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.