PRINCIPI RADA I UPOTREBA VODONEPROPUSNIH (IP 68) … · vratila do senzora ULTRAZVU ČNI ... Ultrazvu čni transmiteri redovito imaju i software za proracun protoka na otvorenim kanalima,

Dipl. Ing. Damir Žibrat

NIVELCO Messtechnik GmbH Alois-Stummer-Gasse 4 2326 Maria Lanzendorf

AUSTRIA Tel: 0043 (0) 2235 43 018

Mobitel: 0043 (0) 664 732 05 756 Fax: 0043 (0) 2235 43 240

[email protected] [email protected]

PRINCIPI RADA I UPOTREBA VODONEPROPUSNIH (IP 68) ULTRAZVUČNIH RAZINOMJERA

Sažetak: U ovom radu objašnjeni su osnovni principi rada uređaja za ultrazvučna mjerenja razina. Poznavanje principa rada znatno pridonosi pravilnom odabiru instrumenata. Odgovarajuči odabir i pravilna montaža uređaja mogu znatno povečati pouzdanost, raspoloživost i profitabilnost nadzorno-upravljačkih sustava. Analiza fizikalnih pojava na kojima se temelje mjerenja neophodna je za procjenu mogučnosti pojedinih postupaka te mogučnosti elektroničkog sklopovlja.

WORKING PRINCIPLES AND USAGE OF WATERTIGHT (IP 68 ) ULTRASONIC LEVELMETERS

Abstract: In this paper basic working principles of ultrasonic levelmeters are explained. Knowledge about working principles has considerable influence on appropriate selection of instruments. Appropriate selection and appropriate installation of instrument can considerably enhance reliability, availability and profitability of measurement and controll systems. Analyse of phisical phenomenon on which measurement is based is necessary for estimation of possibilities of particular procedures and possibilities of electronic circuitry.

1. Ultrazvučna mjerenja nivoa. Ultrazvučna mjerenja nivoa temelje se na mjerenju vremena od trenutka odašiljanja do trenutka prijema reflektiranog signala ,slika 1.

Sl.1 princip rada ultrazvučnog mjerenja udaljenosti Senzor emitira NIZ impulsa i analizira reflektirane signale. Složeni softwerski algoritmi odvajaju signale smetnji od reflektiranih signala i proračunavaju udaljenost. Pouzdanost mjerenja pored kvalitete senzora znatno će ovisiti o mogućnosti softwera da filtrira smetnje.

CPU

SENZOR

Naponski impuls pobuđuje senzor

Piezo rezonator stvara ultrazvuk

Ultrazvuk se zrakom prostire prema cilju

Naponski impuls prihvačaI obrađuje elektroničkosklopovlje

Piezo resonator generiraNaponski impuls

Reflektirani ultrazvuk se prostire zrakom

Ultrazvuk se reflektira na površini cilja

Sl. 2 princip rada ultrazvučnog senzora.

1) Energija odaslanog signala

2) Gubitak energije zbog absorpcije u

atmosferi

3) Energija ultrazvuka koja dolazi na

površinu mete

4) Gubitak energije zbog absorpcije na

površin mete

5) Energija reflektiranog ultrazvučnog

signala

6) ) Gubitak energije zbog absorpcije u atmosferi7)Energija ultrazvučnog signala koja se

vratila do senzora

ULTRAZVUČNI PRETVORNIK

POVRŠINA METE

6

2

4

3 5

1 7

Sl.3 gubitak energije ultrazvuka prostiranjem kroz zrak. Na slici 3 prikazan je gubitak energije ultrazvuka prostiranjem kroz zrak. Samo jedan mali dio energije se vrača na ultrazvučni pretvornik. Za pouzdanost detekcije važno je da snop ultrazvuka bude što uži ( prolazi između prepreka, lakše se probija kroz pjenu, veča energija dolazi na refleksionu površinu), i da površina pretvornika bude što veća ( dolazi veči dio energije) . Absorpcija u zraku ovisiti će o količini vlage, parama, prašini i u težim uvjetima rada domet pretvornika odnosno dužina sigurne detekcije biti će smanjena. Zbog toga se za rad u teškim uvjetima rada preporuča upotreba pretvornika koji su deklarirani za veće dužine nego što će biti korištene.

Sl. 4 reflektirani signal sa udaljenije površine ima manju energiju i veče vrijeme kašnjenja

5 m r=22 cm

r=44 cm

r=66 cm

r=88 cm

10 m

15 m

20 m r

5 m r=22 cm

r=44 cm

r=66 cm

r=88 cm

10 m

15 m

20 m rr

Ultrazvučni snop uređaja Ultrazvučni snop glavnine NIVELCO EasyTREK ultrazvučnih uređaja Sl. 5 Ultrazvučni transmiter NIVELCO EasyTREK ima vrlo uski snop što mogučuje pouzdan rad 2. Software Softwerski algoritmi (programi) za obradu ultrazvučnih signala dijele se u dvije skupine:

- programi za pouzdano mjerenje - programi za svojstvene primjene (proračun protoka, proračun volumena itd.)

2.1Programi za pouzdano mjerenje Sam postupak ultrazvučnog mjerenja temelji se na mjerenju vremena između odaslanog i primljenog impulsa. Međutim pored odaslanih signala senzor će također prihvaćati i ostale ultrazvučne signale koji nastaju kao posljedice udaraca, eksplozija ili ostalih izvora ultrazvuka. Jednostavno mjerenje vremena odašiljanja i prijema impulsa u većini slučajeva bilo bi jako nepouzdano zbog smetnji koje se redovito javljaju u industrijskim postrojenjima. Jedan od algoritama obrade signala prikazan je na slijedečoj slici:

Sl.6 obrada ultrazvučnog signala Nakon odaslanja impulsa uređaj osluškuje odaziv. Softwer analizira primljene signale i izdvaja vrijeme signala sa najvećom amplitudom (može se preprogramirati da izdvaja vrijeme prvog signala ). Uređaj odašilje niz signala i obavlja usrednjavanje na 16 ( ili 4 ) rezultata. Nakon što je nakon 16 mjerenja ustanovljena udaljenost cilja uređaj postavlja vremenski prozor za mjerenje refleksije - uređaj će osluškivati samo signale koji se javljaju u malom vremenskom razmaku oko dolaska signala najveće amplitude. Na taj način je izbjegnuto da smetnje velikih amplituda koje se javljaju izvan vremenskog prozora imaju utjecaj na rezultate mjerenja. Na dolnjoj slici su prikazani signali refleksije sa zakovice i površine tekućine. Vremenski prozor je definiran i uređaj obrađuje najveći signal unutar vremenskog prozora. Važno je uočiti da signali smetnje koji se nalaze izvan vremenskog prozora neće imati utjecaj na mjerne rezultate bez obzira na svoj intenzitet.

A1

A2

1. peak 2. peak 3. peak

D1

A3

D2 D3

Peak [i] Distance Di [m]

Amplitude Ai [dB]

1 1.5 -33 2 3 -10 3 5.1 -22

Sl. 7 prikaz signala dobivenih od zakovica i površine vode Ultrazvučni transmiteri ne mogu mjeriti udaljenosti neposredno ispred senzora, nego imaju određenu mrtvu zonu (dead band). Ukoliko se u blizini senzora u detekcionoj zoni nalazi žica ili neki drugi reflektirajući predmet mogu nastati jaki signali smetnje koji mogu stvarati probleme. Da bi se to izbjeglo suvremeni ultrazvučni transmiteri imaju mogučnost programiranja (produljenja ) mrtve zone a time mogučnost eliminiranja smetnje. 3. Komercijalno dobavljivi uređaji

Sl.8 komercijalno dobavljivi uređaji

Refleksija sa zakovice

zakovice Refleksija sa tekućine

Vremenski prozor

Komercijalno dobavljivi uređaji proizvode se u izvedbama sa ugrađenim displayem što će omogučiti očitavanje na licu mjesta kao i programiranje ili u zatvorenoj vodonepropusnoj izvedbi IP 68 koja će biti pogodna za primjenu kod voda i otpadnih voda.

Sl. 9 Mjerenje protoka na otvorenim kanalima Ultrazvučni transmiteri redovito imaju i software za proracun protoka na otvorenim kanalima, pa se vodonepropusne izvedbe uspješno upotrebljavaju i u najtežim uvjetima. Zaklju čak Ultrazvučna mjerenja razina i protoka na otvorenim kanalima mogu biti pouzdana osnova nadzornoupravljačkih sustava. Osnovni preduvjet je pravilan odabir uređaja i ispravna montaža. Širina ultrazvučnog snopa kao i kvaliteta softwera imati će značajnog utjecaja na samu pouzdanost mjerenja. Prilikom odabira opreme korisno je konzultirati stručnjake za mjernu tehniku kao i osoblje za montažu i održavanje sustava i instrumenata.