Đo mức chất lỏng bằng phương pháp siêu âm

Ứng dụng

Đo mức chất lỏng trong thùng chứa hoặc đường ống bằng phương pháp không xâm nhập (đo mức trực tiếp) hoặc phát hiện sự có hoặc không có chất lỏng trong một thùng chứa kín (kiểm tra sự hiện diện/không có).

Thông tin cơ bản

Phương pháp đơn giản nhất cho việc đo mức chất lỏng là quan sát trực tiếp bằng cách sử dụng một que đo lượng chất lỏng hoặc phao đã được hiệu chuẩn. Tuy nhiên, phương pháp này không phù hợp trong một số trường hợp không thể mở được thùng chưa kín, hoặc các chất lỏng này không cho phép tiếp xúc với không khí. Đo mức chất lỏng bằng phương pháp siêu âm thường là một giải pháp tốt cho các tình huống đòi hỏi đo nhanh và tự động mức chất lỏng với một số lượng lớn trong các thùng chứa đang trải qua quá trình làm đầy. Đo mức chất lỏng bằng phương pháp siêu âm cũng hữu ích cho các lĩnh vực cụ thể sau:

• Đo mức của chất lỏng ăn da hoặc chất phản ứng trong các ứng dụng xử lý hóa học tại các thùng chứa không thể mở vì lý do an toàn và tính chất của hóa chất, hoặc quy trình ngăn chặn việc lắp đặt thiết bị đo nổi bên trong.
• Phát hiện sự hiện diện của chất lưu (gồm chất nước và chất khí) đang hiện hành trong đường ống, đặc biệt là để kiểm tra nhanh các đường ống đang được mở hoặc cắt ra trong quá trình bảo trì bảo dưỡng.
• Kiểm tra lại mức chất chất lưu (gồm chất nước và chất khí) của dây chuyền lắp ráp trong một loạt các bộ phận của ô tô, chẳng hạn như thùng nhiên liệu, cụm truyền động, chảo dầu động cơ và hộp số/bộ truyền động, mà việc đo lường được yêu cầu cần phải nhanh và không xâm nhập. Trong một số trường hợp, các thiết bị đo lường có thể phải được sử dụng cùng với một bộ điều khiển bằng cánh tay robot tự động để định vị trí đầu dò cho việc đo lường trực tuyến của các thùng chứa đã đầy. Đầu ra của các thiết bị đo lường được sử dụng cho việc kích hoạt máy phun sơn để đánh dấu các thùng chứa có mức chất lỏng hiện đang chứa đầy vượt quá dung sai.
• Đo một lớp dầu nổi trên một lớp nước trong hệ thống xử lý dầu thô. Về nguyên tắc, có thể đo bất kỳ lớp chất lỏng nào trong trường hợp chất lỏng có trở kháng âm khác nhau nổi lên trên chất lỏng thứ hai.

Nói chung, các ứng dụng mức chất lỏng được chia thành hai loại: những ứng dụng yêu cầu đo mức chất lỏng thực tế (độ sâu hoặc chiều cao) và những ứng dụng yêu cầu phát hiện sự hiện diện hoặc không có mặt của chất lỏng tại một điểm được chọn. Cả hai bài kiểm tra được mô tả riêng trong phần dưới đây.

Thiết bị (Các phép đo lường trực tiếp)

Mức chất lỏng thường được đo bằng các kỹ thuật đo chiều dày thông thường là xung dội (Pulse-Echo hay còn gọi là PE), sử dụng các thiết bị đo độ dày siêu âm tiêu chuẩn hoặc các thiết bị kiểm tra khuyết tật siêu âm trong một số trường hợp cần có dải phạm vi đo lớn hơn. Đầu dò sẽ được chọn dựa trên cơ sở các yêu cầu ứng dụng cụ thể, nhưng thường sẽ là 1 MHz hoặc 2,25 MHz. Chúng tôi khuyến nghị một số thiết bị sau:

• Thiết bị đo chiều dày sóng âm 38DL PLUS và 45MG các đầu dò biến tử đơn: Các thiết bị đo chiều dày chính xác này có thể được thiết lập để đo lường mức chất lỏng, nó cung cấp các âm cảnh báo ở mức cao/thấp và lưu trữ dữ liệu cho việc ghi nhận và tài liệu tham khảo, với một màn hình hiển thị kỹ thuật số. Dải phạm vi đo lường thường lên đến khoảng 5 inch hoặc 127 mm.
• Thiết bị kiểm tra khuyết tật sóng âm EPOCH 650 và EPOCH 6LT: Các thiết bị kiểm tra khuyết tật có thể đo được các đường dẫn chất lỏng rất dài (có khả năng lớn hơn 4 feet hoặc 1.25 m).

Đối với bất kỳ thiết bị nào trong số này, dải phạm vi và độ chính xác sẽ được xác định bởi các điều kiện kiểm tra cụ thể và phải được trích dẫn trên từng cơ sở trường hợp riêng biệt. Trong hầu hết các chất lỏng có thể độ chính xác nằm trong khoảng ± 0.1 inch (± 2.5 mm).

Thủ tục (Các phép đo lường trực tiếp)

Mức chất lỏng trong một thùng chứa được đo bằng cách áp sát đầu dò với đáy của thùng chứa. Một xung điện được truyền từ thiết bị đo độ dày đến đầu dò tạo ra một xung âm thanh siêu âm ngắn, nó được truyền qua thành thùng chứa và vào chất lỏng. Xung truyền qua chất lỏng cho đến khi nó chạm tới bề mặt nơi nó bị phản xạ và quay trở lại qua chất lỏng mà đầu dò nhận được.

Xung dội từ bề mặt chất lỏng được xác định chính xác từ một điểm thời gian 0 điện tử trừ đi thời gian di chuyển qua thành thùng chứa. Thời gian di chuyển đi và về của xung được chuyển đổi thành mức của chất lỏng bằng cách thực hiện tính toán điện tử như sau:

h = vt/2

Trong đó:

• h = Mức chất lỏng 
• v = Vận tốc âm trong chất lỏng 
• t = Thời gian di chuyển đi và về

Mức chất lỏng sẽ được hiển thị trên màn hình kỹ thuật số. Một số yếu tố được liệt kê dưới đây phải được xem xét để làm cho kỹ thuật đo lường này có hiệu quả hơn:

1. Loại vật liệu và chiều dày của thùng chứa: Trước tiên hãy xem xét các yếu tố này liên quan đến tính chất và phạm vi mức chất lỏng. Các thùng chứa loại vật liệu thép có chiều dày thành lớn có thể hạn chế nghiêm trọng mức tối thiểu có thể đo được do các hiệu ứng giảm vòng thành. Các thùng chứa loại vật liệu nhựa có đặc tính âm tương tự như nhiều chất lỏng và do đó cung cấp sự chuyển đổi âm hiệu quả hơn từ đầu dò sang chất lỏng, giảm thiểu độ rộng xung (ringdown).
2. Tình trạng bề mặt của thành thùng chứa: Các bề mặt thùng chưa bị ăn mòn hoặc rỗ có thể làm biến dạng việc truyền xung âm và gây khó khăn hoặc không thể đo lường được.
3. Độ cong của thùng chứa: Các thùng chứa có vị trí cong góc có thể làm biến dạng xung âm thanh hoặc gây ra sự áp sát không đầy đủ của đầu dò với thùng chứa, ngăn cản việc đo lường có kết quả tin cậy.
4. Vật cản: Đường truyền âm giữa đáy bồn và đỉnh chất lỏng phải không có vật cản như các vách ngăn hoặc các ống cung cấp chất lỏng.
5. Đặc tính âm học của chất lỏng: Mức độ suy giảm sóng âm trong chất lỏng thường quyết định việc đo lường mức tối đa. Nói chung, các chất lỏng và chất lỏng có độ nhớt cao với nồng độ chất rắn cao sẽ làm suy giảm hầu hết sóng siêu âm.
6. Hiệu ứng nhiệt độ: Nhiệt độ thay đổi trong chất lỏng sẽ gây ra việc thay đổi vận tốc âm của chất lỏng. Nếu việc hiệu chuẩn vận tốc của thiết bị không được điều chỉnh để bù cho những thay đổi vận tốc này, thì mức đo lường hiển thị thông tin sẽ không chính xác.
7. Bong bóng khí: Bong bóng khí hoặc các khí khác sẽ làm tán xạ sóng âm và có thể tạo ra các kết quả sai hoặc ngăn chặn tất cả các giá trị đọc đo lường.
8. Chuyển động của bề mặt chất lỏng: Bề mặt chất lỏng thường phải bất động trong thùng chứa để tạo ra xung dội của bề mặt có thể đọc được giá trị đo lường.
9. Thành phần chất lỏng: Chất lỏng phải có thành phần và nhiệt độ đồng đều để có sự đo lường chính xác.
10. Áp sát đầu dò với thành container: Việc áp sát thích hợp đầu dò với thành thùng chứa là cần thiết để sóng âm được truyền từ đầu dò qua thành thùng chứa và vào chất lỏng.

Thủ tục (Các phép đo lường sự Hiện diện/Không có)

Các thiết lập kiểm tra cụ thể phụ thuộc vào từng ứng dụng. Nói chung, chúng tôi khuyến nghị bạn nên kiểm tra một xung dội cơ bản khi ứng dụng liên quan đến thùng chứa hoặc đường ống có hình học cho phép truyền sóng siêu âm qua một cột chất lỏng và nhận xung dội từ bề mặt bên kia. Sự hiện diện hoặc không có có thể được biểu thị bằng xung trực quan hoặc âm cảnh báo. Trong chế độ xung dội, tín hiệu từ đầu dò được truyền vào thành bình chứa. Nếu chất lỏng có mặt tại điểm đo lường, một phần năng lượng âm sẽ truyền qua chất lỏng và phản xạ khỏi thành đối diện của thùng chứa, nó sẽ đi ngược lại chất lỏng và qua thành thùng chứa vào đầu dò. Nếu không có chất lỏng, sẽ không có xung dội từ thành bên kia quay về, mặc dù sẽ có một số xung dội được tạo ra bởi thành bình chứa tiếp xúc với đầu dò. Đầu dò tiếp xúc tần số thấp thường được sử dụng cho kiểm tra ứng dụng này. Trong hình bên dưới, một đầu dò tiếp xúc tần số 2.25 MHz được áp sát với thành của bồn thép rộng khoảng 45 mm (18 inch). Các xung dội trong màn hình minh họa bên dưới đại diện cho nhiều sự phản xạ trong thành bể, và không có xung dội trong cổng đo màu đỏ.

Bằng cách đặt cổng đo tại thời điểm dự kiến xung dội quay về từ thành phía bên kia, người vận hành có thể theo dõi trạng thái của chất lỏng. Nếu có chất lỏng, sẽ có xung dội được phát hiện trong cổng đo, như được thấy trong hình minh họa bên dưới.

Trong một số trường hợp nhất định, phương pháp xung dội sẽ không sử dụng được. Khi không có đường truyền âm rõ ràng giữa thành trước và thành sau, việc theo dõi chất lỏng phải dựa vào phương pháp độ rộng xung (ringdown). Điều này luôn đòi hỏi bề mặt thùng chứa trơn tru, sạch sẽ để đảm bảo việc áp sát đầu dò được đồng nhất. Trong phương pháp này, thiết bị xác định các thay đổi trong xung dội từ thành mà đầu dò được áp sát. Hiệu ứng này giống như âm reo của tiếng chuông, lơ lửng trong không khí trong một trường hợp và đắm chìm trong chất lỏng trong trường hợp khác. Chất lỏng sẽ làm giảm năng lượng âm nhanh hơn nhiều so với không khí. Tương tự, thiết bị “lắng nghe” loại xung dội và vẽ một mẫu mà người vận hành có thể sử dụng để xác định sự hiện diện hay vắng mặt của chất lỏng tại một điểm cụ thể.

Loại kiểm tra này thường được thực hiện với đầu dò trễ delay line. Các hình dưới đây đại diện cho một thử nghiệm độ rộng xung (ringdown) điển hình trên một bồn thép sử dụng đầu dò trễ V206-RB (5 MHz). Các mô tả sóng âm ở bên trên biểu đồ độ rộng xung dội từ thành chất lỏng được quay về. Chức năng DAC đã được sử dụng để theo dõi đường bao xung dội. Dạng sóng âm thấp hơn cho thấy xung dội lớn hơn nhận được từ một thành không khí được quay về, trong đó hiệu ứng giảm chấn âm của chất lỏng trên bề mặt bên trong không còn là một nhân tố. Bằng cách di chuyển đầu dò lên và xuống bề mặt bồn và tìm kiếm điểm chuyển tiếp giữa hai biểu bồ này, người vận hành có thể xác định được điểm thể hiện đỉnh của chất lỏng chứa bên trong bồn.