Problemi comuni dei trasmettitori di livello a ultrasuoni

Problemi comuni relativi ai trasmettitori di livello a ultrasuoni: serbatoi chiusi, superfici turbolente, zona cieca e guida per l'installazione.

I trasmettitori di livello a ultrasuoni utilizzano una misurazione senza contatto basata sul tempo di volo per determinare la posizione della superficie di un liquido o di un materiale solido in stato bulk. Il sensore emette un impulso ultrasonico verso il materiale, riceve l'eco riflesa e calcola la distanza in base al tempo di percorrenza misurato e alla velocità attuale del suono.

La misurazione a ultrasuoni è ampiamente utilizzata in serbatoi per acqua, sistemi di trattamento delle acque reflue, bacini di accumulo, canali aperti, vasche industriali e silos selezionati per materiali solidi in libera circolazione. La stabilità della misurazione può essere influenzata da temperatura, composizione dei gas, vapore, condensazione, schiuma, movimento della superficie, polvere e geometria di installazione. Una corretta selezione e installazione sono pertanto fondamentali per garantire prestazioni a lungo termine.

1. Come funziona un trasmettitore di livello a ultrasuoni?

Il trasduttore a ultrasuoni è installato sopra il mezzo di processo e trasmette un impulso acustico verso la superficie del liquido o del solido. L'onda sonora viene riflessa dalla superficie del materiale e una parte dell'eco ritorna al trasduttore, dove viene convertita in un segnale elettrico.

Lo strumento misura il tempo di andata e ritorno e calcola la distanza utilizzando la velocità del suono nello spazio gassoso:

Distanza = Velocità del suono × Tempo di andata e ritorno ÷ 2

Quando è nota l'altezza di riferimento dell'installazione, il livello effettivo può essere calcolato come segue:

Livello = Altezza di riferimento − Distanza dalla superficie del materiale

Poiché la velocità del suono nell'aria varia in funzione della temperatura, gli strumenti industriali per il rilevamento del livello a ultrasuoni utilizzano comunemente sistemi di rilevamento e compensazione della temperatura per ridurre gli errori di misurazione dovuti alla variazione di temperatura.

2. Come si devono misurare i liquidi volatili in serbatoi chiusi?

Nei serbatoi chiusi contenenti liquidi volatili è necessario prestare attenzione alla composizione gassosa presente sopra il liquido e alla possibile condensazione presso il trasduttore. I segnali ultrasonici viaggiano attraverso lo spazio gassoso; pertanto, qualora la composizione dei vapori differisca significativamente da quella dell'aria normale, anche la velocità effettiva del suono potrebbe variare, introducendo un errore di distanza.

I mezzi volatili possono anche condensarsi sulla superficie più fredda del trasduttore. Uno strato liquido persistente o uno strato di condensato può attenuare le onde sonore trasmesse e ricevute, provocando echi instabili.

Conferma della composizione del gas

Se lo spazio di vapore differisce significativamente dall'aria, valutare l'impatto sulla velocità del suono e sulla precisione delle misurazioni.

Monitoraggio della condensazione

La presenza di film liquidi persistenti sul trasduttore può ridurre l'intensità dell'eco e potrebbe richiedere una diversa posizione di montaggio o ispezioni periodiche.

Valutare la variazione del vapore.

I processi caratterizzati da una concentrazione di vapore in variazione devono essere valutati attentamente; l'uso di un radar o di altre tecnologie a distanza può essere preso in considerazione, ove appropriato.

3. In che modo è possibile stabilizzare la misurazione su una superficie liquida in forte movimento?

Le operazioni di riempimento, svuotamento, agitazione, aerazione e funzionamento della pompa possono provocare un movimento superficiale continuo. Quando un impulso ultrasonico raggiunge una superficie inclinata o in rapido movimento, una parte dell'energia acustica può essere riflessa lontano dal trasduttore, riducendo l'eco utilizzabile.

La stabilità di misurazione viene generalmente migliorata mediante la scelta della posizione di montaggio, della gamma di misurazione e del trattamento del segnale.

Ottimizzare la posizione di montaggio.

Installare il sensore sopra un'area relativamente stabile, che rappresenti il livello medio del liquido, e lontano da agitatori, ingressi e condizioni di turbolenza intensa.

Garantire un margine di misurazione sufficiente.

Il movimento della superficie, la schiuma e il vapore possono ridurre l'intensità dell'eco utilizzabile; pertanto, l'intervallo di misurazione dovrebbe includere un margine di applicazione adeguato.

Utilizzo di smorzamento e filtraggio

Le impostazioni di mediazione, smorzamento e elaborazione dell'eco consentono di bilanciare la velocità di risposta e la stabilità dell'uscita.

Utilizzo di un pozzo di stabilizzazione laddove opportuno

In determinate applicazioni con liquidi, può essere impiegato un pozzo di stabilizzazione opportunamente progettato per garantire una superficie di misurazione più stabile.

4.Quali condizioni di temperatura e pressione sono adatte per le misurazioni a ultrasuoni?

La temperatura ammissibile e la pressione di processo dipendono dal materiale del trasduttore, dal collegamento di processo e dalla costruzione dello strumento. Diversi modelli a ultrasuoni possono presentare limiti significativamente diversi. La selezione del progetto

deve pertanto verificare separatamente la temperatura di processo, la temperatura ambiente e la pressione di processo ammissibile.In applicazioni a temperatura e pressione elevate, con vapori pesanti o in fase gassosa non convenzionale, è necessaria una valutazione aggiuntiva prima di adottare la misurazione a ultrasuoni.

5. Qual è la zona cieca di un trasmettitore di livello a ultrasuoni?

Dopo aver trasmesso un impulso ultrasonico, il trasduttore continua a vibrare per un breve periodo e non è in grado di rilevare in modo affidabile un segnale riflesso che ritorna troppo rapidamente. Ciò crea una breve regione non misurabile in prossimità del sensore, comunemente denominata «zona cieca», «distanza di blocco» o «zona morta»..

Il livello più elevato previsto deve rimanere al di fuori di questa distanza di blocco. L'altezza di installazione deve pertanto prevedere un intervallo di sicurezza adeguato al di sopra del livello massimo del processo.

La distanza di blocco varia in base alla frequenza del trasduttore, alla portata e alla sua costruzione. I trasmettitori ultrasonici a corto raggio e a lungo raggio possono presentare zone cieche molto diverse; pertanto, il valore effettivo deve essere verificato consultando la scheda tecnica del modello selezionato.

6. Qual è la differenza tra i trasmettitori ultrasonici a due fili, a tre fili e a quattro fili?

L'impiego dei fili dipende dall'alimentazione dello strumento e dalla configurazione dell'uscita.Le configurazioni industriali più comuni includono strutture a due fili, a tre fili e a quattro fili.

Il solo tipo di cablaggio non determina le prestazioni di trasmissione ultrasonica. La capacità effettiva di misurazione dipende dalle dimensioni del trasduttore, dalla progettazione dell'elettronica, dalla gestione dell'energia e dall'intervallo di misura dello strumento. L'installazione deve seguire il diagramma di cablaggio del prodotto selezionato.

7. Qual è il fattore più importante nella selezione ingegneristica?

La posizione di montaggio ha un'influenza significativa sulla stabilità delle misurazioni ultrasoniche.Il sensore deve essere installato sopra una superficie rappresentativa e deve garantire un percorso acustico privo di ostacoli.

Evitare i punti di riempimento.

I solidi in caduta e il liquido in ingresso possono ostruire la superficie effettiva e generare echi instabili.

Evitare gli agitatori

Le pale degli agitatori e la turbolenza modificano continuamente le condizioni della superficie.

Evitare ostacoli fissi

Scale, travi e tubi possono generare riflessioni acustiche indesiderate.

Prevedere la zona cieca

Il livello massimo del processo deve rimanere al di fuori della distanza di sicurezza specificata.

8.Come si devono selezionare le dimensioni della flangia e della bocchetta?

Le dimensioni di montaggio e di apertura dipendono dalla portata del sensore, dal diametro del trasduttore, dal fascio acustico e dalla struttura del prodotto. Un ugello lungo o stretto può limitare la propagazione del suono e generare riflessioni interne aggiuntive.

La dimensione della flangia e la lunghezza del ugello devono pertanto rispettare i requisiti di installazione del rispettivo trasmettitore di livello a ultrasuoni. I trasduttori a lungo raggio richiedono generalmente uno spazio di gioco adeguato intorno al trasduttore, mentre i modelli a corto raggio devono disporre di un'area di apertura sufficiente per garantire una trasmissione e una ricezione normali.

9. Qual è la differenza tra un trasmettitore di livello a ultrasuoni e un sensore di livello per solidi a ultrasuoni?

«Strumento di livello a ultrasuoni» è un termine generico che comprende la misurazione senza contatto sia di liquidi sia di solidi in libera circolazione.

Quando impiegato per liquidi, l'apparecchio è comunemente denominato trasmettitore di livello a ultrasuoni(). Quando utilizzato per polveri, granuli o altri solidi, è invece noto come sensore di livello a ultrasuoni per solidi() oppure sensore di livello a ultrasuoni per solidi in libera circolazione. Il principio di tempo di volo è lo stesso; tuttavia, nelle applicazioni con solidi, si richiede generalmente un margine di misurazione maggiore e una capacità di elaborazione degli ecos più elevata.

10.Quanto è efficace la misurazione a ultrasuoni per solidi in massa?

Gli strumenti a ultrasuoni possono misurare polveri, granuli e solidi in massa selezionati. Tuttavia, le superfici solide generano generalmente condizioni di eco più complesse rispetto alle superfici liquide. I materiali in massa possono presentare superfici inclinate, fenomeni di diffusione acustica e polvere sospesa nell'aria, tutti fattori in grado di ridurre l'intensità dell'eco.

Le applicazioni solide richiedono pertanto normalmente un margine di misurazione aggiuntivo e un montaggio accurato lontano dal flusso di riempimento. La posizione preferita dovrebbe corrispondere al livello medio del materiale e garantire una zona di riflessione stabile.

L'intervallo di misurazione efficace per i solidi può essere inferiore a quello dei liquidi dello stesso trasduttore. La relazione esatta dipende dalle dimensioni delle particelle, dalla presenza di polvere, dall'angolo di riposo e dalla riflettività acustica; pertanto, l'intervallo utilizzabile deve essere valutato in base al materiale in massa specifico.

11. I liquidi corrosivi, viscosi o torbidi sono idonei per la misurazione a ultrasuoni?

Poiché i trasmettitori di livello a ultrasuoni sono normalmente installati sopra il liquido e non rimangono immersi nel processo, possono risultare utili per liquidi selezionati, corrosivi, viscosi o torbidi.

L'applicazione dovrebbe comunque tenere conto di vapore, schiuma, condensazione e temperatura di processo. Mezzi altamente volatili, una composizione del vapore fortemente variabile o una schiuma densa e persistente possono influenzare la propagazione del suono e la qualità dell'eco; tali fattori devono essere valutati durante la fase di selezione.

12.Problemi comuni e indicazioni di ispezione

FAQ

Q1: È possibile utilizzare un trasmettitore ultrasonico per liquidi volatili in un serbatoio chiuso?

A1: Sì, a seconda delle condizioni del spazio di vapore. I gas volatili possono alterare la velocità del suono, e la condensazione può ridurre le prestazioni del trasduttore; pertanto, è necessario valutare il mezzo, la temperatura e le condizioni di vapore.

Q2: È possibile utilizzare la misurazione a ultrasuoni quando la superficie del liquido è in forte movimento?

A2: Sì. La stabilità della misurazione può essere migliorata adottando una posizione di montaggio più appropriata, un margine di misurazione adeguato, nonché tecniche di smorzamento e filtraggio.Alcune applicazioni liquide possono anche utilizzare un pozzo di stabilizzazione opportunamente progettato.

Q3: Qual è la zona cieca di un trasmettitore di livello a ultrasuoni?

A3: Si tratta dell'area prossima al trasduttore in cui gli echi riflessi non possono essere rilevati in modo affidabile. Il livello di processo massimo deve rimanere al di fuori di questa zona.

Q4: Qual è il vantaggio di un trasmettitore di livello a ultrasuoni a due fili?

A4: Un trasmettitore a due fili utilizza tipicamente la stessa coppia di fili sia per l'alimentazione sia per la trasmissione del segnale 4-20mA, offrendo un cablaggio di campo semplice per gli strumenti di processo.

Q5: Un trasmettitore ultrasonico a tre fili è lo stesso di un trasmettitore a quattro fili?

A5: No. Utilizzano configurazioni di cablaggio differenti. In alcune configurazioni a tre fili, il conduttore di alimentazione e quello di segnale condividono un medesimo conduttore, mentre nelle configurazioni a quattro fili i circuiti di alimentazione e di segnale sono generalmente separati.

Q6: I trasmettitori di livello a ultrasuoni possono essere utilizzati con liquidi corrosivi?

A6: La misurazione senza contatto riduce l'esposizione diretta ai liquidi, tuttavia è necessario considerare il materiale del trasduttore, la presenza di vapori corrosivi, la temperatura e la possibilità di condensazione.

Q7: Gli strumenti a ultrasuoni possono misurare polveri e granuli?

A7: Sì. La polvere, le superfici inclinate e la diffusione acustica possono ridurre l'intensità dell'eco utilizzabile; pertanto, è spesso necessario un margine di misurazione aggiuntivo e un montaggio accurato.

Q8: Come si deve selezionare l'apertura di montaggio?

A8: Le dimensioni della flangia, del filetto o della bocchetta devono essere selezionate in base alle specifiche del trasduttore, all'intervallo di misurazione, alle caratteristiche del fascio e ai requisiti di installazione del modello specifico.

– Conclusione

I trasmettitori di livello a ultrasuoni rappresentano una tecnologia di misurazione senza contatto ormai consolidata, indicata per l'acqua, le acque reflue, i serbatoi di stoccaggio e alcune applicazioni specifiche con materiali solidi in stato libero. La stabilità della misurazione nel tempo dipende dalla velocità del suono nella fase gassosa, dalla compensazione termica, dalla condensazione del vapore, dal movimento della superficie, dalla zona cieca e dalla posizione di montaggio.

Per i liquidi volatili contenuti in serbatoi chiusi, è fondamentale tenere conto della composizione gassosa e del rischio di condensazione. Le superfici liquide dinamiche possono beneficiare di un montaggio adeguato, di un margine di misurazione sufficiente e di un filtraggio digitale. Nelle applicazioni con solidi in sospensione, è necessario considerare la presenza di polvere, la dispersione e l'inclinazione del materiale. I configurazioni a due, tre o quattro fili devono essere selezionate in base alla potenza dell'apparecchio e all'architettura del segnale, mentre le dimensioni della flangia, la lunghezza del ugello e la distanza di blocco devono rispettare la documentazione tecnica del modello scelto.

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