Funktionsprinzip des Ultraschall-Füllstandmessumformers

Ein Ultraschall-Füllstandmessumformer ist oben am Tank montiert und sendet einen Ultraschallimpuls in den Tank. Dieser Impuls, der sich mit Schallgeschwindigkeit fortbewegt, wird von der Flüssigkeitsoberfläche zum Sender zurückreflektiert. Der Sender misst die Zeitverzögerung zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Echosignal und der integrierte Mikroprozessor berechnet den Abstand zur Flüssigkeitsoberfläche anhand der Formel.

Entfernung = (Schallgeschwindigkeit in der Luft x Zeitverzögerung) / 2

Sobald der Sender mit der unteren Referenz der Anwendung – normalerweise dem Boden des Tanks – programmiert ist, wird der Flüssigkeitsstand vom Mikroprozessor berechnet.Die Grundgleichung zur Berechnung des Tankniveaus lautet

Level = Tankhöhe – Entfernung

Grundkonzept und Elemente der Ultraschall-Füllstandsmessung

Minimaler Messabstand (Xm): (alias das „tote Band“) ist eine Eigenschaft, die zu allen Ultraschallniveaumessgeräten allgemein ist. Dies ist ein kurzer Bereich vor dem Sensor, innerhalb dessen das Ultraschallgerät nicht messen kann.

Maximale mess abstand (XM): Die längste palette unter ideal zustand, innerhalb der das gerät messen kann. Über diesen Abstand hinaus ist keine Messung möglich.

Ultraschall-Füllstandmessumformer, der Berechnungen durchführt, um den Abstand der Wellenbewegung in ein Maß für den Füllstand im Tank umzuwandeln. Die Zeitspanne zwischen dem Auslösen des Schallstoßes und dem Empfangen des Rückechos ist direkt proportional zum Abstand zwischen dem Wandler und dem Material im Gefäß. Das Medium ist normalerweise Luft über der Oberfläche des Materials, aber es könnte eine Decke von einigen anderen Gasen oder Dämpfen sein. Das Instrument misst die Zeit, die die Bursts benötigen, um zur reflektierenden Oberfläche zu gelangen und zurückzukehren. Diese Zeit ist proportional zum Abstand vom Wandler zur Oberfläche und kann verwendet werden, um den Flüssigkeitsstand im Tank zu bestimmen. Dieses Grundprinzip ist das Herzstück der Ultraschallmesstechnik und wird in der Gleichung: Entfernung = (Schallgeschwindigkeit x Zeit)/2 veranschaulicht. Diese berührungslosen Geräte sind in Modellen erhältlich, die Messwerte in 4-20 mA-Ausgänge für DCSs, SPS oder andere Remote-Systeme umwandeln können.

Der Frequenzbereich für Ultraschallverfahren liegt im Bereich von 15…200 kHz. Die Instrumente mit niedrigerer Frequenz werden für schwierigere Anwendungen verwendet. wie längere Entfernungen und Feststoffstandmessungen und solche mit höherer Frequenz werden für kürzere Flüssigkeitsspiegelmessungen verwendet.

Für praktische Anwendungen der Ultraschallmessmethode müssen einige Faktoren betrachtet werden. Einige wichtige Punkte sind:

• Die Schallgeschwindigkeit durch das Medium (normalerweise Luft) variiert mit der Temperatur des Mediums. Der Wandler kann einen Temperatursensor enthalten, um Änderungen der Betriebstemperatur zu kompensieren, die die Schallgeschwindigkeit und damit die Entfernungsberechnung verändern würden, die eine genaue Pegelmessung bestimmt. Eine Temperaturkompensation ist vorgesehen, um gleichmäßige Temperaturschwankungen des Schallmediums zu berücksichtigen. Der Temperatursensor befindet sich im Inneren des Messumformers und das Signal wird über die Verdrahtung des Messumformers an den Transceiver gesendet. Optional kann ein alternativer Temperatursensor verwendet werden, um einen Temperatureingang bereitzustellen, anstatt den integrierten Temperatursensor zu verwenden. Wenn die Temperatur des Schallmediums konstant bleiben soll, kann anstelle der Verwendung der integrierten Temperaturkompensation oder des Fernsensors die gewünschte Temperatur während der Transceiver-Konfiguration eingegeben werden.
• Das Vorhandensein von schwerem Schaum / Staub auf der Oberfläche des Materials kann als Schallabsorptionsmittel wirken. In einigen Fällen kann die Absorption ausreichend sein, um die Verwendung der Ultraschalltechnik auszuschließen. Um die Leistung zu verbessern, wenn Schaum / Staub oder andere Faktoren die Wellenbewegung zur und von der Flüssigkeitsoberfläche beeinflussen, können einige Modelle eine Strahlführung am Wandler anbringen.
• Extreme Turbulenzen der Flüssigkeit können zu schwankenden Messwerten führen. Die Verwendung einer Dämpfungsanpassung im Instrument oder einer Ansprechverzögerung kann helfen, dieses Problem zu lösen. Der Transceiver bietet eine Dämpfung, um die maximale Änderungsrate des angezeigten Materialniveaus und die Schwankung des mA-Ausgangssignals zu steuern. Die Dämpfung verlangsamt die Reaktionsgeschwindigkeit des Displays, insbesondere wenn flüssige Oberflächen in Bewegung sind oder Material während des Füllens in den Schallpfad fällt.

Vorteile

1. Ultraschall-Transmitter sind einfach auf leeren Tanks oder auf Tanks mit Flüssigkeit zu installieren.
2. Die Einrichtung ist einfach und die Geräte mit integrierter Programmierfunktion können in wenigen Minuten konfiguriert werden.
3. Da kein Kontakt zu den Medien und keine beweglichen Teile vorhanden sind, sind die Geräte praktisch wartungsfrei. Benetzte Materialien sind normalerweise ein inertes Fluorpolymer und beständig gegen Korrosion durch kondensierende Dämpfe.
4. Da das Gerät berührungslos ist, bleibt die Füllstandmessung von Änderungen der Flüssigkeitsdichte, des Dielektrikums oder der Viskosität unberührt und funktioniert gut bei wässrigen Flüssigkeiten und vielen Chemikalien.
5. Änderungen der Prozesstemperatur ändern die Geschwindigkeit des Ultraschallimpulses durch den Raum über der Flüssigkeit, aber die eingebaute Temperaturkompensation korrigiert dies automatisch.
6. Änderungen des Prozessdrucks haben keinen Einfluss auf die Messung.

Einschränkungen

1. Ultraschallsender verlassen sich darauf, dass der Puls während seiner Flugzeit nicht beeinflusst wird. Flüssigkeiten, die schwere Dämpfe, Dampf oder Dampfschichten bilden, sollten vermieden werden (verwenden Sie in diesen Fällen einen Radarsender). Da der Puls Luft benötigt, sind Vakuumanwendungen nicht möglich.
2. Konstruktionsmaterialien begrenzen im Allgemeinen die Prozesstemperatur auf etwa 158 ° F (70 ° C) und den Druck auf 43 psig (3 bar).
3. Der Zustand der Flüssigkeitsoberfläche ist ebenfalls wichtig. Einige Turbulenzen können toleriert werden, aber das Schäumen dämpft oft das Rückecho.
4. Hindernisse im Tank, wie Rohre, Verstärkungsstäbe und Rührwerke, verursachen falsche Echos, aber die meisten Sender verfügen über ausgeklügelte Softwarealgorithmen, um diese Echos zu maskieren oder zu ignorieren.
5. Ultraschallsender können an Silos eingesetzt werden, die trockene Produkte wie Pellets, Getreide oder Pulver enthalten, diese sind jedoch schwieriger in Betrieb zu nehmen. Faktoren wie Ruhewinkel der Oberfläche, Staubbildung und große Reichweiten müssen berücksichtigt werden. Ein geführter Wellenradarsender ist besser für trockene Produktanwendungen geeignet.