Акустические локационные уровнемеры

В технике уже давно известны такие понятия, как эхолоты, гидролокаторы, акустические (ультразвуковые) дальномеры, а в последнее время и сонары (SOund NAvigation and Ranging). Несмотря на разные названия, принцип их функционирования одинаков — лоцирование или локация.

Локация предполагает определение расстояния до объекта путем воздействия на него упорядоченным физическим полем и получением ответной реакции. В акустической локации используются акустические поля, а перечисленные выше приборы можно однозначно называть акустическими локаторами.

В акустической уровнеметрии объектами локации являются границы раздела двух и более физических сред с различными, прежде всего, акустическими свойствами.

В акустических уровнемерах применяют два основных метода локации, как через жидкость, так и через газовую среду. Обычно диапазон рабочих частот составляет 0,1−2 МГц при зондировании через жидкость и 20−100 кГц при зондировании через газ.

При локации через жидкость «снизу» (рис. 5.3, а) или «сверху» (рис. 5.3, б) преобразователь ультразвукового датчика посылает короткие ультразвуковые импульсы и принимает их в виде эхо-сигналов, отраженных от границы раздела сред «газ-жидкость» или от дна резервуара.

Рис. 5.3. Локационные акустические уровнемеры контактные: а — локация «снизу» и б-локация «сверху».

На рис. 5.3: 1 — излучатель акустических колебаний; 2 — приемник; 3 — генератор зондирующего сигнала; 4 — усилитель принимаемого сигнала; 5 — блок обработки и индикации.

Время прохождения ультразвукового импульса от момента передачи до приема при известной скорости звука в жидкой среде с_ж пропорционально измеряемому расстоянию, т. е. уровню г = 2/г/с_ж. При этом значение уровня рассчитывается, как h = с_жт/2. Определенное таким образом значение уровня жидкой среды преобразуется в электрический сигнал нужного формата. Описанные случаи локации через жидкость относятся к контактным методам уровнеметрии, когда преобразователи имеют непосредственный контакт с контролируемой жидкостью, что не всегда можно использовать. Локация через жидкость предпочтительней, так как при этом требуется меньшая мощность излучателя, и меньшее усиление сигнала в приемной части уровнемера.

Недостатком таких уровнемеров является то, что их показания сильно зависят от свойств жидкости (от возможных изменений ее состава и температуры), приводящих к изменению скорости распространения ультразвука. Кроме того, существует ряд случаев, когда применение таких уровнемеров невозможно: нет доступа к нижней части емкости; на дне емкости имеются осадки, сильно поглощающие ультразвуковые колебания; жидкость насыщена большим количеством газа и при падении давления в емкости происходит интенсивное его выделение, приводящее к большому рассеянию ультразвука.

При локации через газовую среду излучатели и приемники находятся сверху, непосредственно на крыше резервуара и с жидкостью контакта не имеют (рис. 5.3). Такие уровнемеры обеспечивают т. н. бесконтактный метод измерения и могут применяться для измерения уровня большинства жидкостей, в том числе и агрессивных. Искомое значение уровня жидкой среды может быть найдено как h = Н — с, г/2, где — с, — скорость распространения звука в газовой среде.

Метод локации через газ требует применения эффективных акустических преобразователей, так как при излучении ультразвуковых колебаний в газ ввиду существенной разницы между акустическими сопротивлениями этих сред происходит значительная потеря энергии на отражение. Кроме того, при локации через газ существенное влияние оказывает (на низких частотах) дифракционное расхождение, приводящее к значительному ослаблению принимаемого звукового сигнала при больших расстояниях.

Иногда для исключения этих потерь используют излучение в трубу, которая одновременно является также и успокоителем уровня колеблющейся жидкости.

При акустической локации применяют два варианта устройства датчиков: с одним, т. н. обращенным акустическим преобразователем с функциями и излучателя и приемника (рис. 5.4, а) и с двумя 1 и 2 преобразователями с раздельными функциями (рис. 5.4, б).

Применение одного обращенного преобразователя, выполняющего функции и излучателя 1 и приемника 2, требует применения управляющего воздействия (блок 5, рис. 5.4, а), для переключения преобразователя с функции излучения на функцию приема акустической волны.

Схема функционирует следующим образом.

Пусковым импульсом от блока 5 активизируется схема возбуждения излучателя, которая вырабатывает серию зондирующих сигналов.

Частота ультразвуковых колебаний ориентировочно может лежать в диапазоне от 30 до 100 кГц в зависимости от типа датчика, а частота повторения пачек импульсов находится между 14 и 140 Гц.

Тем же пусковым импульсом блокируется вход усилителя 4 приёмника. После выключения излучателя приёмник переводится в ждущий режим. Отраженный от границы раздела сред сигнал воспринимается преобразователем 2 и через блок приемного усилителя 4 в виде аналогового сигнала поступает на блок обработки 5.

То, что излучатель и детектор выполнены в одном корпусе, обеспечивает компактность конструкции датчика и не требуют сложной установки.

Схема с одним преобразователем имеет существенный недостаток, который состоит в том, что после излучения пачки импульсов должно пройти некоторое время, прежде чем мембрана излучателя успокоится и сможет работать на приём. Этот интервал называется «мёртвым» временем датчика. Наличие «мёртвого» времени приводит к тому, что ультразвуковые измерители расстояния с одной головкой имеют так называемую «слепую» зону. Это тот случай, когда объект локации находится слишком близко от преобразователя, отражённый сигнал приходит в измеритель так быстро, что тот не успевает перестроиться с передачи на приём и измерение уровня, как таковое, не состоится.

Рис. 5.4. Локационные акустические уровнемеры бесконтактные: а-с одним «обращенным» преобразователем и б-с двумя преобразователями с раздельными функциями

«Слепые» зоны могут иметь значительные размеры. Так, например, граница «слепой» зоны для ультразвуковых датчиков фирмы Pepperl+Fuchs традиционных конструкций с диапазонами измерения 1 м и 6 м равняется 0,2 м и 0,8 м. Это соответствует «мёртвому» времени 1 мс и 5 мс.

Путем применения двух раздельных преобразователей (рис. 5.4, б) на излучение и прием сигналов минимальное расстояние обнаружения («слепая зона») может быть уменьшено по сравнению со случаем использования единого обращенного преобразователя. Если приемный преобразователь акустически разделён с излучающим преобразователем, то, практически, отражённый сигнал может быть принят сразу, лишь с некоторой небольшой задержкой, определяемой переходимыми процессами в преобразователях. При этом следует обеспечить максимальную чувствительность схемы за счёт правильного выбора одной и той же резонансной частоты для излучателя и приёмника. Оба преобразователя могут располагаться в одном корпусе (совмещенные преобразователи) или устанавливаться раздельно.

Классический метод определения времени прохождения УЗ импульса основывается на использовании триггерных схем для формирования гак называемых «временных ворог» и подсчете количества импульсов в цуге, соответствующем определяемому времени. При этом начало измеряемого интервала устанавливается по переднему фронту возбуждающего импульса, а его окончание определяется в момент равенства опорного напряжения и мгновенного значения напряжения УЗ импульса, подаваемых на входы порогового устройства.

Одно из основных условий нормального функционирования локационных уровнемеров — определенное взаимное положение источника — приемника ультразвуковых колебаний и отражающей поверхности уровня. Волнение поверхности жидкости в сосуде, наклон сосуда или датчика — излучателя могут привести к тому, что отраженный сигнал либо вообще не попадет на приемник, либо попадет настолько ослабленным, что не вызовет срабатывания схемы измерения времени. В подобных условиях, как говорилось выше, приходится применять специальные меры — размещать датчик в успокоительных камерах, использовать звуководные трубы.

На результат контроля могут оказывать нежелательные сигналы, отраженные от конструктивных элементов, расположенных внутри резервуара. Эффективным средством является применение интеллектуальных датчиков. Эти устройства, разработанные специально для определения уровня заполнения резервуара, запоминают отражённый сигнал при пустом резервуаре. При этом фиксируются все отражения от технологической оснастки, встроенной в резервуар, такой как мешалки, нагревательные спирали или аварийные трапы. При изменении уровня заполнения картина отражений сравнивается с исходной картиной, полученной при пустом резервуаре. «Обнаруженными» считаются объекты, нс присутствовавшие при предварительном конфигурировании. Случайные сигналы помех исключаются в ходе проверки на достоверность.

Проблемой локационных уровнемеров, базирующихся на оценке времени прохождения сигнала, является зависимость измеренного времени от скорости распространения звука. На скорость звука в воздухе влияет ряд факторов, таких как температура, атмосферное давление, влажность и состав воздушной среды. Конечно, для полного учёта всех этих факторов можно было бы использовать набор датчиков состояния воздуха и на основании полученных данных вычислять скорость распространения сигнала в воздухе. На практике достаточно компенсировать влияние температуры, так как именно температура имеет наибольшее влияние на скорость распространения звука.

Обычно скорость звука в рабочей среде определяется экспериментально в процессе градуировки уровнемера. Для этого на точно измеренном расстоянии / от излучателя — приемника — устанавливают специальный отражатель-репер, а измерительную схему дополняют переключающим устройством, позволяющим индицировать отраженный от него сигнал. Скорость звука определяется как с = 2//г, где г — время прохождения сигнала от излучателя до отражателя и обратно на приемник.

Аналогичный принцип используется и в уровнемерах с автоматической компенсацией изменения скорости распространения звука. В этих уровнемерах наряду с основным каналом для измерения уровня имеется дополнительный компенсационный канал строго фиксированной длины / и постоянно заполненный веществом, через которое ведется локация уровня.

Определённая таким способом реальная скорость распространения звука может быть передана через средства сопряжения рабочим датчикам или внешнему (главному) устройству обработки информации.

Использование компенсационных схем позволяет существенно уменьшить погрешность локационных уровнемеров.

См. Приложение В:

Акустические локационные уровнемеры Метран 3100.