Skrevet af Morten B. Jensen, Product Manager – Instrumenter hos KLINGER Danmark
Niveaumåling med ultralyd er en refleksions- eller ekkomåling baseret på måling af løbetiden for en lydimpuls udsendt af en sensor - Impulsen reflekteres af overfladen, og detekteres atter af sensoren.
Den medgåede tid er et mål for den tilbagelagte vej i den tomme del af tanken. Ved nu at trække denne værdi fra den totale tankhøjde, opnås niveauhøjden der, via en forstærker, omsættes til et kontaktsignal eller et analogt udgangssignal.
Ultralydsmåling er nok det mest udbredte berøringsløse måleprincip til niveaumåling, og som navnet antyder er det højfrekvente lydbølger der benyttes til måling af afstanden mellem sensor og overflade. Typisk arbejdes med frekvenser i området 16...40kHz – lidt afhængig af opgaven.
Selve lydbølgen genereres af sensoren, der er opbygget som en membran forbundet til et eller flere Piezo elementer. Når en elektrisk spænding påtrykkes Piezo elementerne vil de trække sig sammen, henholdsvis udvide sig, afhængig af polariteten – en vekselspænding vil således få elementet til at ”pulsere” med samme frekvens som den påtrykte spænding. Bevægelsen overføres til membranen, som konverterer den til et akustisk signal. På samme måde opfanges det reflekterede signal af membranen – og konverteres til et elektrisk signal gennem en deformation af Piezo elementet.
Begrænsninger
Ultralyds måling er afhængig af at lydbølger skal kunne udbredes, hvilket igen betyder at der skal være et bæremedie tilstede (almindeligvis luft).
Tætheden af bæremediet har indflydelse på målingen, idet lydens hastighed ændres med sammensætningen og der skal derfor tages forbehold i beregningen såfremt mediet afviger fra atmosfærisk luft v. 20oC (hvor lydens hastighed er 343m/s). I luft vil variationer i temperaturen påvirke målingen med 0,17% pr. oC, hvorfor der i sensoren normalt er indbygget en temperaturføler, så der kan kompenseres for dette med det samme, en maksimal temperatur vil typisk være 150oC.
Anvendelsen af ultralyds måling møder sin fysisk begrænsning i medier hvor driftsbetingelserne ikke ligger mellem atmosfærisk tryk og 3 bar. Måling i vakuum er nærmest umulig, ligesom store støv koncentrationer i tanken kan medføre en forøget absorption af bølgerne, og dermed et svagere signal.
En anden begrænsning er, at det medie, som der skal måles på, skal kunne reflektere lyden så sensoren kan opfange signalet.
I forbindelse med væskemåling skal man således være opmærksom på skumdannelse, som kan virke forstyrrende på målingen. Om måling er mulig afgøres af skummets ”tæthed”, som håndregel vil et tyndt let skumlag ikke forstyrre målingen, ligesom et tykt tæt lag heller ikke vil. Det er dog ikke muligt at give et konkret svar på hvornår der vil opstå problemer, og er mani tvivl bør et andet princip vælges.
Skal der måles på faste stoffer vil en finkornet overflade absorbere mere lyd end en grovkornet. Til gengæld skal man også være opmærksom på, at denne form for overflader sjældent er vandrette, hvorfor ekkoets vej til sensoren skal vurderes under montage. I forbindelse med måling på faste stoffer kan man dog som håndregel sige chancen for et kraftigt ekko øges ved måling på et produkt med en plan overflade af store partikler
Montage
Når sensoren monteres i tanken/siloen skal den frit kunne ”skyde” ned mod overfladen, i en vinkel på 90o. I praksis kan dette dog være vanskeligt at opnå, da der i mange tanke/siloer kan være andre følere (f.eks. til alarm), varmelegemer, omrører eller stivere/bæringer af forskellig slags. Hvis de ikke dækker ”væsentligt” for lydbølgerne udbredelse vil det dog, rent elektronisk, være muligt at filtrere de signaler fra, som uønskede.
I forbindelse med montagen er det også vigtigt at der tages hensyn til påfyldningsstedet. Sensoren bør placeres så en eventuel påfyldning ikke kan ”ses”, ligesom man skal være opmærksom på op sprøjt og andre former for belægning der kan dæmpe membranens svingninger.
Ultralydsmåling giver en række attraktive fordele som:
• Målenøjagtigheden varierer fra ±20mm ned til ±1mm afhængig af udstyr og måleopgave.
• Kan anvendes både til væske og faste partikler.
• Et målepunkt kan som regel etableres til en meget konkurrencedygtig pris.
Se mere her >>>