Trasmettitori di livello a ultrasuoni per condizioni di processo ad alta temperatura, sotto pressione e dinamiche

I trasmettitori di livello a ultrasuoni determinano il livello di un liquido o di un materiale solido in forma massiccia trasmettendo impulsi acustici verso la superficie del materiale e misurando il tempo di ritorno dell'eco riflessa. Questa tecnologia consente misurazioni continue senza contatto, ma le sue prestazioni effettive dipendono da fattori che vanno oltre il trasduttore stesso: temperatura, composizione del gas, presenza di vapore, condensazione, turbolenza superficiale e geometria di installazione possono tutti influenzare la propagazione dell'onda acustica e la qualità dell'eco.

Per processi ad alta temperatura, sotto pressione o caratterizzati da variazioni rapide delle condizioni operative, la misurazione del livello a ultrasuoni richiede una valutazione accurata dei materiali del trasduttore, della temperatura di esercizio del processo, della pressione di processo ammissibile, della compensazione termica, dell'elaborazione degli ecos e della posizione del sensore. Le soluzioni di misurazione del livello a ultrasuoni METRAVON possono essere configurate con uscite industriali come 4-20mA e RS485 Modbus RTU, per l'integrazione con PLC, RTU, DCS, SCADA e sistemi di monitoraggio remoto.

1.In che modo le alte temperature influenzano la misurazione del livello mediante ultrasuoni?

La velocità del suono nell'aria varia in funzione della temperatura. Vicino a 0 °C, la velocità del suono è pari a circa 331 m/s e aumenta di circa 0,6 m/s per ogni incremento di 1 °C della temperatura. Se uno strumento a ultrasuoni calcola la distanza utilizzando una velocità del suono fissa, variazioni significative della temperatura possono causare direttamente errori nella misurazione del livello.

I dispositivi di misurazione del livello a ultrasuoni industriali utilizzano pertanto comunemente la rilevazione della temperatura e una compensazione automatica. La temperatura misurata in prossimità del trasduttore viene impiegata per correggere il calcolo della velocità del suono. I sensori industriali standard sono generalmente progettati per temperature di processo moderate, mentre i trasduttori specializzati per alte temperature possono estendere l'intervallo di funzionamento grazie all'uso di materiali idonei, di elettronica separata e di una progettazione con isolamento termico.

Alcuni sensori ultrasonici industriali possono operare a temperature superiori a 100 °C, ma la temperatura massima è fortemente dipendente dal modello specifico. La temperatura massima supportata deve pertanto essere confermata dal foglio di dati del prodotto specifico, anziché essere considerata una caratteristica universale della tecnologia ultrasonica.

– 2. Perché nelle applicazioni ad alta temperatura si utilizzano trasduttori e componenti elettronici separati?

Nei serbatoi ad alta temperatura, nei silos e nei serbatoi di processo, il trasduttore ultrasonico può dover essere installato in prossimità del processo, mentre l'elettronica di visualizzazione, di comunicazione e di elaborazione dei segnali deve rimanere in un ambiente più fresco. Una configurazione a due parti consente di montare il sensore nel punto di misurazione e di posizionare l'unità elettronica in un luogo in cui le condizioni ambientali sono più idonee.

Il trasduttore e il controllore sono collegati mediante un cavo dedicato. La lunghezza standard e la lunghezza massima del cavo dipendono dalla progettazione dello strumento. Per tratti di cavo di lunghezza elevata, è necessario valutare attentamente l'integrità del segnale, le interferenze elettromagnetiche, i requisiti di messa a terra e di schermatura, anziché presupporre un valore massimo universale.

Nelle applicazioni a elevate temperature possono formarsi depositi, materiale carbonizzato o condensazione sulla superficie del trasduttore. Pertanto, potrebbero rendersi necessarie ispezioni e pulizie periodiche per preservare la trasmissione acustica e la sensibilità all'eco.

3. Quali sono i limiti di pressione applicabili al processo nella misurazione del livello a ultrasuoni?

La misurazione del livello a ultrasuoni non è generalmente considerata una tecnologia primaria per i recipienti sottoposti a pressioni molto elevate. La pressione massima ammissibile nel processo è inizialmente limitata dalla progettazione meccanica del trasduttore, dai collegamenti di processo, dalle guarnizioni e dall'involucro. La pressione massima è pertanto da confermare per il modello specifico.

È inoltre inaccurato ritenere che l'aumento della pressione aumenti semplicemente la densità del gas e, di conseguenza, modifichi la velocità del suono in modo proporzionale. Nella misurazione ultrasonica mediante il tempo di volo, temperatura e composizione del gas rappresentano generalmente i fattori più diretti che influenzano la velocità acustica. Nei reattori industriali reali, la pressione può essere accompagnata da variazioni nella concentrazione di vapori, nella composizione del gas, nella condensazione e nell'attenuazione acustica.

Per questo motivo, le applicazioni in recipienti sottoposti a pressione dovrebbero valutare il valore di resistenza alla pressione di processo di, la temperatura di processo, la composizione del gas, il vapore e la condensazione.insieme. Alcuni strumenti ultrasonici industriali sono progettati per pressioni di processo di diverse bar, ma l'intervallo consentito varia notevolmente a seconda delle famiglie di prodotti.

Per processi ad altissima pressione o processi combinati ad alta temperatura e ad alta pressione, il radar o il radar a onde guidate dovrebbero normalmente essere valutati come tecnologie di misurazione alternative.

4. Sigillatura, protezione dell'involucro e aree pericolose

Nell'intervallo di pressione specificato, il collegamento del processo deve adottare un sistema di filettatura o di flangatura adeguato, unito a guarnizioni compatibili, al fine di prevenire perdite di gas o liquido del processo. La scelta dei materiali per le guarnizioni deve essere effettuata in base alla temperatura di processo, alla compatibilità chimica e ai requisiti di pressione.

In alcuni strumenti ultrasonici a split, il sensore può offrire una protezione IP68, mentre l'unità elettronica remota è classificata secondo standard IP65 o IP66.La classificazione IP indica la protezione contro la polvere e l'ingresso d'acqua; non definisce la capacità di sopportare pressioni operative e non sostituisce la certificazione per ambienti pericolosi.

Laddove l'strumento è installato in un'atmosfera esplosiva, la versione specifica del dispositivo deve essere dotata della certificazione appropriata per la classificazione delle aree pericolose, il gruppo di gas o polveri e la classe di temperatura applicabile.

5. Come vengono misurate le superfici a rapida variazione o turbolente?

Il riempimento e il svuotamento rapidi, la turbolenza, l'agitazione e la continua variazione delle superfici di materiale solido in stato bulk possono far sì che la posizione e l'ampiezza dell'eco ultrasonica cambino rapidamente. Se la risposta dello strumento è impostata troppo velocemente, l'uscita può presentare fluttuazioni non necessarie. Se invece si utilizza un smorzamento eccessivo, il valore misurato potrebbe rispondere troppo lentamente a un effettivo cambiamento nel processo.

Gli strumenti ultrasonici industriali possono impiegare il riconoscimento degli eco, il filtraggio digitale, il smorzamento, le soglie dinamiche e la soppressione degli eco falsi per bilanciare la velocità di risposta e la stabilità delle misurazioni. Tali parametri devono essere adeguati alla dinamica effettiva del processo, anziché limitarsi all'applicazione del filtraggio massimo.

Evitare il riempimento dei flussi.

Impedire che il liquido in ingresso o il materiale in caduta attraversino il percorso acustico primario.

Evitare l'uso di agitatori.

Ridurre gli echi indesiderati generati dalle lame, dai vortici e dalle strutture meccaniche in movimento.

Impostare un adeguato smorzamento.

Bilanciare la velocità di risposta e la stabilità dell'uscita in base alla dinamica del processo.

Supprimere gli eco falsi.

Ridurre le riflessioni provenienti da tubi fissi, travi, pareti di contenitori e altre strutture.

6. Angolo del fascio, distanza di blocco e posizione del sensore.

I trasduttori ultrasonici presentano un fascio acustico definito. Gli angoli di fascio tipici in ambito industriale possono variare approssimativamente da 5° a 12°, a seconda della frequenza, del diametro e dell'intervallo di misura del trasduttore.Un fascio più stretto può ridurre la probabilità che le pareti dei vasi sanguigni e le strutture interne entrino nel percorso di misurazione, ma non è in grado di compensare un posizionamento errato del sensore.

Il trasduttore dovrebbe, in condizioni normali, essere orientato verso la superficie media del materiale il più direttamente possibile e posizionato lontano dai punti di riempimento, dagli agitatori, dalle scale, dalle travi strutturali, dai tubi e dalle principali superfici riflettenti delle pareti. Nelle installazioni con materiali solidi, è inoltre necessario considerare l'angolo di riposo del materiale e la variazione della geometria della superficie durante il processo di riempimento.

Ogni trasduttore a ultrasuoni presenta inoltre una distanza di blocco, nota come zona morta, in prossimità del sensore, all'interno della quale non è possibile effettuare misurazioni affidabili. A seconda del tipo di trasduttore e della portata, i valori tipici possono variare approssimativamente da 0,25 a 1,2 m, o anche oltre. Il livello massimo previsto deve rimanere al di fuori di questa zona, garantendo un adeguato margine di sicurezza ingegneristico.

– 7. Stabilità a lungo termine e manutenzione.

La stabilità di misurazione a lungo termine dipende da una progettazione corretta dell'applicazione. Prima della selezione del sensore, è necessario definire la massima distanza di misurazione, il livello più elevato, il mezzo di processo, la temperatura di processo, la pressione di processo, le condizioni di vapore, la composizione del gas, la dinamica della superficie e lo spazio di installazione disponibile.

Il montaggio meccanico deve mantenere rigidità e stabilità. I cavi di alimentazione, di segnale e ad alta tensione devono essere installati secondo le norme industriali di compatibilità elettromagnetica (EMC). Le reti di comunicazione RS485 devono utilizzare un cavo a coppia intrecciata idoneo e, ove necessario, adottare adeguati sistemi di schermatura, messa a terra, terminazione e protezione contro le sovratensioni.

L'ispezione di routine deve includere la superficie del trasduttore, i sigilli di processo, il cavo, la connessione di processo e la struttura di montaggio. Polvere, depositi, condensazione o materiali carbonizzati devono essere rimossi utilizzando un metodo di pulizia compatibile con il materiale del sensore. La frequenza di manutenzione deve essere determinata in base alle effettive condizioni di contaminazione, piuttosto che a un intervallo fisso.

8.Uscite di segnale e integrazione con sistemi di automazione –

A seconda del modello selezionato, METRAVON I dispositivi di misurazione del livello a ultrasuoni possono fornire segnali 4-20mA, RS485 Modbus RTU, relay o altre opzioni di output specifiche per il progetto.

L'uscita da 4-20mA è adatta per PLC, DCS e sistemi di controllo analogico convenzionali. Il protocollo RS485 Modbus RTU consente l'acquisizione di dati digitali e può essere collegato a PLC, RTU, registratori di dati e gateway industriali per un'ulteriore integrazione con sistemi di monitoraggio SCADA, Ethernet, cellulari o IoT.

Per i processi dinamici, il smorzamento e il tempo di risposta possono essere configurati a livello di strumentazione, mentre filtraggio aggiuntivo, allarmi e analisi delle tendenze possono essere implementati sia nel PLC che nel sistema SCADA.

9. Parametri tecnici tipici

I seguenti valori rappresentano intervalli ingegneristici tipici utilizzati nella misurazione del livello mediante ultrasuoni in ambito industriale e sono destinati alla selezione preliminare di progetti. Valori effettivi METRAVON Le specifiche relative all'intervallo, alla temperatura, alla pressione, al tipo di alloggiamento, alla potenza di uscita e al materiale devono essere verificate sulla scheda tecnica del modello selezionato.

– FAQ;

– Q1: Qual è la temperatura massima di processo ammissibile per un trasmettitore di livello a ultrasuoni?

A1: Gli strumenti ultrasonici industriali standard sono generalmente progettati per temperature di processo moderate, tipicamente intorno a 80 °C. I trasduttori specializzati per alte temperature possono operare oltre i 100 °C, ma la temperatura massima consentita deve essere verificata per il modello specifico.

Q2: I trasmettitori di livello a ultrasuoni possono essere utilizzati su recipienti ad alta pressione?

A2: La misurazione a ultrasuoni non è normalmente la prima scelta per applicazioni a pressioni molto elevate. Alcuni strumenti possono funzionare sotto una pressione positiva limitata, ma la pressione massima consentita dipende dal trasduttore, dalla connessione di processo e dalla progettazione del sistema di tenuta. Per processi a pressioni effettivamente elevate, è opportuno valutare l'uso di radar o radar a onde guidate.

Q3: L'aumento della pressione modifica direttamente la velocità del suono?

A3: Il rapporto non dovrebbe essere semplificato in questo modo. La temperatura e la composizione del gas sono generalmente fattori importanti che influenzano la velocità acustica. Nei contenitori sottoposti a pressione è inoltre necessario valutare la composizione dei vapori, il fenomeno di condensazione e la classificazione di pressione meccanica dello strumento.

Q4: Come si possono misurare superfici a variazione rapida o turbolente?

A4: La stabilità può essere migliorata mediante un posizionamento corretto del sensore, filtraggio digitale, smorzamento, riconoscimento dinamico degli echi e soppressione degli echi falsi. Le impostazioni di risposta devono corrispondere alla velocità effettiva del processo.

Q5: Perché uno strumento ultrasonico a tipo split è utile ad alte temperature?

A5: Il trasduttore può essere installato in prossimità del processo, mentre l'unità elettronica è collocata in un ambiente più fresco e più accessibile, riducendo l'esposizione termica dei componenti elettronici.

Q6: Il valore IP68 indica che un sensore ultrasonico è adatto a pressioni elevate nel processo?

A6: No. IP68 descrive la protezione contro l'ingresso di polvere e acqua.La classificazione di pressione operativa costituisce una specifica meccanica distinta e deve essere confermata dal foglio di dati del prodotto.

Q7: Come si devono selezionare l'intervallo di misura e la distanza di blocco?

A7: L'intervallo di misurazione deve coprire la distanza massima dal sensore fino al livello più basso previsto, garantendo che il livello più alto rimanga al di fuori della distanza di blocco specificata. Deve inoltre essere previsto un margine di ingegneria aggiuntivo.

Q8: In un processo dinamico, è preferibile una risposta più rapida oppure un filtraggio più aggressivo?

A8: Le impostazioni devono essere bilanciate in base all'obiettivo di controllo.I processi rapidi richiedono tempi di risposta più brevi, mentre il monitoraggio dello storage può spesso impiegare un maggiore smorzamento. Un filtraggio eccessivo può ritardare l'indicazione di variazioni effettive nei processi.

Q9: I trasmettitori di livello a ultrasuoni possono essere integrati con un PLC e con sistemi di monitoraggio remoto?

A9: Sì. Un segnale di uscita 4-20mA può essere collegato a ingressi analogici di un PLC o di un sistema DCS, mentre il protocollo RS485 Modbus RTU può essere collegato a PLC, RTU, registratori di dati e gateway industriali per Ethernet, connessioni cellulari o altre forme di comunicazione remota.

Q10: Quali informazioni sono necessarie per la selezione di un trasmettitore di livello a ultrasuoni?

A10: Le informazioni importanti includono il mezzo di processo, il livello minimo e massimo, la temperatura di processo, la pressione di processo, le condizioni di vapore o gas, la dinamica della superficie, la geometria di installazione, la potenza disponibile e l'output richiesto o l'interfaccia di comunicazione.

– Conclusione

I limiti di applicazione della misurazione del livello a ultrasuoni in processi ad alta temperatura, sotto pressione e in condizioni dinamiche dipendono dalla temperatura massima consentita per il trasduttore, dalla pressione di processo ammissibile, dalle condizioni del gas, dalla qualità degli ecos e dalla geometria di installazione. Gli effetti della temperatura possono essere mitigati mediante compensazione, mentre nelle applicazioni sotto pressione è necessaria una verifica separata della resistenza meccanica alla pressione, della composizione del gas, delle condizioni dei vapori e della tenuta del processo.

METRAVON I prodotti per la misurazione del livello a ultrasuoni possono essere configurati con intervalli di misurazione adeguati, opzioni di alloggiamento, materiali e interfacce, tra cui 4-20mA e RS485 Modbus RTU per l'integrazione con PLC s, RTU, DCS,SCADA e sistemi di monitoraggio remoto. Una selezione accurata, l'installazione, il filtraggio e la manutenzione periodica possono migliorare la stabilità delle misurazioni nel lungo periodo e fornire una piattaforma compatibile per l'eventuale espansione dei sistemi di automazione in futuro.