Nivå fra A til Å 4b:16

Ultralyd (2:2) - målervalg og montasje

Andre og siste del av artikkelen om ultralyd nivåmåling dekker kriterier for valg av riktig måler, installasjon, kalibrering og undertrykkelse av falske ekkoer.

Artikkelen dekker detaljer for valg og installasjon av ultralyd nivåmålere.
Artikkelen dekker detaljer for valg og installasjon av ultralyd nivåmålere.

Andre og siste del av artikkelen om ultralyd nivåmåling dekker kriterier for valg av riktig måler, installasjon, kalibrering og undertrykkelse av falske ekkoer.

Nivå fra A til Å

Automatisering & Industridatas 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, Pål Thorkildsen, Frank Berg Halvorsen, Tore Sandvoll og Knut Nordrum.

Les også første del av artikkelen om ultralyd nivåling, som dekker bruksområder og virkemåte

En kokebokoppskrift på valg og montasje av ultralyd nivåmåling kunne se slik ut:

1. Definer avstanden som skal måles.

En spesifikasjonstabell, eller annen teknisk dokumentasjon og prosessdata, bør også sjekkes. Et system, utviklet for stor nøyaktighet og kort måleområde, er for eksempel lite egnet for måling i en høy silo.

2. Sammensetning og egenskaper til mediets overflate.

  • 2a. Signalstyrke. Minimum en liten del av det sendte ultralydsignalet må reflekteres fra mediets overflate. Dersom det er et skumlag på væskeoverflaten, eller faststoffets overflate består av fine partikler, vil en mindre del av energien reflekteres. Det er derfor påkrevd med kraftigere signal for en sikker måling i slike applikasjoner.
  • 2b. Refleksjon. For pålitelig måling i faststoffapplikasjoner må partiklene være av en viss størrelse. Overflaten er sjelden horisontal, det returnerte signalet må komme fra individuelle partikler. Partikkelstørrelsen, for spredd refleksjon, er avhengig av sendefrekvensen. Dette, sammen med montering av giveren, er vitalt for et godt fungerende ultralyd nivåmålersystem. Jo glattere væskeoverflaten er, og desto større partikler i faststoffet, jo større vil det reflekterte signalet bli.
  • 2c. Skum. Tidvis skumdotter, eller et tynt skumlag, vil normalt ikke påvirke målingene. Kun et tykt skumlag vil absorbere all ultralydenergien og ikke returnere signal til giveren. Andre måleprinsipper bør vurderes. Og vær på vakt: ved tykt, kompakt skumlag, vil ekkosignalet returneres fra toppen av skumlaget og ikke selve væskenivået!

3. Måleforhold

Både det sendte signalet fra giveren, og det reflekterte signalet, må passere gjennom atmosfæren i tanken eller i siloen. Alle faktorer, som vil svekke eller forstyrre signalet gjennom absorbering eller refleksjon, må vurderes grundig for å velge det mest egnede systemet. Disse faktorer inkluderer støv, damp, trykk, temperatur og variasjoner i gasskonsentrasjoner. De viktigste punktene er beskrevet nedenfor.

  • 3a. Trykk. Ultralyd målesystemer påvirkes ikke av trykkvariasjoner. Det vil ikke være noen signifikant variasjon i lydhastigheten opp til maksimum givertrykket på 3 bar. Det er allikevel to begrensninger når det gjelder trykk. Over 3 bar er en mekanisk begrensning, giverens membran vil neppe endre seg fullt ut på grunn av det sterke mottrykket. Den andre begrensningen ligger i selve måleprinsippet. Ultralyd er et akustisk signal, lydbølge, som er avhengig av luft eller gass. Når et vakuum nærmer seg 500 mbara (absoluttrykk), er det ikke mulig å benytte ultralyd måleprinsipp.
  • 3b. Temperatur. Variasjoner i temperaturen påvirker lydhastigheten med 0,17 %/°C. De fleste givere har i dag innebygd temperaturføler for å kompensere dette. Utfordringen er at det er temperaturen ved giveren som kompenseres. Mange ultralyd nivåmålersystemer har derfor mulighet for tilkobling av ekstern temperaturføler som kan plasseres på et mer egnet sted.
  • 3c. Gasskompensering. Lydhastigheten i luft er som nevnt ca. 343 m/s ved 20 °C. Overføringshastigheten vil variere i andre gasser og gjennom damp fra kjemikalier. For eksempel er lydhastigheten i nitrogen ca 350 m/s, en forskjell på ca 1,9 %. Det finnes referanselister for en rekke ulike gasser, men de fleste avanserte ultralydmålere kan automatisk kompensere for dette. Det er viktig å foreta kompensering både ved nærmest tom tank og full tank, for en mest nøyaktig måling.

4. Montering

  • Fri sikt. Riktig givermontasje er vitalt, og det er spesielt viktig at det ikke finnes hindringer til produktets overflate. Selv om de fleste avanserte ultralydmålere i dag har svært gode muligheter for å filtrere og forsterke ekkoet, er plasseringen av giveren fortsatt essensiell. Tankens eller siloens påfylling må ikke krysse lydbanen. Obstruksjoner, som det må tas hensyn til, er blant annet rør, stiger, sveiseskjøter etc.
  • Vannrett. I væskeapplikasjoner er det viktig at giverens front monteres helt i parallell med overflaten.
  • I vinkel. I faststoffapplikasjoner skal giveren vinkles slik at den blir montert mest mulig optimalt i forhold til produktets rasvinkel, både ved fylling og tømming av silo. Dette for at retursignalet skal komme tilbake til utmatningspunktet.
  • Til siden. For å unngå falske signaler, bør givere aldri monteres i midten av tanker og siloer.
  • Refleksjonshjelp. Hvis bunnen er skrå eller kon vil sendepulsen bli reflektert videre med samme vinkel som den traff. Signalet vil gå videre i en helt annen retning og ikke treffe giveren igjen. Måleren mister ekko og går i alarmstatus. Dette kan unngås ved å montere inn en liten reflektorplate i tanken eller flytte giveren litt lengre inn mot midten slik at giveren får et retursignal fra utløpet.

4a. Avstandsrør

  • Minste målehøyde. En giver har alltid en blindsone, eller blokkeringsdistanse. Denne er avhengig av giverens konstruksjon og sendefrekvens, såkalt ”ring down”. Dette er tiden mellom giverens egenbevegelse til retursignal kan mottas. Monteringen må ta hensyn til dette. Blindsonen varier fra 20 cm til ca. en meter. For å kompensere for dette, kan giveren monteres i et avstandsrør, eller, hvis det er en åpen silo eller tank, monteres på en brakett høyere opp.
  • Lavt. Generelt er det viktig å ikke sette giveren høyere en nødvendig, og ved bruk av avstandsrør bør røret ha så stor diameter som mulig.
  • Glatt. To typer anbefalte avstandsrør, nozzles, for måling i væskeapplikasjoner er vist i figuren. Kanten, mellom rør og tanktak, må være helt glatt uten sveisesøm eller lignende. Dersom mulig, bør sveisesømmen være mellom utsiden av røret i tanktaket. Hvis ikke, må rørets innside slipes ned slik at det blir helt glatt.
  • Kondens. Avstandrøret bør være kortest mulig og ha størst mulig diameter for å hindre kondensering. Dette kan være et problem i tanker med veldig høy temperatur eller i applikasjoner med stor forskjell mellom mediets temperatur og omgivelsestemperatur. Avstandsrør kan også isoleres eller tilføres oppvarming for å forhindre kondensering. Er ikke dette mulig, kan det tilføres litt luft, ”purging” i toppen, for å lage en luftpute.
  • Skråskjært. Den beste løsningen, på avstandsrør, er å lage et litt lengre rør som er 45° skråskjært i enden (som stikker litt ned i tanken). Røret må være helt glatt innvendig. Her er det også større sannsynlighet for at kondens vil bli konsentrert på det laveste punktet og slippe røret. Monteringen vil gi et mye renere ekkosignal, og det er ikke nødvendig å øke blindsonen. Ved avstandsrør, som er kuttet 90°, må blindsonen i de fleste tilfeller økes med ca. 15 cm hvis ikke diameteren er stor, 300 – 600mm.

Kalibrering

En av fordelene, med den delte løsningen, er at elektronikken for eksempel kan plasseres i et kontrollrom hvor det er enklere å programmere. Grunnprogrammering kan gjøres uten produkt i tanken eller siloen, og det kan til og med forhåndsprogrammeres før montering, ved programmering på selve enheten, via digitalt grensesnitt på PC eller gjennom tilhørende kontrollsystem dersom feltbuss (HART, FF, Profibus) benyttes. Under programmering i en tank kan det samtidig kompenseres for avvikende lydhastighet.

I tillegg til komplett prosessering av all informasjon fra giveren, sørger mikroprosessoren for en kontinuerlig overvåking av systemkomponenter som giverens for-forsterker, den innebygde temperaturføleren, korrekt kabling mellom giver og elektronikk, og selve prosesseringen. Det er en kontinuerlig overvåking av ekkokvaliteten. Forstyrrende ekkoer, fra omrørere og innmating, blir filtrert. Hvis hele ekkosignalet forsvinner, i for eksempel et skumlag, vil forsterkeren utløse en alarm. I et slikt tilfelle vil utgangssignalet gå til maksimum, minimum eller den siste sikre målingen holdes.

Undertrykker falske ekkoer

Ved bruk av ultralyd nivåmåler kan det også reflekteres signaler fra ”konkurrerende” kilder som innløpsrør, andre måleinstrumenter, obstruksjoner, stiger, sveiseskjøter etc. Falske ekkoer kan undertrykkes for å unngå misstolkning av signalene. Det viktigste er plassering av giveren, se eget avsnitt om givermontering i hovedartikkel ovenfor.

I dag har de fleste avanserte ultralydmålerne en rekke måter og undertrykke falske ekkoer på. I vanskelige måleoppgaver, er det viktig å kunne endre filtrering av forholdet mellom ekko og støy dynamisk. I tillegg bør det være mulig å legge til faste filtreringer ved igangkjøring.

De fleste avanserte nivåmålere har mulighet for en ”mapping” av signalet. Ved et så lavt nivå som mulig, søker instrumentet selv å filtrere alle signaler innenfor et bestemt område. Dette vil bli liggende som fast filtrering av falske ekkoer og obstruksjoner.

Les også første del av artikkelen om ultralyd nivåling, som dekker bruksområder og virkemåte

 

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå