Существуют и находят применение акустические уровнемеры трех основных типов — локационные уровнемеры, уровнемеры поглощения и резонансные. Все они реализуют различные физические явления, связанные с распространением звука в упругой (жидкостной или газовой) среде.
Так, локационные уровнемеры (рис. 133) реализуют эффект отражения звуковой волны от поверхности раздела сред. Генератор Г излучает в жидкость пачку импульсов высокой (ультразвуковой) частоты. Отраженный от границы раздела жидкость—газ сигнал улавливается приемником П ультразвуковых колебаний. Время t между моментом посылки зондирующего импульса и моментом прихода отраженного от уровня импульса связано с текущим значением уровня зависимостью
t =— ——- , (13.10)
с ■ sin a
Рис. 133. Локацион- где с — скорость звука в контролируемой среде,
ный уровнемер Время t фиксируется соответствующей изме-
рительной схемой и преобразуется в выходной сигнал уровнемера, пропорциональный (при постоянном и известном значении с) текущему значению уровня h.
Локация уровня может производиться снизу (как показано на рис. 133) и сверху. Во втором случае по времени прохождения ультразвуковых колебаний через газ определяется толщина газовой подушки. Локация снизу предпочтительней, так как при этом требуется меньшая мощность излучателя и меньшее усиление сигнала в приемной части уровнемера.
Большинство локационных уровнемеров имеет одноэлементные датчики, у которых функции излучателя и приемника попеременно выполняет один и тот же элемент (при этом а в формуле (13.10) равно тг/2 и sina= 1).
Иногда, например, при измерении уровня агрессивных жидкостей или недопустимости нарушения целостности сосуда, датчик помещается в специальном кармане вне сосуда, и излучение зондирующего и прием отраженного сигналов производится через стенку днища сосуда. В этом случае карман заполняется веществом с акустическим сопротивлением, близким к сопротивлению контролируемой среды, а частота зондирующего сигнала выбирается такой, при которой влияние стенки сосуда на показания уровнемеров было бы минимальным. Обычно диапазон рабочих частот составляет 20—100 кГц при зондировании через газ и 0,1— 2 МГц при зондировании через жидкость.
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 системы измерения времени. В подобных условия;’ ло^оцьтсй: применять специальные меры — размешать датчик б услюкоителх чсгл чшере-кешл-Еогать звуксвсдные трубы к т, к,.
Недостаток локационных уровнемеров — их повышенная чувствительность к включениям в жидкости (микровзвесей, пузырьков газа). Этот недостаток отсутствует у двухканальных уровнемеров, работающих по схеме совпадений. В этом случае излучение ультразвуковых колебаний осуществляется одновременно двумя датчиками. Отраженные сигналы усиливаются и суммируются, срабатывание системы измерения времени происходит только от суммарного сигнала. Если же из-за наличия включений в зоне работы какого-либо датчика один из отраженных сигналов опережает другой, система измерения времени не срабатывает и, тем самым, исключается возможность ошибочного измерения уровня. Другой способ устранения влияния неоднородности жидкости и деформации уровня — использование звуководов. В этом случае локация уровня производится сверху, но не через-газ, а через специальный жидкостной или металлический звуковод. В точке встречи звуковода с жидкостью происходит отражение сигнала, по времени прихода которого к приемнику и определяется положение уровня жидкости. Такие уровнемеры (со звуководами) обладают сравнительно невысокой точностью (порядка ±3 %), но зато значительно расширяются их эксплуатационные возможности. В частности, они могут использоваться для измерения уровня низкокипящих жидкостей, при высоких температурах контролируемых веществ.
Основными факторами (кроме погрешностей измерительной схемы) , влияющими на точность локационных уровнемеров, являются тепловое расширение сосуда и изменение скорости звука в среде. Влияние последнего фактора особенно существенно при локации через газ, так как скорость звука в газе зависит от его температуры, давления, влажности. Обычно скорость звука в рабочей среде определяется экспериментально в процессе градуировки уровнемера. Для этого на точно измеренном расстоянии / от излучателя — приемника — устанавливают специальный отражатель, а измерительную схему дополняют переключающим устройством, позволяющим индицировать отраженный от него сигнал. Скорость звука определяется как с = 2//т, где т — 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. Измерительная схема сравнивает время прохождения звуком основного (?) и компенсационного (т) каналов и выдает сигнал, пропорциональный текущему значению уровня h = / • ф.
Использование компенсационных схем позволяет существенно (до ±0,1 %) уменьшить погрешность локационных уровнемеров.
Принцип действия диссипатавных ультразвуковых уровнемеров основан ка явлении рассеивания (поглощения) звуковой энергии в веществе. В гтоегей^ем случае диссипатгданьгй уровнемер (ряс. J34) состою: кз изп vixens И ? кркеиккка J7, установленных на дне к крмшке сосуда.
Выходной сигнал U уровнемера, пропорциональный отношению интен-сивностей излучаемой и регистрируемой звуковых волн, связан с текущим значением уровня зависимостью
£/ = е-2й(а>-<Ч (13.11)
где аг, «2 — коэффициенты затухания амплитуды звуковой волны в жидкости и газе соответственно.
Нелинейность функции преобразования (градуировочной характеристики), а также низкий КПД, обусловленный отражением звуковой энергии от границы раздела жидкость—газ (например, интенсивность преломленной ультразвуковой волны при прохождении’череэ границу вода-воздух составляет всего 0,001 падающей), препятствует промышленному освоению диссипативных уровнемеров.
Принцип действия резонансных уровнемеров заключается в возбуждении колебаний столба газа над уровнем жидкости и в фиксации резо-
нансной частоты, при которой наблюдается возникновение стоячей волны. Датчик уровнемера (рИс. 135) представляет собой трубчатый резонатор достаточной для образования стоячей волны длины L (L должно быть не менее трех диаметров резонатора и обеспечивать требуемый диапазон измерения уровня И). Для возбуждения колебаний резонатора используются магнито-электрические преобразователи М — обычно ленточные микрофоны.
Статическая характеристика преобразования резонансных уровнемеров опиисывается формулой
v =
(13.12)
где v — резонансная частота, фиксируемая измерительной схемой уровнемера.
Основные недостатки резонансных уровнемеров — сложность и громоздкость конструкции (особенно при больших диапазонах измерений уровня), а также существенное влияние на их показания изменений скорости с распространения звука в газовой среде.
Обратите внимание: