Эксперт в измерении расхода, объема и уровня

+7 (343) 373-74-14

г. Екатеринбург, ул. Репина 52, офис 3.4

Дилеры

Современные ультразвуковые уровнемеры

30 сентября 2019 года
Современные ультразвуковые уровнемеры

Производитель ультразвуковых датчиков Pulsar

Компания Pulsar Process Measurement Ltd., или просто Pulsar («Пульсар»), которая была основана в 1997 году в г. Малверн (Великобритания), не зря всего за 20 лет успела заслужить репутацию одного из мировых лидеров в производстве бесконтактных измерительных приборов – ультразвуковых датчиков расхода, уровня и объема жидкостей. Этот производитель выпускает оборудование с характеристиками, которых больше не может добиться ни один разработчик. Погрешность измерения ультразвуковых приборов Pulsar достигает 0,01 %. На них получен сертификат MCERTS, который свидетельствует, что Агентство по охране окружающей среды Британии и Уэльса выражает уверенность в результатах мониторинга, осуществленного с помощью этого оборудования.

Столь высокой точности разработчикам удалось достичь в результате кропотливой работы как над конструкцией приборов, так и над их программным обеспечением. В датчики Pulsar заложен целый ряд интересных инновационных технологий, благодаря которым разработчикам удалось расширить возможности самого метода ультразвукового контроля. Рассмотрим эти новые возможности на примере ультразвуковых датчиков уровня серии dB (рис. 1).

Рис. 1. Ультразвуковые уровнемеры серии dB

 

Проблемы ультразвукового метода измерения

Чтобы понять достоинства ультразвуковых датчиков уровня от Pulsar, сперва остановимся на проблемах, обусловленных самим методом измерения.

Ультразвук применяется для определения уровня много десятилетий. Зная скорость распространения звука в воздухе (344,1 м/с при 20°С) и измерив время, за которое звуковая волна прошла до поверхности измеряемой среды и, отразившись, вернулась обратно, можно определить, на каком расстоянии от сенсора находится измеряемая среда. Именно так работают все ультразвуковые датчики уровня в лабораторных, то есть «тепличных» для них, условиях. Полевые же условия намного жестче. Например, в замусоренном колодце с большим количеством посторонних предметов, корректно работают единицы уровнемеров. Это происходит по нескольким причинам.

Во-первых, температура не является постоянной величиной в 20°С. Если температура поднимается до 25 °C, измеренное расстояние уменьшается на 0,17% на 1 °C, т.е. при измерении расстояния в 10 м погрешность составит 85 мм. Поэтому, чтобы уменьшить ошибки, современные преобразователи имеют встроенные датчики температуры, которые корректируют расстояние в зависимости от температуры, т.е. имеют температурную компенсацию.

Во-вторых, сигнал отражается от многих поверхностей, что приводит к появлению множества побочных отраженных сигналов и, естественно, сказывается на точности измерений.

В-третьих, кроме побочных эхо-сигналов работе датчика мешают помехи электрической сети, источником которых является он сам, вернее, его источник питания. Наводки же от такого оборудования могут быть весьма сильными, поскольку точность измерения будет выше при мощном исходящем звуковом сигнале, а этого обычно добиваются с помощью достаточно мощного источника питания, резистивного или емкостного. В конечном счете пользователю приходится ломать голову над задачей, что предпочесть: высоковольтные датчики, требующие использования специализированных экранированных соединительных кабелей, или датчики с малой потребляемой мощностью, которые будут выдавать удовлетворительные результаты лишь в самых простых условиях.

Еще один важный фактор, обусловленный методом эхолокации, – ограниченная рабочая область ультразвукового датчика. Волна с низкой частотой распространяется на большее расстояние. Так, акустический сигнал частотой 20 кГц идет в 4 раза дальше, чем сигнал в 40 кГц. При этом использовать низкочастотные датчики не всегда оправданно, поскольку чем выше частота, тем выше точность измерений. Поэтому разработчикам ультразвуковых приборов приходится искать баланс, чтобы добиться оптимального сочетания дальности действия и точности, и далеко не всем удается удачно разрешить данную проблему.

Но при всех этих сложностях ультразвуковые датчики весьма широко востребованы, потому что у них есть неоспоримые преимущества: бесконтактное измерение и при этом абсолютная безопасность исходящего сигнала. Такие приборы незаменимы в нефтяной и атомной промышленности, газовой индустрии и энергетике, пищевой индустрии и медицине, на гидротехнических сооружениях и объектах водно-хозяйственного комплекса.

А теперь представьте себе ультразвуковые датчики уровня, в которых все перечисленные выше проблемы успешно разрешены. Они имеют низкое потребление и мощный сигнал, фиксируют только основной эхо-сигнал, а побочные отсекают, просты в установке и эксплуатации. Именно такое решение разработала компания Pulsar.

 

Решение в датчиках уровня dB

Проблему баланса между частотой и дальностью действия компания Pulsar решает с помощью большой линейки, включающей модели с разной частотой и разной рабочей областью. Например, датчики с самой высокой частотой 125 кГц обеспечивают измерения в диапазоне от 0,3 до 3,6 м. Их погрешность составляет всего 1 мм. Для проектов, где должны проводиться измерения на дальних расстояниях (до 50 м) выпускаются модели с частотой сигнала 20 кГц. У них больше так называемая «мертвая» зона (2 м), а погрешность составляет 10 мм. Хотя можно предположить, что на расстоянии в несколько десятков метров лишний сантиметр не будет играть решающей роли. Список ряда моделей серии dB приведен в табл. 1.

Таблица 1. Датчики уровня серии dB: сочетание частоты и диапазона измерений

Модель

Частота

Угол раскрытия, град.

Диапазон измерения, м

Точность, мм

dB3

125

10

0,3…3,6

1

dB6

75

10

0,3…7,2

2

dB10

50

10

0,3…12

3

dB15

41

8

0,3…18

5

dB25

30

6

0,6…25

5

dB40

20

5

1,2…40

10

dB50

20

5

2,0…50

10

Физический угол луча преобразователя зависит от частоты и диаметра поверхности преобразователя. Однако, используя разные методы обработки сигнала, компания Pulsar эффективно уменьшает угол луча.

Датчик обладает экранированным кабелем, защищающим от помех, по которому осуществляется цифровая передача данных. Пьезоэлемент, преобразователь сигналов и печатная плата заключены в гидроизолирующий компаунд и корпус из полибутилентерефталата Valox 357. По заказу выпускаются датчики со специальными компонентами: с козырьками для защиты от затопления, с корпусом и уплотненной рабочей поверхностью из ПВДФ для применения в агрессивных средах, с накладкой излучателя из пеноматериала, с фланцами для санитарно-технических систем, с глухими фланцами, а также с широким выбором крепежных кронштейнов.

Датчики dB можно отнести к устройствам малой мощности. Однако при этом специалисты компании Pulsar разработали специальный набор для наведения эхо-сигнала. Он позволяет направлять датчик на выпускное отверстие, обеспечивая максимально возможную мощность эхо-сигнала. С помощью этого набора датчик легко поворачивается и фиксируется. Его можно поворачивать, подстраивая к положению емкости и углу естественного откоса измеряемого материала.

Поскольку погрешность измерения повышается с ростом температуры, все преобразователи снабжены датчиком температуры, показания которого учитываются программой. Об этой программе следует сказать особо.

Задача микропрограммы ультразвукового датчика – различать сопутствующие эхо-сигналы и отслеживать только истинный эхо-сигнал. Новейшая микропрограмма DATEM (или «Цифровое адаптивное отслеживание движения эхо-сигналов») компании Pulsar справляется с этим в самых сложных условиях. Микропрограмма DATEM используется как на ультразвуковых датчиках, так и на радиолокационных датчиках непрерывного излучения с частотной модуляцией, предназначенных для измерения уровня.

Рис. 2. Визуальное представление отслеживания эхо-сигнала

На рис. 2 изображено, как отслеживается эхо-сигнал.

«Выбранное эхо» — это сигнал, отразившийся от исследуемого объекта и поступивший на датчик-преобразователь.

«Эхо-маркер» — эхо-сигнал, который программа определяет как измеряемый уровень.

«Створ» — заданное расстояние по обе стороны от эхо-маркера, определяющее «нормальную» область, в пределах которой изменяется эхо-сигнал.

«Ближняя мертвая зона» — расстояние от поверхности излучателя датчика, в пределах которого невозможна регистрация эхо-сигналов.

«Дальняя мертвая зона» — расстояние за пределами диапазона датчика-преобразователя.

«Запретная зона» — пороговое значение, ниже которого сигналы должны игнорироваться.

Datum line (Условная линия) — обозначает рассчитанный шумовой порог, например, линия донного сигнала.

Empty level (Уровень пустой емкости) — максимальное расстояние, которое может быть измерено, когда исследуемый объект (например, резервуар или колодец) пуст.

Как показано на изображении, анализируются эхо-сигналы, которые находятся выше границы потери сигнала, при этом отбирается сигнал, отражающийся от трубопровода, поскольку последний имеет достаточно большой размер и расположен ближе всего к поверхности излучателя. Но нам необходимо измерить уровень сточных вод.

С помощью ПО DATEM можно задать приблизительное расстояние до уровня сточных вод (например, 4 м). После этого контроллер скорректирует границу потери сигнала (синяя линия) для нежелательных сигналов, чтобы скрыть их. Далее выбирается нужный эхо-сигнал, который и отслеживается по мере повышения/понижения уровня. Программное обеспечение DATEM также может подстраиваться под изменяющиеся условия, такие как скопление осадка и жира.

ПО DATEM назначает максимальные значения для эхо-сигналов согласно параметру «Створ», что позволяет параметру «Эхо-маркер» отслеживать выбранный эхо-сигнал по мере изменения уровня. Для выхода эхо-маркера за пределы створа новый эхо-сигнал:

1) должен быть выше предела потери сигнала;

2) должен быть устойчивым (благодаря этому эффективно отбрасываются шумовые выбросы и эхо-сигналы от соседних датчиков-преобразователей).

Несмотря на столь сложное устройство, контроллеры и датчики Pulsar просты в применении, имеют удобный интерфейс и меню с пошаговой настройкой параметров.

Чтобы понять, как работают ультразвуковые датчики уровня dB, в рамках "Вопрос-Ответ" отвечает техническийу директор Группы компаний «Аква-тэк» Федотовских Павлу Николаевичу.

 

Какими методами удается уменьшить угол раскрытия и почему это важно для измерения уровня? Насколько сильно корректировка угла раскрытия влияет на цену прибора?

Угол раскрытия определяет направление излучения ультразвукового датчика (рис. 3). За пределами угла раскрытия излучение почти не чувствуется.

Рис. 3. Схематическое отображение угла раскрытия

Физический угол луча ультразвукового преобразователя зависит от частоты излучаемых ультразвуковых колебаний и площади излучающей поверхности пъезоэлемента преобразователя:

  • dB3 - 125kHz  - 10 градусов
  • dB6  - 75kHz - 10 градусов
  • dB10  - 50kHz - 10 градусов
  • dB15 - 41kHz - 8 градусов
  • dB25 - 30kHz - 6 градусов
  • dB40 - 20kHz - 5 градусов
  • dB50 – 20kHz - 5 градусов

Для точного расчета расстояния до измеряемой поверхности датчик уровня должен испустить ультразвуковой сигнал, а затем принять и распознать какой из отраженных эхо-сигналов соответствует измеряемому уровню.

В реальных условиях эксплуатации звук отражается от множества объектов. Чем больше угол раскрытия луча, тем больше посторонних объектов попадет в зону распространения луча и тем больше отраженных эхо сигналов вернется к преобразователю и наоборот. Датчик выберет тот эхо-сигнал, который сильнее остальных, вызывая ложные измерения.

По этой причине производители стремятся уменьшить угол раскрытия как на аппаратном, так и на программном уровне.

Уменьшение угла раскрытия аппаратными методами ведет к резкому увеличению стоимости оборудования и снижению конкурентной способности приборов.

Компания Pulsar смогла эффективно уменьшить угол раскрытия луча, используя методы цифровой обработки эхо-сигнала. Она разработала и запатентовала уникальное программное обеспечение DATEM для удаления ложных эхо-сигналов и точного измерения уровня жидких и сыпучих материалов (рис. 4).

Рис. 4. Работа программного обеспечения DATEM для удаления ложных эхо-сигналов и точного измерения уровня

Созданная цифровая система приспосабливается к существующим условиям эксплуатации и с высокой точностью отслеживает динамику изменения отраженного сигнала эхо. Она способна запоминать все отражённые от ложных объектов эхо-сигналы и сравнивать их с вновь поступающими. Датчик реагирует только на те эхо-сигналы, которые отразились от контролируемой поверхности, исключая влияние посторонних объектов.

С помощью использования какого решения достигается мощный сигнал при невысокой потребляемой мощности?

Узкий угол раскрытия. В процессе распространения ультразвуковой волны лучи расходятся, площадь фронта волны увеличивается. Поскольку количество энергии ультразвукового луча остается величиной постоянной, то, чем больше угол раскрытия, тем меньше энергии доходит до измеряемой поверхности. Узкий луч (угол раскрытия) датчиков уровня Пульсар позволяет сохранить и эффективно использовать максимум излучаемой энергии луча.

Резонанс - При помощи резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. При воздействии на пьезопластину переменным напряжением или ультразвуковой волной (обратный или прямой пьезоэффект) амплитуда колебания ее будет тем выше, чем ближе частота переменного напряжения или УЗ волны собственной частоте пьезопластины. При совпадении этих частот возникает резонанс.

Собственная частота пьезопластин зависит от материала, из которого она изготовлена и от ее толщины. Тонко подобранные характеристики пъезопластин для датчиков с различными частотами излучения позволил максимально использовать явление резонанса для получения высокой мощности излучения.

Короткий зондирующий импульс – как известно, чем короче зондирующий сигнал, тем точнее измерение. Встроенный преобразователь позволяет создать пиковое напряжение 3000 вольт и короткий, мощный зондирующий сигнал (рис. 5).

Рис. 5. Принцип работы уровнемера серии dB

 

Установка датчика – отдельная задача для эксплуатантов. Большинство пытается сэкономить, установив датчики собственными силами. Насколько сложна установка уровнемера серии dB?

Как правило процесс монтажа занимает около получаса. Точно и правильно смонтировать датчик может любой аккуратный и ответственный слесарь, обладающий определённым опытом работы со слесарно-монтажным инструментом. Работа осложняется только тем, что в большинстве случаев работать приходится в нестандартных условиях (таких, как на высоте, в стесненных условиях).

После окончания монтажа необходима калибровка прибора. С помощью программного обеспечения DATEM установленного на ПК нужно выбрать необходимый нам для измерения эхо-сигнал.

2019 © ООО «Аква-тэк СП» - Эксперт в измерении расхода, объема и уровня. Все права защищены.
Политика конфиденциальности Политика cookies Карта сайта
Разработка сайта - Нендо
На сайте используются файлы cookie для улучшения сервиса (подробнее) Принять