конце преобразователя размещаются датчики давления и температуры.

Максимальная измеряемая высота уровня составляет 25 м, избыточное давления не должно превышать 2 МПа, а температура 120 °С при плотности среды от 500 до 1500 кг/м3. Основная погрешность в зависимости от исполнения составляет ±1; ±3; ±5 мм. Число выходных сигналов 4...20 мА достигает шести в зависимости от числа измеряемых величин.