Рівня рідинних середовищ

Як було зазначено раніше, існує два способи контролю рівня РС ультразвуковим методом: через газове або через рідинне середовище, рівень якого контролюється. Останній метод використовується для контролю рівня рідин і зріджених газів у залізничних й автомобільних цистернах, технологічних ємностях та апаратах з вільним доступом до їх дна. У рівнемірах, заснованих на цьому методі, використовують накладні ультразвукові перетворювачі, які встановлюються на дні ємності та вимірюють рівень через її стінку (рис. 4.8) [].

Рівень речовини в ємності визначається за наступною формулою:

, (4.2)

де ‑ рівень контрольованої рідини;

‑ час, за який ультразвуковий імпульс проходить подвійну відстань у рідині від джерела до поверхні контрольованої рідини;

‑ швидкість розповсюдження ультразвуку в рідині.

Рис. 4.8. Структурна схема ультразвукового рівнеміра:

1 – задавач частоти повторення імпульсів;

2 – генератор імпульсів;

3 – п‘єзоелектричний випромінювач;

4 – підсилювач;

5 – блок вимірювання часу;

6 – вторинний прилад

До переваг цього ультразвукового методу контролю рівня РС слід віднести наступне: можливість його використання у стаціонарних ємностях та цистернах з вибухонебезпечними та отруйними речовинами; краще узгодження перетворювачів ультразвукових рівнемірів, побудованих за цим методом, з контрольованим середовищем, що дозволяє використовувати малопотужні генератори та підсилювачі з малим коефіцієнтом підсилення. До недоліків відносять: вплив на вірогідність контролю та точність вимірювання зміни температури та складу контрольованого рідинного середовища; неможливість використання цього методу у ємностях з багатошаровими стінками та у ємностях, вмонтованих у технологічні конструкції з неможливістю доступу до їх дна.

Якщо рівень РС контролюється ультразвуковим методом, заснованим на визначенні часу проходження ультразвуковим імпульсом відстані між джерелом ультразвукових імпульсів і поверхнею контрольованої речовини у газовому середовищі, то рівень речовини в ємності визначається за наступною формулою:

, (4.3)

де ‑ висота ємності.

Швидкість розповсюдження ультразвукових коливань (УЗК) у газових середовищах визначається за наступною формулою []:

, (4.4)

де ‑ адіабатичний коефіцієнт для газів;

‑ тиск газового середовища;

‑ густина газового середовища.

З рівняння Мендєлєєва – Клапейрона одержуємо наступну залежність:

, (4.5)

де ‑ молярна маса ідеального газу;

‑ універсальна газова стала;

‑ температура ідеального газу.

Аналізуючи рівняння (4.4) і (4.5) приходимо до висновку, що швидкість розповсюдження УЗК залежить від температури, тиску та складу газу. Для визначення чіткої залежності швидкості розповсюдження від параметрів газу необхідно використовувати рівняння стану для реальних газів (рівняння Ван-дер-Ваальса, Дітерічі, Бертло, Клаузіуса, або Камерлінга-Оннеса) [].

У повітрі з тиском, близьким до нормального, швидкість розповсюдження УЗК визначається температурою та вологістю повітря. Залежність швидкості розповсюдження УЗК від температури становить приблизно 0,17 %/°С і для сухого повітря визначається за наступною формулою []:

, (4.6)

де =331,45 м/с (швидкість розповсюдження УЗК у повітрі з температурою = 0 °С).

Залежність швидкості розповсюдження УЗК від вологості повітря не є цілком монотонною, має локальні мінімуми, але для визначення граничних змін швидкості розповсюдження ця залежність може бути записана наступним чином []:

, (4.7)

де ‑ швидкість УЗК у повітрі з вологістю ;

‑ парціальний тиск пари води у повітрі;

‑ атмосферний тиск;

‑ коефіцієнт, який залежить від частоти УЗК.

Наприклад, у діапазоні температур повітря від –20 до +40 °С швидкість розповсюдження УЗК частотою 40 кГц (=0,14) змінюється на 0,72 %, якщо вологість змінюється від 30 до 100 %.

До основних переваг цього ультразвукового методу контролю рівня можна віднести: можливість контролю рівня як РС так і сипучих речовин; незалежність вірогідності контролю рівня та точності вимірювань від зміни параметрів контрольованого рідинного середовища. До основних недоліків цього методу відносять: вплив на вірогідність контролю та точність вимірювань зміни параметрів газового середовища; вплив внутрішніх конструктивних елементів ємностей на роботу рівнемірів та УЗЗК; складність створення ефективних ультразвукових перетворювачів для газових середовищ.