Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umis ováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN technická literatura redakce@ben.cz

kapitola 24 ULTRAZVUKOVÉ HLADINOMÌRY Prosonic M FMU 40 (dodává firma Endress+Hauser)

24.1 Pøehled ultrazvukové technologie 24.1.1 Vlastnosti ultrazvuku a ultrazvukových senzorù O ultrazvukových senzorech hovoøíme pokud jejich pracovní frekvence leží nad pásmem slyšitelným pro èlovìka, tj. nad 20 khz. Principy funkce ultrazvukových senzorù mohou být použity i pøi nižších frekvencích, pak hovoøíme o sonických senzorech. Podstatou zvuku a ultrazvuku [24-1, 24-2, 24-3] je vlnìní charakterizované zhuš ováním a zøeïováním vzduchu. Na rozdíl od elektromagnetického vlnìní jde (alespoò pøi šíøení vzduchem) o podélné (longitudální) vlnìní. Na obr. 24.1 je znázornìn smìr šíøení, smìr kmitání èástic kolem rovnovážných poloh a rovnìž vlnová délka [24-4]. VP USRK\EXþiVWLF λ VP Uãt HQtYOQ Qt Obr. 24.1 Zvuk jako vlnìní Lokální zhuštìní nebo zøedìní vzduchu oproti normálnímu barometrickému tlaku pøedstavuje akustický tlak. V pevných látkách se šíøí podélné i pøíèné vlnìní a to rùznými rychlostmi. Rychlost zvuku ve vzduchu je za normálních podmínek asi 340 m.s 1 a silnì závisí na teplotì, èásteènì i tlaku, v menší míøe na vlhkosti, atd. Intenzita zvuku, tj. plošná hustota pøenášeného výkonu klesá jednak se ètvercem vzdálenosti, za druhé také atmosférickým útlumem. Pøijímaè ultrazvukových odrazù obvykle kompenzuje rostoucí útlum signálu èasovì promìnným zesílením (pozdní odrazy jsou zesíleny více). Ultrazvukové hladinové spínaèe využívají mìnící se útlum vlnìní v prostøedí mezi vysílaèem a pøijímaèem podle pøítomnosti materiálu. Ultrazvukové spojité hladinomìry pracují (obvykle bezkontaktnì, tj. shora ) s odrazem signálu od hladiny a mìøením doby letu signálu k cíli a zpìt. Výjimeènì je používáno mìøení ode dna nádoby, tj. snímána je doba letu signálu kapalinou k hladinì a zpìt ke dnu. Podobnì, tj. ponoøeným senzorem, se mìøí hloubka dna pod èlunem. Výhodou spojitých ultrazvukových senzorù je (vìtšinou) absence doteku s materiálem. Jejich hlavní nevýhodou je znaèná závislost na vlastnostech atmosféry mezi pøevodníkem a hladinou. (Rychlost šíøení zvuku silnì závislá na teplotì, nemožnost pracovat ve vakuu, atd.) Také pìna na hladinì kapaliny zpùsobuje velký útlum a neposkytuje použitelné echo. 370 S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A

V prašném prostøedí mají ultrazvukové senzory èasto urèitou samoèisticí schopnost, protože èástice (pokud nejsou lepivé) se neudrží na vibrující ploše. 24.1.2 Ultrazvukové pøevodníky Pro generování (pøípadnì zachycení) ultrazvuku se používají pøevodníky rùzných typù. Nejèastìji používané jsou pøevodníky piezoelektrické, avšak vyskytují se také pøevodníky elektrostatické. Pro jiné technické úèely než mìøení vzdálenosti existují také pøevodníky magnetostrikèní. Elektrostatické pøevodníky vytváøí zvukové vlnìní pomocí pružné membrány z pokoveného plastu, která funguje jako pohyblivá elektroda a je elektrostatickými silami pøitahována k pevné elektrodì uvnitø pouzdra pøevodníku. Mnohem èastìji se používají piezoelektrické pøevodníky využívající mechanické deformace piezoelektrického materiálu pøi pøiložení elektrického napìtí (resp. generování el. náboje pod vlivem mechanické deformace). Jako materiál slouží sintrovaná piezokeramika žíhaná v elektrickém poli pøipojených elektrod. Pøevodník (typicky ve tvaru disku) obsahuje piezoelektrický materiál, vazební vrstvu pojiva a vnìjší ochranou vrstvu. Piezomateriál je buzen elektrickým napìtím znaèné amplitudy (200 400 V). Pro optimální úèinnost je pøevodník buzen na mechanické rezonanèní frekvenci systému pomocí elektrického rezonanèního obvodu. Dùležitou vlastností pøevodníku je smìrovost a vyzaøovací charakteristika. Úhel hlavního vyzaøovacího laloku (definovaný poklesem o 3dB) je nepøímo úmìrný prùmìru pøevodníku a frekvenci. Rozmìrnìjší pøevodník nebo vyšší frekvence tedy vytvoøí užší paprsek. Pøijímací charakteristika pøevodníku je shodná s vyzaøovací charakteristikou. Viz obr. 24.2. Typická šíøka hlavního laloku je asi 15. U širšího paprsku je energie rozptylována do vìtší plochy, takže také pøijatý odraz bude slabší. Naproti tomu úzké paprsky ultrazvuku vykazují vìtší kolísání úrovnì odrazu pøi zvlnìné hladinì [24-5]. Obr. 24.2 Vyzaøovací charakteristika ultrazvukového pøevodníku A 24 ULTRAZVUKOVÉ HLADINOMÌRY 371

Každý ultrazvukový pøevodník má koneènì krátkou dobu doznívání (ringing). Po tuto dobu nemùže fungovat jako pøijímaè signálu, èímž vzniká v blízkosti senzoru necitlivá mrtvá zóna (asi 0,2 0,8 m). Pokud se vzdáme výhody jednoduché konstrukce senzoru s jediným pøevodníkem, lze použít oddìlený pøijímaè a vysílaè a tak odstranit problém mrtvé zóny. Úhel dopadu na povrch cíle nesmí být pøíliš velký, jinak bude signál odražen mimo pøijímaè. To je tøeba respektovat také pøi mìøení sypkých látek a zohlednit sypný úhel. Turbulence vzduchu mùže citelnì ovlivnit èinnost senzoru nebo v extrémním pøípadì zcela odfouknout signál mimo pøijímaè. Problémy také zpùsobuje útlum ultrazvuku v parách nìkterých látek. Prach a páry si mohou vyžádat instalaci výkonnìjšího pøevodníku, než by bylo pro danou pracovní vzdálenost nutné. Pracovní teplota je vìtšinou omezena asi na 150 C materiálem pojiva mezi piezoelektrickým mìnièem a pouzdrem senzoru (membránou). Ultrazvukové senzory mohou být rušeny cizími zdroji zvuku. Napøíklad trysky tlakového vzduchu nebo vody mohou produkovat širokopásmový šum zasahující až do ultrazvukových frekvencí. Mechanické vibrace z okolí by mìly být omezeny pružným uložením senzoru. Pokud ve stejné nádobì pracuje více ultrazvukových pøevodníkù, mohou se vzájemnì rušit. Tomu lze zamezit vzájemnou synchronizací (takže nikdy nepracuje více senzorù souèasnì), kódováním vysílaného zvuku (a potlaèením cizích signálù) nebo volbou dostateènì odlišných pracovních frekvencí. 24.1.3 Rychlost šíøení zvuku Promìnlivá rychlost šíøení ultrazvuku v atmosféøe je nejvìtší slabinou tohoto snímaèe. Ostatní vlivy jako tlak a vlhkost jsou èasto ignorovány, avšak vliv teploty je nezbytné kompenzovat. Pro rychlost zvuku (m.s 1 ) ve vzduchu za teploty t ( C) pøibližnì platí: F= + W Pøesnìjší odhad poskytuje vzorec: (24.1) F = κ 5 7 (24.2) Kde k je adiabatická konstanta (1,402 pro vzduch), R je plynová konstanta pro vzduch (287,05 J.kg 1.K 1 ) a T je termodynamická teplota (t + 273,15 K). Jelikož vliv teploty na rychlost šíøení je znaèný (asi 0,6 m.s 1.K 1 ), provádí se bìžnì kompenzace teploty vzduchu mìøením (napø. zabudovaným termistorem). Problém nastane pokud existuje teplotní gradient podél dráhy paprsku, nebo pokud je odlišná teplota v místì mìøení a v pouzdru elektroniky (to nastane, napø. pokud na snímaè svítí slunce). Nìkteré ultrazvukové hladinomìry umožòují pøipojení externího teplomìru pro lepší kompenzaci. 372 S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A

U nìkterých ultrazvukových senzorù je kompenzace zmìn rychlosti šíøení øešena umístìním referenèního odražeèe ve známé vzdálenosti od senzoru. Odražeè poskytuje èásteèný odraz, který neblokuje funkci senzoru a protože je ve známé vzdálenosti, lze z nìj urèit rychlost šíøení. 24.2 Hladinové spínaèe Vìtšina ultrazvukových hladinových spínaèù je kontaktní, avšak vyrábìjí se také senzory mìøící skrz stìnu nádoby. Nìkteré spínaèe se podobají vibraèním spínaèùm, protože mìøí útlum signálu z vibrující membrány nebo jiné souèásti podle kontaktu s materiálem. 24.2.1 Transmisní-absorpèní spínaèe Zastínìní paprsku V nejjednodušším pøípadì bude vysílaè a pøijímaè umístìn na stejné úrovni na opaèných stranách vnitøního objemu nádoby [24-6]. Pøijímaè zachycuje signál z vysílaèe pouze pokud mezi nimi není pohltivý materiál (prášek, granulát apod.) viz obr. 24.3. Obr. 24.3 Transmisní senzor pro sypké materiály Zaplnìní mezery Provedení obvyklé pro detekci hladiny kapalin je na obr. 24.4. Uvnitø senzoru jsou dva piezokrystaly fungující jako vysílaè a pøijímaè. Pokud je mezera mezi nimi vyplnì- Obr. 24.4 Transmisní senzor pro kapaliny A 24 ULTRAZVUKOVÉ HLADINOMÌRY 373

na nestlaèitelnou kapalinou (napø. vodou), signál je úèinnì pøenášen od vysílaèe k pøijímaèi. Pokud hladina klesne a v mezeøe je vzduch (plynná atmosféra), úèinnost pøenosu podstatnì poklesne (útlum vzroste) a pøijímaè nezachytí žádný signál. Pro kašovité látky je použita konstrukce, kde vzdálenost mezi vysílaèem a pøijímaèem je vìtší a dovoluje steèení viskózního materiálu [24-7] viz obr. 24.5. Obr. 24.5 Snímaè s rozšíøenou vzdáleností mezi vysílaèem a pøijímaèem 24.2.2 Reflexní spínaèe Snímaè úrovnì kalu Snímaè je urèen k mìøení polohy rozhraní voda kal [24-8]. Pracuje podobnì jako hladinomìr se spouštìným závažím. Sonda na konci lana vysílá ultrazvuk a pøijímá echo odražené od reflektoru, jenž je souèástí sondy. Pokud podíl pevných èástic ve vodì (a tím i útlum signálu) stoupne nad nastavenou úroveò, pøístroj zaznamená délku odvinutí lana viz obr. 24.6. Obr. 24.6 Reflexní snímaè rozhraní voda kal 374 S. ÏAÏO, L. BEJÈEK, A. PLATIL: MÌØENÍ PRÙTOKU A VÝŠKY HLADINY A