Tato poznámka k oblasti použití se zabývá měřením hladiny kapalin v nádobách nebo potrubí neinvazivní metodou přímého měření hladiny. Vysvětluje také způsob, jak prostřednictvím testu přítomnosti/nepřítomnosti určit přítomnost nebo nepřítomnost kapaliny v uzavřené nádobě.
Metody měření hladiny kapalin
Nejjednodušší metodou měření hladiny kapalin je přímý odečet na měrce nebo kalibrovaném plováku. Tato metoda ale není vhodná v některých případech, kdy uzavřenou nádobu nelze otevřít nebo je nutno zamezit přístupu vzduchu k jejímu obsahu. Ultrazvukové měření hladiny kapalin je zpravidla vhodným řešením v situacích, které vyžadují rychlé automatické měření hladiny ve velkém počtu nádob během procesu plnění.
Ultrazvukové měření hladiny kapalin je praktické i v následujících oblastech:
- Měření hladiny žíravých nebo reaktivních kapalin v chemickém průmyslu, kde nádobu nelze z bezpečnostních důvodů otevřít a charakter dané chemikálie nebo procesu neumožňuje instalaci vnitřního plovákového měřidla.
- Určování přítomnosti stojatých kapalin v potrubí zejména při průzkumu potrubí, které je třeba otevřít nebo řezat v rámci údržby.
- Kontrola hladiny kapalin na montážní lince pro různé automobilové díly, jako jsou palivové nádrže, převodovky, olejové vany motorů nebo diferenciály, kde je nutný rychlý a spolehlivý neinvazivní způsob měření. V některých případech tato zařízení používají v kombinaci s automatickým manipulátorem k nastavení polohy sondy pro měření plněných nádob v reálném čase. Výstup z měřicích přístrojů se používá k aktivaci stříkacích systémů pro označování nádob, jejichž náplň je mimo toleranci.
- Měření vrstvy ropy plovoucí na hladině vody v systémech pro zpracování ropy. V zásadě je možné měřit jakoukoli jednotlivou vrstvu kapaliny v situacích, kdy kapalina s odlišnou akustickou impedancí plave na jiné kapalině.
Obecně řečeno můžeme aplikace měření hladiny kapalin rozdělit do dvou kategorií: aplikace vyžadující měření skutečné hladiny (hloubky nebo výšky) kapaliny a aplikace vyžadující detekci přítomnosti nebo nepřítomnosti kapaliny v určeném bodě. Oba testy jsou popsány samostatně v následujících odstavcích.
Zařízení pro přímé měření hladiny
Hladina kapaliny se obvykle měří běžnými tloušťkoměry impulzní odrazovou technikou a v případě nutnosti většího rozsahu lze také použít standardní ultrazvukové tloušťkoměry nebo detektory vad. Sondy se vybírají na základě požadavků dané aplikace; obvykle ale mají frekvenci 1 MHz nebo 2,25 MHz. Doporučujeme některý z následujících přístrojů:
- Tloušťkoměry 39DL PLUS™ a 45MG se softwarem Single Element lze nakonfigurovat pro měření hladiny kapalin. Kromě digitálního displeje nabízejí tyto přístroje alarm vysoké/nízké úrovně a ukládání dat pro účely záznamu a dokumentace. Rozsah měření je zpravidla do 5" resp. 125 mm.
- Detektory vad EPOCH 650™ a EPOCH 6LT umožňují měření velmi dlouhých drah v kapalině (potenciálně delších než 4" resp. 1,25 m).
U všech těchto přístrojů je rozsah a přesnost dána konkrétními zkušebními podmínkami, které musí být stanoveny případ od případu. U většiny kapalin lze dosáhnout přesnosti ±0,1" (±2,5 mm).
Postup přímého měření hladiny
Hladina kapaliny v nádobě se měří připojením sondy ke dnu nádoby pomocí vazebního prostředku. Z tloušťkoměru jsou do sondy vysílány elektrické impulzy, které generují krátké ultrazvukové impulzy, jež se přenáší přes stěnu nádoby do kapaliny. Impulz se šíří kapalinou vzhůru, dokud nedosáhne hladiny, kde se odrazí a vrací se zpět, načež je sondou přijat.
Echo od hladiny kapaliny je přesně časované na základě elektronického nulového bodu, který odečítá dobu průchodu stěnou nádoby. Doba průchodu impulzu tam a zpět se převede na výšku hladiny kapaliny pomocí následujícího výpočtu:
h = vt/2
kde:
h = výška hladiny kapaliny
v = rychlost zvuku v kapalině
t = doba průchodu tam a zpět
Výška hladiny kapaliny se zobrazuje na digitálním displeji. Aby byla tato technika měření efektivní, je třeba vzít v úvahu některé níže uvedené faktory.
- Typ a tloušťka materiálu nádoby: Tyto faktory zvažte nejprve vzhledem k vlastnostem kapaliny a rozsahu výšky hladiny. Silnostěnné ocelové nádoby mohou vážně omezovat minimální měřitelnou hladinu v důsledku útlumu ve stěnách. Plastové nádoby mají akustické vlastnosti podobné celé řadě kapalin, a proto umožňují efektivní přenos zvuku ze sondy do kapaliny, což útlum ve stěnách minimalizuje.
- Stav povrchu stěny nádoby: Zkorodovaný povrch nádoby nebo důlky na povrchu mohou zkreslovat přenos zvukových impulzů a ztížit nebo znemožnit měření.
- Zakřivení nádoby: Silně zakřivené nádoby mohou zkreslovat zvukové impulzy nebo způsobovat nedostatečné spojení sondy s nádobou, což zabraňuje spolehlivému měření.
- Překážky: V dráze zvuku mezi dnem nádoby a hladinou kapaliny nesmí být žádné fyzické překážky (např. přepážky nebo plnicí trubky).
- Akustické vlastnosti kapaliny: Míra útlumu ultrazvuku v kapalině často určuje maximální hodnotu při měření hladiny. Ultrazvuk je obecně řečeno nejvíce tlumen v kapalinách o vysoké viskozitě a v kapalinách s vysokou koncentrací pevných částic.
- Teplotní vlivy: Změna teploty kapaliny způsobuje změnu rychlosti zvuku v této kapalině. Pokud není kalibrace rychlosti přístroje provedena tak, aby tyto změny v rychlosti kompenzovala, bude měřená výška hladiny nesprávná.
- Bublinky plynů: Bublinky vzduchu či jiných plynů rozptylují zvukové vlny a mohou způsobovat falešné odečty nebo odečtu dokonce zcela zabránit.
- Pohyb hladiny kapaliny: Hladina kapaliny v nádobě musí být obvykle nehybná, aby bylo echo od hladiny dobře čitelné.
- Složení kapaliny: Pro přesné měření musí mít kapalina rovnoměrné složení a teplotu.
- Připojení sondy ke stěně nádoby: Pro přenos zvukových impulzů ze sondy přes stěnu nádoby do kapaliny je nutné správné spojení sondy se stěnou nádoby.
Zařízení pro detekci přítomnosti/nepřítomnosti kapaliny
Doporučujeme použít např. detektor vad řady EPOCH, který je vhodný pro detekci přítomnosti/nepřítomnosti kapaliny na bázi pulzního echa. Typ použité kapaliny závisí na typu kapaliny a délce dráhy zvuku.
Postup detekce přítomnosti/nepřítomnosti kapaliny
Přesná konfigurace testu závisí na dané aplikaci. Obecně řečeno doporučujeme jednoduchou zkoušku impulzovou odrazovou technikou, pokud se jedná o nádobu nebo potrubí, jehož geometrie umožňuje přenos ultrazvukového impulzu přes sloupec kapaliny a příjem echa od vzdálené stěny. Nepřítomnost nebo přítomnost kapaliny může být signalizována vizuálním nebo zvukovým alarmem. V impulzovém odrazovém režimu prochází signál ze sondy do stěny nádoby. Pokud je v místě měření přítomna kapalina, projde část zvukové energie kapalinou a odrazí se od protější stěny nádoby, projde zpět kapalinou a skrze stěnu nádoby zpět do sondy. Pokud není přítomna žádná kapalina, nepřijímáme žádné koncové echo, ačkoli stěna nádoby, která je v kontaktu se sondou, určitá echa generuje. K této zkoušce se obvykle používají nízkofrekvenční kontaktní sondy. Na obrázku níže je kontaktní sonda 2,25 MHz připojena ke stěně ocelové nádrže o tloušťce přibližně 45 mm (18") . Echa na levé straně obrazovky představují vícenásobné dozvuky ve stěně nádrže a v červeném okně nejsou žádná echa. |
|
Po nastavení okna do okamžiku, kdy se předpokládá echo od vzdálené stěny, může operátor sledovat stav kapaliny. Pokud je přítomna kapalina, bude v okně zaznamenáno echo, jak ukazuje obrázek vpravo.
V určitých situacích ale nelze impulzní odrazovou metodu použít. Pokud není dráha zvuku mezi přední a zadní stěnou zcela volná, je nutno se při monitorování kapalin spolehnout na metodu útlumu ve stěnách. Tato metoda vyžaduje hladký a čistý povrch nádoby, aby bylo možné rovnoměrné připojení sondy. Při tomto postupu přístroj identifikuje změny v koncových echách od stěny, ke které je sonda připojena. Princip je podobný zvonění zvonu, který je v jednom případě zavěšen ve vzduchu a ve druhém ponořen do kapaliny. Kapalina tlumí zvukovou energii mnohem účinněji než vzduch. Podobně přístroj „poslouchá“ typ echa a vykresluje vzor, na jehož základě může operátor určit přítomnost nebo nepřítomnost kapaliny v daném bodě. |
|
Tento typ zkoušky se obvykle provádí pomocí sondy s předsádkou. Níže uvedené obrázky znázorňují typický test útlumu ve stěnách na ocelové nádrži s použitím sondy V206-RB (5 MHz) s předsádkou. Horní průběh signálu představuje vzor echa od stěny smáčené kapalinou. Ke sledování obálky echa slouží funkce DAC. Dolní průběh signálu ukazuje větší koncová echa přijímaná od stěny na vzduchu, kde již tlumicí účinek kapaliny na vnitřním povrchu nehraje roli. Pohybem sondy nahoru a dolů po stěně nádrže a vyhledáním přechodového bodu mezi těmito dvěma obrazci může operátor určit bod, který představuje horní hranici kapaliny uvnitř nádrže.
|
|
