Aktuální vydání

celé číslo

06

2019

Počítačová podpora vývoje a výroby, software pro řízení údržby 

celé číslo

Neinvazivní ultrazvukové měření polohy hladiny přes stěnu

Neinvazivní ultrazvukové měření polohy hladiny přes stěnu

Měření nebo detekce polohy hladiny kapalin je při řízení technologických procesů velmi častým úkolem. Současně lze říci, že jde o jeden z nejsložitějších úkolů. Důvodů pro to je mnoho:

  • různé a měnící se vlastnosti měřených kapalin (viskozita, hustota, vodivost, pH atd.),
  • široký rozsah provozních teplot a tlaků,
  • turbulence v kapalině, zvlnění hladiny, tvorba pěny na hladině,
  • usazeniny na dně a na stěnách nádrže.

Proto neexistuje univerzální snímač hladiny, ale používá se několik měřicích principů (vodivostní, kapacitní, plovákové, tlakové, mikrovlnné, ultrazvukové a jiné snímače). Každý má své klady i zápory, a pokrývá proto jen určitou část spektra úloh.

Měření hladiny přes stěnu

Princip ultrazvukového měření přes stěnu je celkem jednoduchý a vychází ze základních vlastností ultrazvukového vlnění. Ultrazvuk se šíří ve zvukově vodivém prostředí od svého zdroje rovnoměrně všemi směry. Na rozhraní dvou prostředí se ultrazvuková vlna odráží a láme. Míra odrazu je do značné míry dána rozdílem v hustotě obou prostředí: větší rozdíl v hustotách znamená lepší odraz a menší prostup vlny do druhého prostředí.

Obr. 1.

Obr. 1. Schéma měření polohy hladiny přes stěnu nádrže
Obr. 2. Ultrazvuková sonda

Ultrazvukový snímač se instaluje na vnější stranu stěny (dna) nádrže (obr. 1). Vyslaný ultrazvukový impuls se šíří stěnou nádrže, na rozhraní stěna-kapalina se část signálu odrazí zpět a postupně se utlumí ve stěně a část projde do kapaliny. Dále se signál šíří kapalinou až k její hladině, zde se na rozhraní kapalina-plyn (vzduch) díky velkému rozdílu hustot obou médií takřka kompletně odrazí a vrátí se zpět stejnou cestou ke snímači. Po příjmu echa snímač ze zaznamenané doby a ze známé rychlosti šíření zvuku ve stěně nádrže a v měřené kapalině vypočítá polohu hladiny kapaliny. Pro zpřesnění výsledků je možné zavést kompenzaci vlivu teploty, popř. vykonat referenční měření kompenzující vliv měnící se hustoty kapaliny.

Výhody

Výhody měření přes stěnu jsou jednoznačné a vyplývají přímo z použitého principu. Snímač se instaluje na vnější stranu stěny (dna) nádrže, a tak nevzniká kontakt snímače a měřené kapaliny nebo jejích par. Z toho vyplývají minimální náklady na instalaci. Není nutný jakýkoliv mechanický zásah do stěny nádrže. To je výhodné zejména při měření polohy hladiny toxických, korozivních nebo agresivních látek a také u nádrží s vysokými požadavky na hygienu. Na nádrž lze snímač snadno namontovat i dodatečně, za plného provozu. U tlakových nádob není třeba po instalaci vykonávat tlakovou zkoušku. Měření ultrazvukem lze bez problémů použít i v prostředí s nebezpečím výbuchu. Výsledky měření nejsou ovlivňovány tlakem či podtlakem v nádrži a přesnost měření neovlivňuje ani pěna na hladině. Polohu hladiny lze bez problémů měřit i ve velkých nádržích až do výšky 23 m.

Obr. 2.

Požadavky na instalaci

Existují ovšem rovněž určitá omezení a nevýhody. Za prvé, stěna nádrže musí být zvukově vodivá. Vhodné jsou plasty, sklo a všechny kovy, rovněž s povrchovou úpravou pogumováním nebo smaltováním. Měření není vhodné pro nádrže s dvojitými stěnami. Měřit lze polohu hladiny většiny kapalin a zkapalněných plynů, v kapalině ale nesmí být přítomno velké procento bublin nebo pevných částic. Kvalitu měření negativně ovlivňují také usazeniny v místě instalace sondy. Podmínkou též je, že vysílaný ultrazvukový paprsek musí být kolmý k hladině (max. odchylka ±5°).

Závěr

Existuje pestrá paleta snímačů polohy hladiny pracujících na různých měřicích principech. Vždy záleží na konkrétních podmínkách, která metoda měření je v daném případě nejvhodnější. Měření hladiny přes stěnu nabízí v tomto smyslu nové možnosti použití v oblastech, kde dříve jiné metody selhávaly nebo vyžadovaly extrémní náklady na instalaci a provoz.

Ing. Martin Dostalík, Sonotec s. r. o.

Sonotec s. r. o.
Absolonova 49
624 00 Brno
tel./fax: 541 223 211
mobil: 737 867 994
e-mail: sonotec@sonotec.cz
http://www.sonotec.cz