Вимірювання рівня рідинних середовищ

Ультразвуковий метод, за яким рівень рідини контролюється за часом проходження УЗК у РС відстані між ультразвуковим перетворювачем та межею розподілу рідина–газове середовище, найчастіше використовують у портативних ультразвукових рівнемірах. Завдяки використанню накладних ультразвукових перетворювачів такі рівнеміри широко використовують для контролю рівня рідин, зріджених газів, а також меж розподілу рідин з різною густиною у залізничних та автомобільних цистернах, ємностях та технологічних апаратах. Вони широко використовуються на нафто - та газопереробних, а також хімічних підприємствах та підприємствах – постачальниках нафтопродуктів.

Принцип роботи цих рівнемірів полягає в наступному (див. рис. 1.8). Генератор 1 управляє роботою генератора 2 та блоком 5 вимірювання часу. Генератор 2 формує короткі імпульси для збудження п‘єзоелектричного випромінювача 3. Випромінювач 3 перетворює електричні імпульси в УЗК, які розповсюджуються в рідині, відбиваються від границі розподілу газ–рідина та повертаються до випромінювача 3, який перетворює їх у електричні імпульси. Ці електричні імпульси підсилюються підсилювачем 4 і подаються до блоку вимірювання часу 5, який визначає час проходження УЗК подвійної відстані від випромінювача 3 до границі розподілу газ – рідина. Розраховане значення часу передається до вторинного приладу 6, де за формулою (4.2) розраховується рівень рідини ].

Оскільки швидкість розповсюдження УЗК в повітрі суттєво залежить від температури, то для зменшення впливу цього параметра на вимірювання рівня в рівнемірах [], які контролюють рівень за часом проходження ультразвуковим імпульсом відстані між ультразвуковим перетворювачем та поверхнею контрольованого РС у газовому середовищі, використовуються датчики температури []. Ці рівнеміри працюють наступним чином. Блок обробки та управління 2 (рис. 4.9) подає управляючий сигнал у блок формування імпульсів збудження 3, який генерує імпульс збудження, та вмикає внутрішній лічильник. Імпульс збудження подається на ультразвуковий перетворювач 5, який під дією цього імпульсу генерує ультразвуковий сигнал. Цей сигнал випромінюється ультразвуковим перетворювачем 5 у напрямку поверхні контрольованого РС 7 та відбивається від неї. Відбитий сигнал сприймається та перетворюється ультразвуковим перетворювачем 5 в електричний сигнал. Далі цей сигнал підсилюється блоком підсилення 4, коефіцієнт підсилення якого регулюється блоком обробки та управління 2.

Підсилений сигнал надходить до блоку обробки та управління 2, де порівнюється з усталеним значенням. Якщо сигнал більший від усталеного значення, то у блоці обробки та управління 2 фіксується час проходження ультразвуковим сигналом подвійної відстані від ультразвукового перетворювача 5 до поверхні контрольованого РС 7. За допомогою датчика 6 визначається температура повітря в ємності. За визначеною температурою розраховується швидкість розповсюдження УЗК за формулою (4.6), після чого розраховується рівень контрольованої речовини за формулою (4.2). Розраховане значення рівня передається в блок індикації 1. До основних переваг таких ультразвукових рівнемірів можна віднести високу точність вимірювання та малу зону нечутливості. Але вони мають ряд суттєвих недоліків, які обмежують їх використання. До них відносяться: суттєва залежність швидкості розповсюдження УЗК від тиску повітря та його складу, неможливість використання в ємностях з газовим середовищем, відмінним від повітря [].

Рис. 4.9. Ультразвуковий рівнемір з давачем температури

Для зменшення впливу параметрів газового середовища на точність вимірювання рівня використовують метод визначення швидкості розповсюдження УЗК за часом проходження ультразвуковим імпульсом фіксованої відстані в газовому середовищі. У рівнемірах, які використовують цей метод, для визначення швидкості розповсюдження УЗК можуть використовувати додатковий ультразвуковий приймач, який установлений на фіксованій відстані від ультразвукового випромінювача [], або використовувати додаткові випромінювач та приймач УЗК, які встановлено на фіксованій відстані один від одного [].

Також в ультразвукових рівнемірах для визначення швидкості розповсюдження УЗК використовують встановлену на фіксованій відстані від ультразвукового перетворювача відбиваючу поверхню (репер) []. Принцип роботи цих рівнемірів полягає в наступному (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Ультразвуковий рівнемір з визначенням швидкості

розповсюдження ультразвуку

Блок обробки та управління 2 подає управляючий сигнал у блок формування імпульсів збудження 3, який генерує імпульси, та вмикає внутрішній лічильник []. Імпульс збудження подається на ультразвуковий перетворювач 5, який під дією цього імпульсу генерує ультразвуковий сигнал. Цей сигнал випромінюється ультразвуковим перетворювачем 5 у напрямку поверхні контрольованого рідинного середовища 7. На фіксованій відстані від ультразвукового перетворювача 5 встановлена реперна поверхня 6, яка відбиває частину випроміненого сигналу. Відбитий ультразвуковий сигнал від реперної поверхні 6 та відбитий сигнал від поверхні контрольованого РС 7 сприймаються та перетворюються ультразвуковим перетворювачем 5 у відповідні електричні сигнали. При цьому відбитий ультразвуковий сигнал від реперної поверхні 6 завжди сприймається першим. Ці електричні сигнали, які рознесені у часі, підсилюються блоком підсилення 4, коефіцієнт підсилення якого регулюється блоком обробки та управління 2. Підсилені сигнали надходять до блоку обробки та управління 2, де порівнюються з усталеним значенням. Якщо сигнал є більшим від усталеного значення, то у блоці обробки та управління 2 фіксується час проходження ультразвуковим сигналом подвійної відстані від ультразвукового перетворювача 5 до реперної поверхні 6, або час проходження ультразвуковим сигналом подвійної відстані від ультразвукового перетворювача 5 до поверхні контрольованого рідинного середовища 7 (у залежності від того, який надходить сигнал). Рівень контрольованої рідинного середовища визначається за наступною формулою:

, (4.8)

де ‑ рівень контрольованої речовини;

‑ висота ємності;

‑ фіксована відстань від ультразвукового перетворювача до реперної поверхні;

‑ час, за який ультразвуковий імпульс проходить подвійну відстань від ультразвукового перетворювача до реперної поверхні;

‑ час, за який ультразвуковий імпульс проходить подвійну відстань від ультразвукового перетворювача до поверхні контрольованого РС.

Розраховане значення рівня передається у блок індикації 1. До переваг ультразвукових рівнемірів з визначенням швидкості розповсюдження ультразвуку можна віднести їх малу чутливість до зміни параметрів газового середовища, малу похибку вимірювання. Але суттєвим недоліком цих рівнемірів є наявність достатньо великої зони нечутливості та неможливість вимірювання рівня в ємностях з великим надлишковим тиском.

Сучасні виробники засобів контролю та вимірювання рівня приділяють значну увагу покращенню метрологічних характеристик ультразвукових засобів контролю та вимірювання, використовуючи новітні технічні рішення для зменшення впливу на їх роботу таких факторів, як температура, тиск і склад газового середовища, внутрішні елементи конструкції ємності (мішалка, труби, перегородки) тощо. За кордоном широке розповсюдження отримали ультразвукові рівнеміри з температурною компенсацією. Це дозволило зменшити температурну похибку вимірювання. За таким принципом побудовані рівнеміри фірми Siemens AG та Perpel+Fuchs GmbH [50, 51]. Характеристики сучасних ультразвукових засобів контролю та вимірювання рівня приведені в табл. 1.1 [50 - 60].

Сучасні УЗЗК рівня РС, завдяки використанню мікропроцесорної техніки та складного програмного забезпечення, стійкі до різного роду як електричних, так і акустичних перешкод. У рівнемірах SITRANS LU 01 і SITRANS LU 02 фірми Siemens AG використовується програмне забезпечення, яке базується на алгоритмах обробки сигналів Sonic Intelligence [].

Для зменшення впливу параметрів газового середовища у багатьох УЗВКР, наприклад МТМ900 (Україна) [] або ВЗЛЁТ УР (Росія) [], використовується реперна поверхня, яка може бути виконана у формі пластини (МТМ900) або кільця (ВЗЛЁТ УР).

Сучасні засоби контролю рівня обладнані цифровою індикацією та сигналізацією, мають стандартні електричні вихідні сигнали і можуть використовуватися в сучасних АСУ ТП і SCADA-системах завдяки можливості підключення до ЕОМ.

Аналізуючи сучасний стан ультразвукових засобів контролю рівня, слід відмітити, що незалежно від методів, які використовуються для зменшення впливу параметрів газового середовища, в цих приладах є суттєвий недолік – наявність зони нечутливості, яка збільшується при збільшені діапазону вимірювання.

Література:

1. Стенцель Й.І. Тіщук В.В. Метрологія та технологічні вимірювання в хімічній промисловості. Ч.1. (пункт 2.4).

2. Кулаков М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств. (раздел 6).

3. Хансуваров К.И., Цейтлин В.Г. Техника измерения давления, расхода, количества и уровня жидкости, газа и пара. (раздел 4).