Akustyczne czujniki przepływu

Newsletter

Zapisz się

Dotychczas w przypadku prostych rozwiązań umożliwiających łatwe wykrywanie zaburzeń procesu produkcyjnego dostępne były dla przemysłu wyłącznie czujniki inwazyjne, które wymagały zazwyczaj bezpośredniego kontaktu przetwornika z substancją. Do tej grupy zaliczyć można różnego rodzaju płyty pomiarowe, koła łopatkowe, łączniki dźwigowe lub technologie oparte o czujniki zbliżeniowe, optyczne i pojemnościowe. Niestety transportowana substancja może zablokować rurę lub szyb, jak również skutecznie zablokować sam czujnik. Z tego powodu rozwiązania umożliwiające pomiar bezkontaktowy wydają się być w takich przypadkach najkorzystniejsze, umożliwiając długotrwałą, praktycznie bezobsługową pracę. Redukują one konieczność okresowego czyszczenia czujników oraz zużywanie się elementów na wskutek tarcia i korozji.

Jednymi z ciekawszych tego typu urządzeń pomiarowych są bezkontaktowe akustyczne czujniki przepływu, które do swojego działania wykorzystują zjawisko piezoelektryczne. Technologia ta została pierwotnie stworzona do zupełnie innych celów i służyła do określania poziomu zużycia turbin wielkiej mocy. Obecnie znajduje ona zastosowanie w bezinwazyjnych pomiarach drgań wysokiej częstotliwości, jakie wywołuje w ścianach rur i szybów przemieszczający się materiał. Zaletą ich stosowania, oprócz niskiej ceny i prostoty konstrukcji, jest wysoka trwałość. Na dodatek ich montaż nie wymaga praktycznie żadnej ingerencji w strukturę instalacji i przeważnie możne zostać przeprowadzony bez przerywania jej pracy.

Zasada działania

Fot. 2. Czujnik akustyczny zainstalowany w układzie odzyskiwania pyłu monitorujący przepływ przez linię transportującą cement. Optymalnym miejscem dla jego instalacji jest zagięcie przewodu pneumatycznego około 1m od odpylacza cyklonowego

Fale akustyczne powstają w sposób naturalny podczas, gdy materia drga z częstotliwością w zakresie do około 600kHz. Zakres pomiędzy 20Hz a 20kHz przyjmuje się jako umowne pasmo dźwięku słyszalnego, czyli drgań akustycznych wykrywalnych przez ludzkie ucho. Im mniejsza częstotliwość drgań, tym dłuższy jest czas tłumienia fali w ośrodku.

W akustycznych czujnikach przepływu wykorzystywane są kryształy, które pod wpływem naprężeń mechanicznych wytwarzają w swoich ściankach ładunki elektryczne. Powoduje to powstawanie napięcia elektrycznego i przepływ prądu. Zastosowany w czujniku specjalny typ kryształów reaguje tylko na wybrane pasmo drgań o wysokiej częstotliwości, znacznie wyższych od częstotliwości słyszalnych, wytwarzając możliwy do zmierzenia sygnał elektryczny. Poddawany jest on następnie wzmocnieniu przez układy elektroniczne w czujniku i zmieniany przez układ kondycjonujący na dedykowany sygnał napięciowy lub prądowy taki jak z zakresu 0-10vdc lub 4-20mA.

Omawiane czujniki pozwalają na monitorowanie jedynie bardzo wąskiego pasma częstotliwości ultradźwiękowych – zazwyczaj pomiędzy 75kHz a 175kHz. Większość drgań, które rozchodzą się wzdłuż szkieletu konstrukcji instalacji przemysłowych, to drgania o niskich częstotliwościach, średnio prawie tysiąc razy mniejszych niż te, na które reaguje czujniki. Co prawda w obrębie przestrzeni produkcyjnej występują też źródła dźwięków o dużo wyższych częstotliwościach, jednak dzięki temu że ich propagacja w powietrzu jest bardzo niska, nie ma ryzyka iż spowodują one zakłócenia w pracy czujnika. Tak więc za pobudzanie prawidłowo zainstalowanego przetwornika odpowiedzialne są tylko i wyłącznie wibracje wysokoczęstotliwościowe, które wywoływane mogą być tarciem i uderzaniem cząsteczek transportowanej substancji o metal.

Rys. 1. Schemat blokowy budowy czujnika akustycznego. Impulsy elektryczne wytwarzane przez kryształ piezoelektryczny są wzmacniane i zamieniane są przez układy elektroniczne na standardowy sygnał napięciowy lub prądowy

Omawiane czujniki sprawdzają się w aplikacjach, w których z jakichś powodów może dojść np. do zablokowania kanałów lub szybów dostarczających materiał sypki. Wczesne wykrycie tego typu sytuacji stanowi istotny czynnik umożliwiający uniknięcie poważniejszej awarii. Dotyczy to w szczególności przemysłu ciężkiego, takiego jak hutnictwo, produkcja cementu, ale też energetyki. Detektor przemieszczenia materiału stosowany może być np. w instalacji odpylającej w elektrowniach, której zablokowanie grozi poważnymi konsekwencjami dla zakładu oraz otaczającego go środowiska.

Miejscem w którym czujniki wibracyjne spisują się doskonale są układy dostarczania paliwa dużych pieców lub kotłów przemysłowych, którymi do paleniska wprowadzany jest sproszkowany węgiel. Kotły takie pracują w temperaturach rzędu 1200°C i wszelkie zaburzenia w układzie paliwowym mogą mieć bardzo poważne konsekwencje. Zbyt mała prędkość dostarczania miału spowoduje spadek temperatury i drastyczne obniżenie efektywności całego procesu. Tymczasem nagły wzrost ilości mieszanki w palenisku może spowodować groźne w skutkach przekroczenie dopuszczalnej temperatury pracy i w konsekwencji poważną w skutkach awarię.

W przedstawionym przykładzie, w celu zapewnienia poprawnej pracy pieca i monitorowania ilości dostarczanego do paleniska proszku węglowego, na każdym z kanałów doprowadzających instaluje się czujnik przepływu. Mierzy on emisję akustyczną wywołaną przez przemieszczający się w jego wnętrzu węgiel. Każde zaburzenie w postaci zablokowania przepływu lub jego nagłego wzrostu jest natychmiast wykrywane. Bezpośrednie sygnały napięciowe z czujnika (0-10V) są stale monitorowane przez