Ultraskaņas līmeņa sensors, kas pazīstams arī kā ultraskaņas šķidruma līmeņa mērītājs, ir bezkontakta līmeņa mērīšanas instrumenti. Tiem ir augsta precizitāte, vienkārša uzstādīšana un minimāla apkope. Tos parasti izmanto, lai izmērītu šķidruma līmeni dažādos konteineros, kā arī ūdens līmeni kanālos, baseinos, rezervuāros, upēs, ezeros un jūrās, un tie var arī izmērīt saskarnes līmeņus un līmeņu atšķirības. Tie ir īpaši piemēroti notekūdeņiem un kodīgai videi. Ja tos izmanto kopā ar tvertnēm un aizsprostiem, lai izveidotu atvērtu kanālu plūsmas mērītājus, tie var arī izmērīt plūsmas ātrumu. Tāpēc tos arvien plašāk izmanto daudzās nozarēs un jomās, piemēram, tērauda rūpniecībā, naftas ķīmijas rūpniecībā, ūdens attīrīšanā un ūdens taupīšanā.
Ultraskaņas līmeņa sensora mērīšanas princips
Uzstādīts konteinera augšējā daļā, ultraskaņas līmeņa mērītājs elektroniskas vienības vadībā izstaro ultraskaņas impulsu staru virzienā uz mērāmo objektu. Skaņas viļņus atspoguļo objekta virsma, un daļu no atstarotās atbalss uztver zonde un pārvērš elektriskā signālā. Laiks no ultraskaņas viļņa emisijas līdz tā uztveršanai ir proporcionāls attālumam starp zondi un mērāmo objektu. Elektroniskā ierīce nosaka šo laiku un aprēķina izmērīto attālumu, pamatojoties uz zināmo skaņas ātrumu. Attālums no zondes līdz tvertnes apakšai mīnus attālums no zondes līdz šķidruma līmenim ir vienāds ar faktisko šķidruma līmeni vai līmeņa augstumu. To izmanto, lai šķidruma līmeņa augstumu pārveidotu par 4–20 mA strāvas signālu vai 1–5 V sprieguma signālu izvadei. Alternatīvi, to var pārsūtīt uz vadības centru, izmantojot RS485, HART vai GPRS sakarus. Tā kā temperatūrai ir būtiska ietekme uz skaņas ātrumu, instrumentam ir jāmēra apkārtējās vides temperatūra, lai koriģētu skaņas ātrumu.
Ultraskaņas līmeņa mērītāju priekšrocības un trūkumi
Salīdzinot ar citiem līmeņa mērītājiem, ultraskaņas līmeņa sensoriem ir šādas priekšrocības:
(1) Bezkontakta mērījums: ultraskaņas devējs ir uzstādīts virs šķidruma virsmas un nesaskaras ar mērīto vidi. Tas ļauj ērti izmērīt kodīgus, viskozus vai toksiskus šķidrumus, izvairoties no korozijas vai piesārņojuma ar izmērīto šķidrumu un novēršot apkopes prasības.
(2) Laba daudzpusība: līmeņa mērītājs var izmērīt šķidruma līmeni atvērtos kanālos, kā arī lielās uzglabāšanas tvertnēs.
Viegla uzstādīšana un demontāža.
(3) Spēcīga pielāgošanās spēja: tam ir plašs lietojumu klāsts, un to neietekmē barotnes blīvums, dielektriskā konstante vai vadītspēja. Tas ir ļoti pielāgojams izmērītā šķidruma fizikāli ķīmiskajām īpašībām. (4) Piemērots toksisku, kodīgu un augstas viskozitātes šķidrumu līmeņa mērīšanai, novēršot citu līmeņa mērītāju trūkumus tik skarbos mērījumu apstākļos.
(5) Gandrīz nav kustīgu mehānisku daļu, nav nodiluma, ilgs kalpošanas laiks un mazs svars. Pjezoelektriskais elements devēja iekšpusē vibrē ar akustiskām frekvencēm ar mazu amplitūdu, ilgu kalpošanas laiku un labu stabilitāti.
Trūkumi galvenokārt ir šādi: ja izmērītais šķidrums ir gaistošs, nevienmērīgs gaisa blīvums virs šķidruma virsmas var radīt lielākas mērījumu kļūdas; ja izmērītajā šķidruma virsmā ir lieli viļņi, tas var viegli izraisīt haotiskus skaņas viļņu atstarojumus, kā rezultātā rodas kļūdas. Turklāt, mērot šķidruma līmeni, ultraskaņas līmeņa mērītājiem ir neizbēgamas aklās zonas, kas apgrūtina neliela attāluma mērījumus.
Atšķirība starp integrētajiem un dalītā{0}}tipa ultraskaņas līmeņa mērītājiem
Integrētie ultraskaņas līmeņa mērītāji vienā ierīcē integrē ultraskaņas zondi, signālu apstrādes bloku, displeju utt. Visas mērīšanas un kontroles funkcijas tiek veiktas vienā korpusā.
Vienkārša uzstādīšana: tās kompaktās struktūras dēļ uzstādīšanas laikā ir jāfiksē tikai viena ierīce, tādējādi novēršot sarežģītas elektroinstalācijas un uzstādīšanas procedūras. Visaptveroša funkcionalitāte: piemērota skarbām rūpnieciskām vidēm, ar aizsardzības pakāpi līdz IP66/IP67. Ir pieejami vairāki modeļi, piemēram, pret koroziju-izturīgi un sprādzienizturīgi- modeļi.
Vienkāršota kalibrēšana: integrētā konstrukcija vienkāršo un vienkāršo kalibrēšanas procesu, parasti ir nepieciešama visas sistēmas kalibrēšana, nevis vairākas atsevišķas sastāvdaļas.
Integrētos ultraskaņas līmeņa mērītājus parasti izmanto uzglabāšanas tvertnēs, rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanā, ķīmisko reakciju tvertnēs un sekla ūdens baseinos.
Sadalītā-tipa ultraskaņas līmeņa mērītāji: dalītā-tipa ultraskaņas līmeņa mērītāji sastāv no atsevišķas zondes un signālu apstrādes vienības. Zonde tiek uzstādīta mērīšanas punktā, savukārt signālu apstrādes bloku var uzstādīt vadības telpā vai citā ērtā vietā prom no mērīšanas punkta. Abi ir savienoti ar kabeli.
Spēcīga pret{0}}traucējumu iespēja: ja zonde un signālu apstrādes bloks ir atdalītas, signālu apstrādes bloku var turēt prom no vietām ar augstu temperatūru, augstu spiedienu vai spēcīgiem elektromagnētiskiem traucējumiem, tādējādi uzlabojot mērījumu precizitāti un uzticamību.
Vienkārša darbība: signāla apstrādes blokam parasti ir lielāks displeja ekrāns un vairāk darbības interfeisu, kas atvieglo regulēšanu un uzraudzību, ko veic operatori.
Augsta pielāgošanās spēja: sadalītais dizains ļauj pielāgoties skarbām mērījumu vidēm, piemēram, augstai{0}}temperatūrai, korozīvām gāzēm vai šķidrām vidēm. Zonde var būt izgatavota no īpašiem materiāliem, lai izturētu šos apstākļus.
Sadalītā-tipa ultraskaņas līmeņa mērītāji ir piemēroti līmeņa mērīšanai lielās uzglabāšanas tvertnēs, sarežģītos procesos un augstas-temperatūras vai ļoti korozīvās vidēs. Tie ir īpaši piemēroti lietojumprogrammām, kurām nepieciešama attāla darbība vai aizsardzība pret vides traucējumiem.
Ultraskaņas līmeņa mērītāju galvenās tehniskās specifikācijas
1. Mērīšanas diapazons un mirušā zona
Mērīšanas diapazons un mirušā zona ir divi svarīgi ultraskaņas līmeņa mērītāju rādītāji.
Mērīšanas diapazons ir maksimālais diapazons, ko līmeņa mērītājs var izmērīt, atspoguļojot devēja jutību. Citiem vārdiem sakot, jo lielāks ir mērīšanas diapazons, jo augstāka ir jutība. Lielākā daļa ražotāju nosaka mērīšanas diapazonu gludai šķidruma virsmai, taču faktiskajos mērījumos šķidruma līmeņa svārstības, peldoši priekšmeti uz virsmas un putekļu vai tvaika klātbūtne izmērītajā cietajā materiālā var izraisīt mērījumu diapazona nobīdi no nominālās vērtības.
Mirusī zona, kas pazīstama arī kā aklā zona, ir attālums, ko ultraskaņas līmeņa mērītājs nevar izmērīt ultraskaņas devēja pēcgrūdienu dēļ. Piemēram, mirušā zona 30 cm nozīmē, ka, ja attālums starp šķidruma virsmu un zondi ir mazāks par 30 cm, mērījums nebūs iespējams. Tāpēc izstrādājumiem ar tādu pašu mērījumu diapazonu mazāka mirušā zona norāda uz labāku devēja konstrukciju; tas arī atvieglo uzstādīšanu mērījumiem slēgtās tvertnēs vai ar īsiem mērījumu diapazoniem.
2. Temperatūra un precizitāte
Temperatūras diapazons galvenokārt ir norādīts kā -20 ~ 60 grādi. Tā kā lielākajai daļai līmeņa mērītāju, kas izmanto LCD displejus, darbības temperatūras diapazons ir ierobežots līdz noteiktai LCD ekrāna robežai; šī diapazona pārsniegšana izraisīs darbības traucējumus. Ja LCD displeja ierobežojumi netiek ņemti vērā, darba temperatūras diapazons parasti ir no -40 līdz 80 grādiem. Normālos apstākļos ultraskaņas devēju darba temperatūra reti pārsniedz 150 grādus: pārsniedzot 150 grādus, var viegli sabojāt pjezoelektrisko keramiku iekšpusē, tāpēc 150 grādus var uzskatīt par absolūtu destruktīvu temperatūru. Turklāt daži materiāli, ko izmanto ultraskaņas devēju ražošanas procesā, nevar ilgstoši darboties temperatūrā virs 100 grādiem; tāpēc lielākajai daļai devēju maksimālā temperatūras robeža ir 100 grādi.
Kāpēc precizitāti un temperatūru ņemt vērā kopā? Jo gaisā 1 grāda temperatūras mērījuma kļūda ietekmē skaņas ātrumu par 0,6 m/s. Pie 20 grādiem un 1 atmosfēras skaņas ātrums ir aptuveni 340 m/s. Līdz ar to ietekme uz mērījumu kļūdu aprēķināta 0,17% apmērā; ja temperatūras mērīšanas kļūda pārsniedz 3 grādus, līmeņa mērīšanas kļūda lielākajai daļai ražotāju pārsniegs nominālo diapazonu 0,5%. Patiesībā 0,5% precizitāte ir paredzēta normāliem temperatūras un spiediena apstākļiem. Augstākā vai zemākā temperatūrā mērījumu precizitāte var pārsniegt 0,5%. Mērījumu kļūdas palielinās arī vidē ar temperatūras gradientiem vai straujām temperatūras izmaiņām. Turklāt gāzes sastāvam ir vislielākā ietekme uz mērījumu precizitāti. Piemēram, gaistošu šķidrumu klātbūtnē šķidruma iztvaikošana maina gaisa sastāvu, kas savukārt maina gāzes skaņas ātrumu, galu galā radot mērījumu kļūdas.
3. Spiediens
Negatīvā spiedienā ultraskaņas mērījumi parasti nav ieteicami, jo ultraskaņas izplatīšanās notiek ar gāzes palīdzību. Negatīvs spiediens nozīmē, ka gaiss iekšpusē ir retināts. Ultraskaņas izplatīšanās retinātā gaisā rada divas problēmas: pirmkārt, mainās skaņas ātrums, radot mērījumu kļūdas; otrkārt, retinātā gaisā palielinās skaņas viļņu vājināšanās, kā rezultātā samazinās mērījumu diapazons vai pat vispār tiek novērsts mērījums.
4. Kodīgums
Līmeņa mērītāju korozija galvenokārt pārbauda zondes materiālu. Vāji skābā vai sārmainā vidē pietiek ar parastajiem plastmasas apvalkiem. Politetrafluoretilēna (PTFE) apvalki var izturēt lielāko daļu spēcīgu skābju un sārmu. Ir vērts atzīmēt, ka, ja mērāmā viela ir ļoti kodīga un gaistoša, vislabāk ir uzlīmēt uz shēmas plates, izmantojot integrēto līmeņa mērītāju. Tas ir tāpēc, ka lielākā daļa ūdensnecaurlaidīgo korpusu nav gāzu-necaurlaidīgi; kad gāze iekļūst iekārtā, tā korodēs shēmas plati.
