Guida METRAVON all'adattabilità ambientale e alla stabilità a lungo termine dei trasmettitori di livello a ultrasuoni

I trasmettitori di livello a ultrasuoni utilizzano impulsi sonori ad alta frequenza e il tempo di percorrenza dell'eco per effettuare misurazioni di livello senza contatto. Questi dispositivi sono ampiamente impiegati nel trattamento delle acque, nei serbatoi industriali, in silos specifici per materiali in granuli, nei canali aperti e nei sistemi di controllo di processo. Le prestazioni di misurazione dipendono non soltanto dallo strumento stesso, ma anche dalla temperatura dell'aria, dalla presenza di vapore, dalla condensazione, dalla polvere, dalle condizioni della superficie e dalla geometria di installazione.

I trasmettitori di livello a ultrasuoni METRAVON possono essere configurati con compensazione termica, funzioni di elaborazione degli ecosignali, un involucro di protezione adeguato e uscite industriali quali 4-20mA e RS485 Modbus RTU. Tali interfacce consentono l'integrazione con PLC, RTU, DCS, SCADA e sistemi remoti di acquisizione dati. Per un funzionamento a lungo termine, la corretta selezione, l'installazione e l'ispezione periodica rivestono spesso la stessa importanza della precisione nominale dello strumento.

1.L'effetto della temperatura e del clima sulle misurazioni a ultrasuoni

Un impulso ultrasonico si propaga attraverso lo spazio gassoso compreso tra il sensore e la superficie del prodotto. La velocità del suono nell'aria è pari a circa 331 m/s a circa 0 °C e aumenta di circa 0,6 m/s per ogni incremento di 1 °C della temperatura. In assenza di compensazione, una variazione significativa della temperatura può quindi introdurre un errore diretto nella misurazione della distanza.

Applicabile METRAVON I modelli possono utilizzare la rilevazione della temperatura e una compensazione automatica per correggere il calcolo della velocità del suono. Le configurazioni tipiche prevedono temperature di funzionamento della sonda comprese tra circa -20 e +80 °C e temperature dell'unità elettronica tra circa -20 e +60 °C, sebbene i limiti esatti dipendano dal modello selezionato. Per applicazioni esterne con acqua, come serbatoi e installazioni soggette a forti variazioni di temperatura tra il giorno e la notte, è pertanto necessario effettuare una valutazione in base all'intervallo di temperatura specificato.

2. Vapore, condensazione e ambienti ad alta umidità

L'umidità atmosferica normale di solito non rappresenta il limite principale nella misurazione del livello a ultrasuoni. Tuttavia, la presenza di vapore in quantità significativa, la condensazione, forti gradienti di temperatura o l'accumulo di acqua sulla superficie del trasduttore possono alterare le condizioni di propagazione e riflessione del suono, provocando attenuazione o echi instabili.

La stabilità della misurazione può essere migliorata mediante una selezione appropriata dell'intervallo di misura, la definizione delle soglie di eco, la soppressione degli eco falsi e un'installazione corretta. Qualora l'elettronica non debba essere installata direttamente nel punto di misurazione, è possibile utilizzare un sistema separato composto da sensore e trasmettitore. Alcuni modelli a sezione divisa consentono l'uso di cavi sensore più lunghi; tuttavia, i tratti di cavo di lunghezza elevata devono essere valutati in base ai limiti di lunghezza del cavo, ai requisiti di integrità del segnale e ai requisiti di compatibilità elettromagnetica.

3.Misurazione di polvere, schiuma e materiale solido in granuli

Polvere, schiuma e superfici solide irregolari possono attenuare l'energia ultrasonica. Un liquido fornisce normalmente una superficie riflettente relativamente stabile, mentre polveri, granuli e solidi in massa possono generare superfici inclinate, diffusione e polvere sospesa nell'aria. Di conseguenza, la portata efficace per i solidi è generalmente inferiore alla portata nominale in liquido dello stesso trasduttore.

In alcune applicazioni tra fluidi e solidi, l'intervallo utilizzabile può corrispondere a circa il 50% dell'intervallo relativo al liquido; tuttavia, tale valore non costituisce una regola ingegneristica fissa. Le prestazioni effettive dipendono dalla dimensione delle particelle, dall'angolo di superficie, dalla concentrazione di polvere, dall'assorbimento acustico e dalla posizione del sensore. Laddove opportuno, possono essere impiegati copriprotettivi per ridurre la contaminazione del trasduttore e l'esposizione prolungata alla pioggia, alla radiazione ultravioletta o alle particelle in sospensione.

4. Ambienti corrosivi e selezione dei materiali

Per applicazioni chimiche o corrosive, oltre alle prestazioni di eco, va considerata anche la compatibilità dei materiali. A seconda del modello e dei requisiti del progetto, i materiali per il sensore e l'involucro possono includere ABS, PVC, PVDF, PTFE, plastiche ingegneristiche o leghe di alluminio.

Laddove siano previsti gas corrosivi, spruzzi chimici o esposizione prolungata all'aperto, i materiali da utilizzare devono essere selezionati in base alla composizione chimica, alla concentrazione e alla temperatura operativa. Per applicazioni in ambienti pericolosi è necessaria una versione adeguatamente certificata per la protezione contro le esplosioni; il semplice grado di protezione IP di un involucro standard non garantisce la idoneità per un'atmosfera esplosiva.

5.Classificazione di protezione, pressione del processo e installazione all'aperto

I trasmettitori di livello a ultrasuoni sono comunemente utilizzati in serbatoi, bacini e silos in condizioni atmosferiche o quasi atmosferiche. Alcuni modelli industriali possono tollerare una pressione positiva limitata, ad esempio circa 0,1 MPa; tuttavia, la pressione di processo ammissibile effettiva deve essere sempre verificata sulla scheda tecnica specifica del prodotto.

Per i prodotti di tipo split, alcune sonde possono offrire protezione IP68, mentre il trasmettitore elettronico può utilizzare un involucro conforme agli standard IP65 o IP66. Il grado di protezione IP indica la resistenza alla polvere e all'ingresso d'acqua; tale indicazione non deve tuttavia essere interpretata automaticamente come autorizzazione all'immersione permanente, alla pulizia ad alta pressione o all'impiego in ambienti pericolosi.

6. Un'installazione corretta è fondamentale per garantire la stabilità nel lungo periodo.

La posizione del sensore ha un'influenza significativa sulla qualità dell'eco. Il trasduttore dovrebbe normalmente essere orientato verso la superficie media del materiale il più direttamente possibile e posizionato lontano dai flussi di riempimento, dagli agitatori, dalle bobine di riscaldamento, dalle scale, dalle travi strutturali e dalle pareti del recipiente, che potrebbero generare eco indesiderati. Nel caso di solidi in massa, è inoltre necessario considerare il profilo di riempimento e l'angolo di riposo previsto.

Dopo che un trasduttore a ultrasuoni emette un impulso, si verifica una breve regione in cui non è possibile rilevare echi affidabili. Tale intervallo è comunemente noto come distanza di blocco o zona morta. A seconda del modello e dell'intervallo di misurazione, le distanze di blocco tipiche possono variare da circa 0,25 a 1,2 m, o anche oltre. Il livello massimo di materiale previsto deve pertanto rimanere al di fuori di questa zona.

I cavi di alimentazione, di comunicazione e ad alta tensione devono essere installati secondo le norme industriali di compatibilità elettromagnetica (EMC). Le reti RS485 devono utilizzare un cablaggio a coppie intrecciate idoneo e, ove necessario, adottare schermatura, messa a terra, terminazione e protezione contro le sovratensioni, adeguati alla lunghezza del cavo e all'ambiente elettrico.

7. Pulizia e manutenzione periodica

La misurazione del livello mediante ultrasuoni non prevede parti meccaniche in movimento a contatto con il mezzo di processo; pertanto, i requisiti di manutenzione ordinaria sono generalmente limitati. Tuttavia, polvere, condensazione, incrostazioni o altre forme di contaminazione possono accumularsi sulla superficie del trasduttore, riducendo l'energia acustica trasmessa o ricevuta.

Gli intervalli di ispezione devono essere definiti in base alle condizioni effettive del sito. In casi di contaminazione visibile, un ciclo di ispezione compreso tra uno e sei mesi può risultare appropriato. È necessario verificare la superficie del trasduttore, il cavo, le guarnizioni, la struttura di montaggio e i collegamenti elettrici. La pulizia deve generalmente essere effettuata utilizzando un panno morbido, acqua pulita o un detergente accertato compatibile con il materiale del sensore; è opportuno evitare l'uso di utensili abrasivi e di solventi aggressivi non verificati.

8. Impostazioni dell'eco, compensazione termica e uscite di segnale

Dopo l'installazione, lo strumento deve essere configurato in base al vaso o al silo effettivo. Tra le impostazioni importanti figurano i punti di zero e di scala completa, la distanza di blocco, il tempo di risposta e i parametri di riconoscimento dell'eco. Qualora strutture fisse causassero interferenze, è possibile utilizzare la soppressione degli eco falsi per ridurre l'effetto di riflessioni stazionarie note. La compensazione termica deve inoltre essere verificata nell'intero intervallo operativo previsto.

A seconda del modello selezionato, le opzioni di uscita possono includere segnali da 4-20mA, RS485 Modbus RTU e segnalazioni tramite relè, mentre HART può essere disponibile su alcune versioni specifiche. L'uscita da 4-20mA può rappresentare un livello, una distanza o uno spazio di vuoto, mentre RS485 Modbus RTU consente di trasmettere valori digitali dei processi e informazioni di stato, utili per l'integrazione con PLC, RTU, DCS, sistemi SCADA e gateway industriali.

Alcuni modelli consentono inoltre una risposta definita in caso di errore di misurazione, ad esempio mantenere l'ultimo valore valido o passare a un segnale di errore preimpostato. Il comportamento specifico in caso di errore e il valore corrente devono essere configurati in conformità al manuale d'uso dello strumento e ai requisiti del sistema di controllo.

9. Parametri tecnici tipici

I seguenti valori rappresentano configurazioni ingegneristiche tipiche disponibili per gli strumenti di misurazione del livello a ultrasuoni industriali e sono destinati a una selezione preliminare. La norma GB/T 38615-2020 costituisce la specifica nazionale cinese generale per i misuratori di livello a ultrasuoni. Le specifiche effettive di METRAVON, gli standard applicabili e le certificazioni devono essere verificate dal foglio di dati del modello selezionato.

– FAQ;

– Q1: In che modo la temperatura influisce sulla misurazione del livello mediante ultrasuoni?

A1: La velocità del suono nell'aria varia in funzione della temperatura; pertanto, le variazioni di temperatura modificano la relazione tra il tempo di percorrenza dell'eco e la distanza. I modelli dotati di compensazione termica correggono il calcolo della velocità del suono al fine di ridurre tale errore.

Q2: I trasmettitori di livello a ultrasuoni possono funzionare in ambienti polverosi o umidi?

A2: L'idoneità dipende dalla concentrazione di polvere, dal livello di vapore, dall'intervallo di misurazione e dalla potenza di eco disponibile. Il trattamento dell'eco, un'installazione corretta e l'impiego di strutture protettive adeguate possono migliorare l'affidabilità, ma la presenza di polvere intensa o di vapore abbondante e continuo può ridurre significativamente l'intervallo di utilizzo.

Q3: Quali sono i requisiti di installazione più importanti?

A3: Il sensore deve essere orientato verso la superficie media del materiale, evitare di essere immerso in flussi di materiale o in ostacoli interni significativi, rimanere al di fuori della distanza di blocco specificata e essere installato su una struttura meccanicamente stabile.

Q4: Quali sono i lavori di manutenzione di routine da eseguire?

A4: Ispezionare la superficie del trasduttore, il cavo, le guarnizioni, la struttura di montaggio e i collegamenti elettrici. In presenza di polvere, condensazione o incrostazioni, stabilire un intervallo di pulizia in base al livello effettivo di contaminazione.

Q5: Quali uscite e interfacce di comunicazione sono disponibili?

A5: A seconda del modello, gli output possono includere 4-20mA e RS485 Modbus RTU; alcune versioni specifiche possono inoltre offrire output HART o a relè per l'integrazione con PLC, RTU, DCS, SCADA o gateway industriali.

Q6: Il grado di protezione IP68 significa che l'intero strumento può rimanere permanentemente sommerso?

A6: Non necessariamente. In uno strumento di tipo split, la sonda può essere conforme alla classe di protezione IP68, mentre l'unità elettronica può essere conforme alle classi IP65 o IP66. Le condizioni di esposizione ammesse devono essere verificate separatamente per ciascun componente.

Q7: Come si deve selezionare l'intervallo di misurazione?

A7: Selezionare un intervallo in base alla distanza massima tra il sensore e il livello più basso previsto, tenendo conto della distanza di blocco, del margine ingegneristico e dell'intensità dell'eco.Nei solidi in massa è necessario considerare anche la polvere, l'angolo di superficie e la diffusione.

Q8: Cosa va verificato qualora il valore misurato diventi instabile nel tempo?

A8: Verificare la contaminazione del trasduttore, la stabilità di montaggio, la presenza di ostacoli fissi, le variazioni di temperatura, gli eco falsi, l'intensità del segnale, l'alimentazione elettrica e il cablaggio di comunicazione. Potrebbe essere necessaria l'apprendimento degli eco o la verifica dei parametri.

Q9: I trasmettitori di livello a ultrasuoni possono essere utilizzati per il monitoraggio remoto?

A9: Sì.Un segnale da 4-20mA può essere collegato a un PLC o a un RTU remoto, mentre il protocollo RS485 Modbus RTU consente di trasmettere dati digitali a un gateway industriale per Ethernet, connessione cellulare o altre modalità di comunicazione remota.

Q10: Qual è la differenza principale tra la misurazione di liquidi e quella di materiali solidi in forma bulk?

A10: I liquidi forniscono generalmente una superficie riflettente relativamente stabile. I solidi in massa possono invece formare superfici inclinate, generare diffusione della luce e produrre polvere; pertanto, richiedono normalmente un margine di misurazione maggiore e un posizionamento più accurato del sensore.

– Conclusione

La stabilità a lungo termine della misurazione del livello mediante ultrasuoni dipende dalla compensazione termica, dalla qualità degli ecos, dalla posizione di installazione, dalla protezione dell'involucro e dallo stato di manutenzione. Le variazioni di temperatura, la presenza di vapore, la condensazione, la polvere, la schiuma e le superfici irregolari del prodotto possono influenzare la propagazione o la riflessione del suono; pertanto, l'intervallo di misura e la configurazione del sensore devono essere selezionati in base alle effettive condizioni del processo.

METRAVON I trasmettitori di livello a ultrasuoni possono essere configurati con segnali 4-20mA, RS485 Modbus RTU e altre interfacce opzionali per l'integrazione con PLC s, RTU, DCS,SCADA e sistemi di monitoraggio remoto. Una selezione accurata, l'installazione corretta e le ispezioni periodiche consentono di mantenere dati di livello stabili, offrendo al contempo un'interfaccia compatibile e scalabile per l'eventuale espansione del sistema di automazione.