Questa nota applicativa tratta la modalità di misura dei livelli dei liquidi in un contenitore o in una tubazione mediante il metodo non invasivo della misura diretta del livello. Inoltre descrive come rilevare la presenza o assenza di liquido in un contenitore a tenuta utilizzando la misura della presenza-assenza.
Metodi di misura dei livelli dei liquidi
Il metodo più semplice per la misurazione del livello dei liquidi consiste nell'osservazione diretta mediante un'asta di livello o un galleggiante tarato. Tuttavia questo metodo non è appropriato nei casi nei quali un contenitore a tenuta non può essere aperto o il suo contenuto non può essere esposto all'aria. La misura a ultrasuoni del livello del liquido rappresenta spesso una soluzione ottimale per le situazioni che richiedono una veloce e automatica misura del livello in numerosi contenitori soggetti a un processo di riempimento.
La misura a ultrasuoni del livello del liquido è inoltre utile nell'ambito dei seguenti ambiti:
- Misura del livello di liquidi corrosivi e reagenti nelle applicazioni con trattamento chimico nei casi in cui i contenitori non possono essere aperti per ragioni di sicurezza oppure nei casi in cui, per la natura chimica delle sostanze o per il tipo di trattamento, non è possibile l'installazione di un misuratore a galleggiante interno.
- Rilevamento della presenza di fluidi stagnanti nelle tubazioni, in modo particolare per controllare le tubazioni che devono essere aperte o tagliate nell'ambito delle procedure di manutenzione.
- Verifica dei livelli dei fluidi nelle linee di assemblaggio per numerose componenti del settore automobilistico come serbatoi per carburante, gruppi di trasmissione, coppe dell'olio e differenziali per i quali sono necessarie delle misure veloci, affidabili e non invasive. In alcuni casi i misuratori sono stati usati in combinazione con un manipolatore automatizzato per posizionare il trasduttore per la misura in linea di contenitori riempiti. Le indicazioni dei misuratori sono usati per attivare dei dispositivi spruzzatori di vernice per contrassegnare i contenitori con un livello di riempimento al di fuori della tolleranza.
- Misura di uno strato di olio galleggiante sopra uno strato di acqua nell'ambito di un sistema di trattamento degli idrocarburi. In linea di principio è possibile misurare ogni singolo strato di liquido in situazioni dove un liquido con diversa impedenza acustica galleggia al di sopra di un secondo liquido.
In generale, le applicazioni relative ai livelli di liquidi si dividono in due categorie: quelle che richiedono la misura del livello del liquido attuale (profondità o altezza) e quelle che richiedono il rilevamento della presenza o l'assenza di un liquido in un determinato punto. Entrambe le misure sono descritte separatamente nelle sezioni riportate di seguito.
Apparecchiatura usata per le misure dirette del livello
Il livello del liquido viene in genere misurato mediante le tecniche di misura di spessore impulso-eco convenzionali, utilizzando i misuratori di spessore a ultrasuoni o i rilevatori di difetti nei casi in cui sia necessario un intervallo di misura maggiore. I trasduttori sono selezionati in base alle specifiche esigenze delle applicazioni, tuttavia sono in genere da 1 MHz o 2,25 MHz. Si consiglia uno dei seguenti strumenti:
- I misuratori di spessori 39DL PLUS™ e 45MG con il software Single Element possono essere configurati per la misura del livello dei liquidi. Integrano delle funzionalità di allarmi alto-basso e di memorizzazione dei dati per archiviazione e documentazione, oltre a un display digitale. L'intervallo di misura massimo è, in genere, approssimativamente pari a 125 mm.
- I rilevatori di difetti EPOCH 650™ e EPOCH 6LT possono misurare ampie distanze di liquidi (potenzialmente superiori a 1,25 m).
Per questi strumenti la distanza e la precisione di misura saranno determinate da specifiche condizioni delle misure e devono essere considerate in base ai singoli casi. Nella maggior parte dei liquidi è possibile raggiungere una precisione pari a ± 2,5 mm.
Procedura di acquisizione delle misure dirette dei livelli
Il livello del liquido in un contenitore viene misurato accoppiando il trasduttore alla parte inferiore del contenitore mediante l'accoppiante. Un impulso elettrico viene trasmesso dal misuratore di spessori verso il trasduttore, generando un breve impulso ultrasonoro che si trasmette attraverso la parete del contenitore e il liquido. L'impulso passa attraverso il liquido fino a quando raggiunge una superficie riflettente e ritorna, attraverso il liquido, per essere ricevuto dal trasduttore.
Per l'eco prodotta dalla superficie del liquido viene rilevato con precisione il tempo dal momento dello zero elettronico sottraendo il tempo di transito attraverso la parete del contenitore. Il tempo di transito in andata e ritorno viene convertito in livello del liquido attraverso il seguente calcolo eseguito elettronicamente:
h = vt/2
Dove:
h = livello del liquido
v = velocità di propagazione dell'onda sonora nel liquido
t = tempo di transito in andata e ritorno
Il livello del liquido viene visualizzato sul display digitale. Per rendere efficace questa tecnica di misura devono essere considerati alcuni fattori elencati di seguito.
- Spessore e tipo di materiale del contenitore: Considerare innanzitutto questi fattori in relazione alle proprietà del fluido e all'ampiezza del livello. Contenitori in acciaio di spessore rilevante possono limitare considerevolmente il livello minimo che può essere misurato a causa degli effetti di riverbero della parete. I contenitori in plastica hanno delle proprietà acustiche simili a molti liquidi e pertanto assicurano un efficiente trasmissione sonora dal trasduttore al liquido, minimizzando il ringdown.
- Condizione superficiale della parete del contenitore: Le superfici di contenitori soggette a corrosione e vaiolatura possono alterare la trasmissione dell'impulso sonoro, rendendo difficile o impossibile la misura.
- Curva del contenitore: Contenitori con curvature accentuate possono alterare l'impulso sonoro o causare un accoppiamento non ottimale del trasduttore al contenitore, rendendo le misure inaffidabili.
- Ostruzioni: Il percorso sonoro compreso tra la parte inferiore del serbatoio e la parte superiore del liquido deve essere privo di ostruzioni fisiche come diaframmi o tubi di riempimento.
- Proprietà acustiche del liquido: Il grado di attenuazione ultrasonora nel liquido spesso determina la misura del livello massimo. In genere i liquidi con elevata viscosità e con elevata concentrazione di elementi solidi risultano maggiormente attenuanti per gli ultrasuoni.
- Effetti della temperatura: I cambiamenti della temperatura nel liquido causano dei cambiamenti della velocità di propagazione dell'onda sonora. Se al taratura della velocità di propagazione dell'onda sonora dello strumento non è riaggiustata per questi cambiamenti di velocità, la misura del livello non risulterà corretta.
- Bolle di gas: Le bolle di aria o di altri gas possono diffondere le onde sonore visualizzando delle false letture di misura o impedendo completamente la visualizzazione delle misure.
- Movimento della superficie del liquido: La superficie del liquido deve, in genere, rimanere in uno stato statico nel contenitore per produrre un'eco della superficie misurabile.
- Composizione del liquido: Il liquido deve avere una composizione uniforme e una temperatura costante per assicurare delle misure precise.
- Accoppiamento del trasduttore alla parete del contenitore: È necessario un ottimale accoppiamento tra il trasduttore e la parete del contenitore per la trasmissione dell'impulso sonoro dal trasduttore alla parete del contenitore e al liquido.
Apparecchiatura usata per la misura della presenza-assenza
Si raccomanda l'uso dei rilevatori di difetti della serie EPOCH, ottimali per le misure impulso-eco della presenza-assenza. Il tipo di trasduttore da impiegare dipenderà dal tipo di liquido e dalla lunghezza del percorso sonoro.
Procedura di acquisizione delle misure della presenza-assenza
La specifica configurazione di misura dipende dall'applicazione. In generale si consiglia una semplice misura impulso-eco quando l'applicazione concerne un contenitore o una tubazione con una forma che permette la trasmissione di un impulso ultrasonoro attraverso una colonna di liquido e la ricezione dell'eco di fondo. L'assenza o la presenza di liquido può essere indicata visivamente o mediante allarmi sonori. In modalità impulso-eco il segnale proveniente dal trasduttore viene accoppiato alla parete del contenitore. Se nel punto di misura è presente del liquido, una parte dell'energia sonora passerà attraverso il liquido riflettendosi contro la parete opposta del contenitore e, in seguito, ritornando attraverso il liquido e la parete del contenitore nel trasduttore. Se non è presente del liquido non sarà generata un'eco di fondo, sebbene saranno generati alcuni echi dalla parete del contenitore in contatto con il trasduttore. In genere per questo tipo di misure sono usati dei trasduttori di contatto a bassa frequenza. Nella figura di seguito un trasduttore di contatto da 2,25 MHz viene accoppiato alla parete di un serbatoio di acciaio spessa circa 45 mm. Gli echi nel lato sinistro della schermata rappresentano dei riverberi multipli nella parete del serbatoio e nessuna eco è presente nel gate rosso. |
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L'operatore può monitorare lo stato del liquido configurando un gate in corrispondenza del momento in cui è attesa l'eco di fondo. Se è presente del liquido, nel gate sarà rilevata un'eco come illustrato nella figura a destra.
In certe situazioni il metodo impulso-eco non può essere usato. Quando non è presente un percorso sonoro chiaro tra la parete anteriore e posteriore il monitoraggio del liquido deve fare affidamento sul metodo ringdown. Questo richiede sempre una superficie del contenitore chiara a regolare per assicurare un uniforme accoppiamento del trasduttore. In questo metodo lo strumento identifica i cambiamenti negli echi provenienti dalla parete nella quale è accoppiato il trasduttore. L'effetto è comparabile al suono di una campana sospesa nell'aria in un caso e immersa in un liquido nell'altro. Il liquido attenuerà l'energia sonora molto più velocemente rispetto all'aria. Analogamente lo strumento "ascolta" il tipo di eco e traccia un diagramma che può essere usato dall'operatore per determinare la presenza o l'assenza di un liquido in un punto specifico. |
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Questo tipo di misura è in genere eseguita con un trasduttore a linea di ritardo. Le figure di seguito rappresentano una tipica misura ringdown in un serbatoio di acciaio utilizzando un trasduttore a linea di ritardo V206-RB (5 MHz). La forma d'onda più alta rappresenta il diagramma ringdown dell'eco proveniente dalla parete a contatto del liquido. La funzione del DAC è stata usata per tracciare l'involucro dell'eco. La forma d'onda più in basso mostra gli echi più ampi ricevuti da una parete a contatto dell'aria dove l'effetto di attenuazione del liquido nella superficie interna non rappresenta più un fattore da considerare. Spostando il trasduttore su e giù sul lato del serbatoio e individuando il punto di transizione tra questi due diagrammi, l'operatore può identificare il punto rappresentante la parte superiore del liquido contenuto all'interno.
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