Ultragarsinis lygio jutiklis, taip pat žinomas kaip ultragarsinis skysčio lygio matuoklis, yra ne{0}}kontaktiniai lygio matavimo prietaisai. Jie pasižymi dideliu tikslumu, lengvu montavimu ir minimalia priežiūra. Paprastai naudojami skysčių lygiui įvairiose talpyklose, taip pat vandens lygiui kanaluose, baseinuose, rezervuaruose, upėse, ežeruose ir jūrose matuoti, jie taip pat gali matuoti sąsajos lygius ir lygių skirtumus. Jie ypač tinka nuotekoms ir korozinei aplinkai. Naudojant kartu su rezervuarais ir užtvankomis atviro kanalo srauto matuokliams formuoti, jie taip pat gali matuoti srauto greitį. Todėl jie vis plačiau naudojami daugelyje pramonės šakų ir sričių, pavyzdžiui, plieno, naftos chemijos, vandens valymo ir vandens taupymo srityse.
Ultragarsinio lygio jutiklio matavimo principas
Viršutinėje talpyklos dalyje sumontuotas ultragarsinis lygio matuoklis, valdomas elektroniniu bloku, skleidžia ultragarso impulsų spindulį į matuojamą objektą. Garso bangos atsispindi objekto paviršiuje, o dalį atspindėto aido zondas priima ir paverčia elektriniu signalu. Laikas nuo ultragarso bangos išleidimo iki jos priėmimo yra proporcingas atstumui tarp zondo ir matuojamo objekto. Elektroninis blokas aptinka šį laiką ir pagal žinomą garso greitį apskaičiuoja išmatuotą atstumą. Atstumas nuo zondo iki bako dugno atėmus atstumą nuo zondo iki skysčio lygio yra lygus faktiniam skysčio lygiui arba lygio aukščiui. Jis naudojamas skysčio lygio aukščiui konvertuoti į 4–20 mA srovės signalą arba 1–5 V įtampos signalą išvesties metu. Arba jis gali būti perduodamas į valdymo centrą RS485, HART arba GPRS ryšiu. Kadangi temperatūra turi didelę įtaką garso greičiui, prietaisas turi išmatuoti aplinkos temperatūrą, kad būtų pakoreguotas garso greitis.
Ultragarsinių lygio matuoklių privalumai ir trūkumai
Palyginti su kitų tipų lygio matuokliais, ultragarsiniai lygio jutikliai turi šiuos privalumus:
(1) Matavimas be kontakto: ultragarsinis keitiklis sumontuotas virš skysčio paviršiaus ir nesiliečia su išmatuota terpe. Tai leidžia patogiai išmatuoti korozinius, klampius ar toksiškus skysčius, išvengiant korozijos ar užteršimo matuojamu skysčiu ir pašalinant priežiūros reikalavimus.
(2) Geras universalumas: lygio matuoklis gali išmatuoti skysčio lygį atviruose kanaluose ir didelėse talpyklose.
Lengvas montavimas ir išmontavimas.
(3) Stiprus pritaikymas: jis yra plačiai pritaikytas ir jam neturi įtakos terpės tankis, dielektrinė konstanta ar laidumas. Jis puikiai pritaikomas prie matuojamo skysčio fizikinių ir cheminių savybių. (4) Tinka toksiškų, ėsdinančių ir didelio klampumo skysčių lygiui matuoti, pašalinant kitų lygio matuoklių trūkumus tokioje atšiaurioje matavimo aplinkoje.
(5) Beveik nėra judančių mechaninių dalių, nesusidėvėjimo, ilgas tarnavimo laikas ir lengvas svoris. Pjezoelektrinis elementas keitiklio viduje vibruoja akustiniais dažniais, maža amplitudė, ilgaamžiškumas ir geras stabilumas.
Trūkumai daugiausia apima: kai matuojamas skystis yra lakus, netolygus oro tankis virš skysčio paviršiaus gali sukelti didesnes matavimo paklaidas; kai išmatuotas skysčio paviršius turi didelių bangų, jis gali lengvai sukelti chaotiškus garso bangų atspindžius, dėl kurių atsiranda klaidų. Be to, ultragarsiniai lygio matuokliai turi neišvengiamų aklųjų zonų matuojant skysčių lygį, todėl sunku išmatuoti trumpą{1}}atstumą.
Integruotų ir padalinto{0}}tipo ultragarso lygio matuoklių skirtumas
Integruoti ultragarsiniai lygio matuokliai sujungia ultragarsinį zondą, signalų apdorojimo įrenginį, ekraną ir kt. į vieną įrenginį. Visos matavimo ir valdymo funkcijos atliekamos tame pačiame korpuse.
Lengvas montavimas: dėl kompaktiškos konstrukcijos montavimo metu reikia pritvirtinti tik vieną įrenginį, todėl nereikia sudėtingų laidų ir montavimo procedūrų. Visapusiškas funkcionalumas: tinka atšiaurioms pramoninėms aplinkoms, su apsaugos reitingais iki IP66/IP67. Galimi keli modeliai, pvz., korozijai -atsparūs ir sprogimui{4}}atsparūs tipai.
Supaprastintas kalibravimas: integruotas dizainas supaprastina ir supaprastina kalibravimo procesą, todėl paprastai reikia kalibruoti visą sistemą, o ne kelis atskirus komponentus.
Integruoti ultragarsiniai lygio matuokliai dažniausiai naudojami talpyklose, pramoninių nuotekų valymo įrenginiuose, cheminių reakcijų induose ir sekliojo vandens baseinuose.
Padalinto-tipo ultragarso lygio matuokliai: padalinto-tipo ultragarso lygio matuokliai susideda iš atskiro zondo ir signalų apdorojimo bloko. Zondas montuojamas matavimo taške, o signalų apdorojimo blokas gali būti įrengtas valdymo kambaryje ar kitoje patogioje vietoje toliau nuo matavimo taško. Abu yra sujungti kabeliu.
Stiprus anti{0}}trukdymas: kai zondas ir signalo apdorojimo blokas yra atskirti, signalų apdorojimo blokas gali būti laikomas atokiau nuo vietų, kuriose yra aukšta temperatūra, aukštas slėgis arba stiprūs elektromagnetiniai trukdžiai, taip pagerinant matavimo tikslumą ir patikimumą.
Lengvas valdymas: Signalų apdorojimo blokas paprastai turi didesnį ekraną ir daugiau valdymo sąsajų, todėl operatoriai gali lengviau reguliuoti ir stebėti.
Didelis pritaikomumas: suskaidyta konstrukcija leidžia prisitaikyti prie atšiaurių matavimo aplinkos, pvz., aukštos{0}}temperatūrų, ėsdinančių dujų ar skysčio aplinkos. Zondas gali būti pagamintas iš specialių medžiagų, kad atlaikytų šias sąlygas.
Padalinto{0}}tipo ultragarsiniai lygio matuokliai tinka lygiui matuoti didelėse talpyklose, sudėtinguose procesuose ir aukštoje-temperatūroje arba labai korozinėje aplinkoje. Jie ypač tinka programoms, kurioms reikalingas nuotolinis valdymas arba apsauga nuo aplinkos trukdžių.
Pagrindinės ultragarsinių lygio matuoklių techninės specifikacijos
1. Matavimo diapazonas ir negyva zona
Matavimo diapazonas ir negyvoji zona yra du svarbūs ultragarso lygio matuoklių rodikliai.
Matavimo diapazonas yra didžiausias diapazonas, kurį lygio matuoklis gali išmatuoti, atspindintis keitiklio jautrumą. Kitaip tariant, kuo didesnis matavimo diapazonas, tuo didesnis jautrumas. Daugelis gamintojų nurodo lygaus skysčio paviršiaus matavimo diapazoną, tačiau atliekant faktinį matavimą skysčio lygio svyravimai, paviršiuje plūduriuojantys objektai ir dulkės ar garai išmatuotoje kietoje medžiagoje gali sukelti matavimo diapazono sumažėjimą už vardinę vertę.
Negyvoji zona, taip pat žinoma kaip akloji zona, yra atstumas, kurio ultragarsinis lygio matuoklis negali išmatuoti dėl ultragarsinio keitiklio smūgių. Pavyzdžiui, 30 cm negyva zona reiškia, kad kai atstumas tarp skysčio paviršiaus ir zondo yra mažesnis nei 30 cm, matavimas nebus įmanomas. Todėl gaminiams su tuo pačiu matavimo diapazonu mažesnė negyva zona rodo geresnę keitiklio konstrukciją; tai taip pat palengvina montavimą atliekant matavimus uždarose talpyklose arba esant trumpiems matavimo diapazonams.
2. Temperatūra ir tikslumas
Temperatūros diapazonas dažniausiai nurodomas -20–60 laipsnių. Kadangi daugumos lygio matuoklių, naudojančių LCD ekranus, darbinės temperatūros diapazonas ribojamas iki tam tikros LCD ekrano ribos; viršijus šį diapazoną sukels gedimų. Jei LCD ekrano apribojimų nepaisoma, darbinės temperatūros diapazonas paprastai yra nuo -40 iki 80 laipsnių. Normaliomis aplinkybėmis ultragarsinių keitiklių darbinė temperatūra retai viršija 150 laipsnių: viršijant 150 laipsnių gali lengvai pažeisti viduje esančią pjezoelektrinę keramiką, todėl 150 laipsnių galima laikyti absoliučia destruktyviąja temperatūra. Be to, kai kurios medžiagos, naudojamos ultragarsinių keitiklių gamybos procese, negali ilgai veikti aukštesnėje nei 100 laipsnių temperatūroje; todėl daugumos keitiklių maksimali temperatūros riba yra 100 laipsnių.
Kodėl tikslumą ir temperatūrą vertinti kartu? Mat ore 1 laipsnio temperatūros matavimo paklaida paveikia garso greitį 0,6 m/s. Prie 20 laipsnių ir 1 atmosferos garso greitis yra maždaug 340 m/s. Todėl įtaka matavimo paklaidai skaičiuojama 0,17 %; jei temperatūros matavimo paklaida viršija 3 laipsnius, daugumos gamintojų lygio matavimo paklaida viršys vardinį 0,5 % diapazoną. Tiesą sakant, 0,5% tikslumas taikomas normalioms temperatūros ir slėgio sąlygoms. Esant aukštesnei ar žemesnei temperatūrai, matavimo tikslumas gali viršyti 0,5%. Matavimo paklaidos taip pat didėja aplinkoje, kurioje yra temperatūros gradientai arba greiti temperatūros pokyčiai. Be to, didžiausią įtaką matavimo tikslumui turi dujų sudėtis. Pavyzdžiui, esant lakiųjų skysčių, skysčio išgaravimas keičia oro sudėtį, o tai savo ruožtu keičia dujų garso greitį, galiausiai sukelia matavimo klaidas.
3. Slėgis
Esant neigiamam slėgiui, ultragarsinis matavimas paprastai nerekomenduojamas, nes ultragarsas sklinda per dujas. Neigiamas slėgis reiškia, kad oras viduje yra retesnis. Ultragarso sklidimas retintame ore sukelia dvi problemas: pirma, keičiasi garso greitis, dėl kurio atsiranda matavimo klaidų; antra, retesniame ore padidėja garso bangų slopinimas, todėl matavimo diapazonas sumažėja arba net visiškai užkertamas kelias matavimui.
4. Koroziškumas
Lygio matuoklių koroziškumas pirmiausia tikrina zondo medžiagą. Silpnai rūgštinėje ar šarminėje aplinkoje pakanka įprastų plastikinių apvalkalų. Politetrafluoretileno (PTFE) apvalkalai gali atlaikyti daugumą stiprių rūgščių ir šarmų. Verta paminėti, kad jei matuojama medžiaga yra labai ėsdinanti ir laki, naudojant integruotą lygio matuoklį geriausia plokštę patepti klijais. Taip yra todėl, kad dauguma vandeniui atsparių korpusų nėra atsparūs dujoms-; dujoms patekus į įrangą, jos sugadins grandinę.
