Nivå fra A til Å 4a:16

Universell ultralyd 1:2

Vi går i dybden på ultralyd nivåmåling. Dette er den første av to artikler, og dekker bruksområder og virkemåte.

Ultralyd er en klassiker innen berøringsløs nivåmåling.
Ultralyd er en klassiker innen berøringsløs nivåmåling. (Bilde: )

Vi går i dybden på ultralyd nivåmåling. Dette er den første av to artikler, og dekker bruksområder og virkemåte.

Nivå fra A til Å

Automatiserings artikkelserie ”Nivå – fra A til Å” dekker nivåmåling i industrielle applikasjoner.

Artikkelen om ultralyd nivåmåling er utviklet i tett samarbeid med instrumenteringsleverandøren Endress+Hausers norske spesialister innen nivåmåling, blant annet Pål Thorkildsen, Frank Berg Halvorsen, Tore Sandvoll og Knut Nordrum.

Ultralyd som måleprinsipp i industriell sammenheng har holdt det gående siden sekstitallet, og er fortsatt høyst aktuelt. Det er verdens mest utbredde berøringsfrie nivåmåleprinsipp, og benyttes til måling fra noen cm til 70 meters målehøyde. Målesignalet brukes i enkel form som en lineær måling, eller behandles i elektronikken for å tilsvare volum eller mengdemåling. Måleprinsippet er uavhengig av mediets egenvekt eller dielektrisk konstant (εr), nyttige egenskaper i måleteknikkens ofte utfordrende verden.

Målenøyaktighet vs målesikkerhet

Ultralyd nivåmålere har en rekke forskjellige bruksområder. Et eksempel er måling av små endringer i vannivå på 10 – 15 cm, for beregning av mengde i åpne kanaler og overløp. Et helt annet, er å bestemme mengde av kull eller kalkstein i 70 meter høye siloer. Med et slikt spekter av bruksområder kreves forskjellige typer givere og forsterkere. For små variasjoner i nivå, og en jevn væskeoverflate, er det viktigste aspektet målenøyaktighet. I målinger over store avtander, under ugunstige forhold som støy, støv, innmatning, forstyrrelser og andre vanskeliggjørende faktorer, er behovet først og fremst å oppnå en så høy grad av målesikkerhet som mulig.

Ultralydsystemet må derfor kunne være driftssikkert selv under slike kritiske forhold. Elektronikken har innebygd en rekke filtreringsfunksjoner for ekkobergning og validering av ulike ekkotyper, sjekking av forskjellen mellom det riktige ekkoet og nærvær av den industrielle støyen som er til stede (mer om dette i neste utgave). Noen instrumenter gir alarm ved bortfall av ekko, kabelbrudd, giver- eller forsterkerfeil. Med en slik bruddsikringsfunksjon, kan utgangssignalet programmeres til å gå til minimum, maksimum eller låse det gjeldende utgangssignal, alt etter hva som er best for den aktuelle måleoppgaven og/eller mest mulig sikker drift.

Andre applikasjoner

Systemets unike egenskaper gjør det ideelt for pumpestyring i forurenset avløpsvann eller pumpestasjoner, da systemet ikke kommer i kontakt med mediet, for eksempel klebemidler, olje, fett, slurry og maling. Systemene er også velegnet for mengdeberegning i åpne rør, kanaler og overløp. Det tilbys instrumenter med muligheter for datalogging og totalisering av mengde. Ytterligere applikasjoner finnes i kjemisk industri med etsende blandinger, i blandetanker, papir og cellulosefabrikker, plastgranulater i siloer og bassenger i vannrenseanlegg.

I tillegg til nivåmåling, kan ultralydsystemer også brukes til avstandsmåling eller posisjonering, i pneumatiske sylindere, måling av høyden av bevegelige konstruksjoner, måling av tidevannsforskjell, posisjonering av båter og kaier, automatisk måling av tykkelser på ruller av papir og metaller etc. Andre applikasjoner kan være tykkelse av polyuretanskum, høyden av deig som hever, og antikollisjonssystemer for kaikraner.

Systemet er avhengig av applikasjon, måleområdet og måleforhold. Valgets kval består av et fåtall elektronikkenheter og en rekke ulike givere, inkludert kompaktenheter. Elektronikken kan leveres for rackmontering, skinnemontering og frittstående i kapslinger. Instrumentene leveres med forskjellige tetningsklassefiseringer (IP-grad opp til 68) og kan tilbys med ATEX godkjenning for bruk i eksplosjonsfarlige områder, både for gass og støv.

Prosesstilkoblingen kan tilpasses en rekke ulike applikasjoner. Omgivelsestemperaturen er fra –40 °C til +150 °C.

Nivåmålingssystemer kan leveres spesialtilpasset vann og avløpsapplikasjoner. Slike systemer kan ha mulighet for direkte styring og alternering av opp til 6 pumper, samt automatisk styring av innløpsrist i renseanlegg, basert på måling av nivåforskjell før og etter risten. Slike instrumenter kan også bruke to eller flere givere for gjennomsnittsmåling.

Temperaturkompensasjon

I prosessammenheng benyttes typisk frekvenser fra rundt 10 kHz til over 50 kHz, avhengig av applikasjon og målelengder. Jo lavere frekvens, jo lengre måleavstand. Ultralyd er avhengig av et medie å bevege seg i. I de fleste tilfeller er det vanlig luft med atmosfærisk trykk. Tiden, lydsignalet bruker, er en direkte måling av avstanden til produktet i en tank eller silo, fordi distansen for lydpulsen er lik tiden i sekunder multiplisert med lydhastigheten i meter per sekund.

Ultralyd beveger seg med en hastighet av drøyt 330 meter i sekundet ved 0 °C, og er uavhengig av frekvens og lufttrykk. Men, lydhastigheten er temperaturavhengig og endrer seg 0,17 %/°C. Dette blir vanligvis kompensert med innebygd temperaturføler i giver. Andre typer damp og gasser vil også gi avvikende lydhastigheter. Mer om hvordan det kan kompenseres for dette i neste utgave.

Beregningstabell

Målesystemet består av to deler, en elektronikk- og giverdel. Elektronikkdelen genererer lydpulsen, som sendes gjennom giverdelen. Det returnerte signalet analyser og behandles i elektronikkdelen. Systemet kan bestå av separat elektronikk og giver, eller som en kompaktenhet med begge deler. Ved et atskilt system, kan avstanden mellom elektronikk og giver være over 300 meter.

Siden ultralydteknikken kun er en ”tidstaking”, må elektronikken konfigureres med ulike parametere for å gi ut et fornuftig signal. Det vanlige er å legge inn en tabell med avstander fra giver til bunn/ønsket målehøyde, fra 0 til 100 %. Elektronikken kan vanligvis kompensere for situasjoner som:

  • liggende tanker
  • konet bunn

Ved måling i åpne renner eller overløp, legges verdier inn slik at utgangssignalet tilsvarer aktuell mengde og totalisering av dette. Mer om slike målinger finnes her på tecpress.no, les artikkelen om "Mengdemåling i åpne kanaler".

Elektriske grensesnitt

Et ultralydsystem vil typisk gi ut et strømsignal (mA), relékontakter, digitalt grensesnitt som for eksempel Profibus, Fieldbus Foundation (FF) eller HART (overlagret 4..20 mA strømsløyfen). Kombinasjonen mA/HART blir stadig vanligere, og det finnes en rekke installasjoner i Norge med FF og Profibus. Noen av fordelene med digitale grensesnitt er nedlasting av konfigurasjonsparametere, overføring av diagnostikkinformasjon, og potensielt enklere oversikt over kalibreringsstatus. Et ultralydsystem kan også leveres med kun relékontakter, og benyttes da kun som grensesnittregulering.

Måleprinsippet

Ultralyd nivåmåling baserer seg på hvor lang tid det akustiske signalet, fra målerens sensor, bruker til det returnerer, reflektert fra det målte produktets overflate. Halvparten av ”time of flight” (TOF) er et uttrykk for høyden, og er samme prinsipp som benyttes for radar og guided radar nivåmålere.

Giveren, i et ultralyd nivåmålersystem, består av en eller flere piezoelektriske krystaller for generering av lydpulsen og mottak av retursignalet. Når elektrisk energi tilføres, blir krystallet satt i bevegelse som konverteres via giverens membran til et akustisk signal. Når krystallet er ”dødt”, beveges det igjen av det returnerte lydsignalet som omgjøres til et elektrisk signal. Figuren viser et oscilloskopbilde av et ubehandlet ekkosignal. Hendelsesforløpet er som følger for de ulike punktene:

Hendelsesforløp ved ultralyd nivåmåling:

Hendelsesforløp ved ultralyd nivåmåling (Ill. Endress+Hauser)
Hendelsesforløp ved ultralyd nivåmåling (Ill. Endress+Hauser)
 

  • 0. Lydpulsen genereres ved at alternerende strøm (vekselstrøm) tilføres krystallet, og det vibrerer ved resonansfrekvensen. Den originale lydpulsen har en varighet på 2 ms.
  • 1. Slutten av lydpulsen. Membranbevegelsen begynner å dø ut som et resultat av mekanisk treghet. Den varer ca. 1 ms. Etter dette er krystallet ”nullstilt” for mottak av returekko.
  • 2. Etter 3 ms har ultralydpulsen dekket en avstand på ca. 1 meter (2 x 0,5 meter). Dette viser at giveren ikke kan detektere overflater nærmere enn 0,5 meters avstand. Dette kalles blindsone. Denne er avhengig av givertype, frekvens, monteringsmåte og temperatur.
  • 3. Signalet returnerer fra overflaten etter 6 ms. Det har vandret en total distanse på 2 meter. Nivået er derfor 1 meter fra giverens membran.
  • 4. Et dobbelt ekko, eller et multiplum av ekko under gode forhold, mottas etter ytterligere 6 ms. Siden det sekundære ekkoet stort sett er svakere enn det primære, og mottas senere, påvirkes ikke målingen.

Ved siden av avstandsmålingen, sender giveren informasjon om forsterkerbåndbredde og omgivelsestemperatur til elektronikken. Informasjon om avstanden evalueres statistisk, slik at falske ekkoer, fra for eksempel rørverk og fallende materiale, ikke skal forstyrre det riktige ekkoet.

Les også neste artikkel om ultralyd nivåmåling, den dekker målervalg og montasje

 

 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå