Díky laskavosti obchodnímu zástupci české společnosti DINEL, výrobci hladinových senzorů, jsem mohl vyzkoušet ultrazvukový hladinový senzor s označením ULM-53 a to i s přídavným doplňkem v podobě displeje lokálně ukazující naměřenou vzdálenost, resp. výšku hladiny, která se jinak vysílá v podobě analogového napěťového či proudového signálu. Také zajímavá to věcička.

Stručný obecný úvod do ultrazvukových senzorů

Jak jste se již mohly dočíst v článku u ultrazvukových senzorech přiblížení (automatizace.hw.cz/mereni-a-regulace/ART193-ultrazvukove-senzory-priblizeni.html), všechny ultrazvuková čidla využívají odrazu vyslané akustické vlny od překážky, která se nachází před nimi a na základě změřené hodnoty průchodu odražené vlny zpět k čidlo vyhodnotí vzdálenost. Proti využívání podobně pracujících optických senzorů, využívající odrazu světla, se ultrazvuk vyznačuje schopností detekovat i pro světlo transparentní povrchy, plné funkce i na přímém slunci a pracovat i na velmi velké vzdálenosti i několika desítek metrů. Navíc jeho funkce méně citlivá na nečištění či mlžené prostředí než je tomu u difusních optosenzorů a za lze je tak bez problémů nasadit ve většině průmyslových prostředí, včetně těžkého průmyslu a zemědělství. Naopak obecně známými zápory je nemožnost detekovat předměty těsně před čidlem (tzv. mrtvá zóna), horší funkce na hrudkovité sypké materiály, větší rozměry a širší vyzařovací kužel, který znesnadňuje použití ve stísněných prostorech.

Funkce prakticky všech ultrazvukových senzorů je založena na vygenerování krátkého ultrazvukového pulsu pomocí kmitající membrány (elektroakustického měniče) umístěné na čele senzoru podobně jako u piezorezonátorů či reproduktoru, která se následně též využije jako snímací membrána pro zachycení stejného pulsu po jeho odrazu od překážky. Z tohoto důvodu musí být funkce pulsní, protože nelze zároveň zvuk generovat i snímat. Takto se změří doba průchodu několika po sobě jdoucích impulsů a vyhodnocovací elektronika následně zjištěné časy průběžně průměruje a kompenzuje a přepočítává na vzdálenost, resp. k tomuto údaji úměrný výstupní signál obvykle v podobě spojitě se měnící hodnoty napětí nebo proudu (analogový výstup).

Ultrazvukové hladinoměry

Ultrazvukové hladinoměry jsou prakticky jen speciální provedení ultrazvukových senzorů přiblížení (automatizace.hw.cz/mereni-a-regulace/ART193-ultrazvukove-senzory-priblizeni.html), které jsou optimalizovány pro použití na snímání kapalin a velmi jemných sypkým pevných materiálů. Obvykle jsou svým pouzdrem upraveny pro snadnou montáž do přírub potrubí, různých nádrží a barelů. Použít je však bez problémů lze i v  otevřených kanálech, žlabech nebo korýtkových dopravních pásem převážející jemný sypký materiál, typu písek, piliny, jemné štěpky, či málo kusovité uhlí.

Popis hladinoměrů DINEL ULM-53

Hladinoměry ULM-53 zlínské společnosti Dinel jsou díky bezdotykovému principu snímání vhodné pro kontinuální měření výšky hladin tekutin, odpadních vod, kalů, suspenzí, lepidel, pryskyřic v nejrůznějších otevřených i uzavřených nádobách, jímkách, otevřených kanálech nebo žlabech. Veškeré nastavení se provádí pomocí dvou tlačítek umístěných v horní části snímače. Hladinoměr je vybaven optickou indikací stavu (STATE) i procesu nastavování (MENU). Výstupy hladinoměrů mohou být proudové nebo napěťové.

Uvedený typ snímačů lze použít ke spojitému měření výšky hladiny kapalin (např. znečištěných), pastovitých a kašovitých hmot v otevřených i uzavřených nádobách a jímkách, otevřených kanálech a žlabech.

Varianty výrobku

• ULM-53N-02 - rozsah měření od 0,25 m do 2 m, provedení s celoplastovým zářičem z PVDF a plastovým pouzdrem (PP+HDPE), mechanické připojení se šroubením G 1".
  


• ULM-53N-06 - rozsah měření 0,25 m až 6 m, provedení s celoplastovým zářičem z PVDF a plastovým pouzdrem (PP+HDPE), mechanické připojení se šroubením G 1 1/2".
  


• ULM-53N-10 - rozsah měření 0,5 m až 10 m, provedení s celoplastovým zářičem z PVDF a plastovým pouzdrem (PP+HDPE), příruba z polyethylenu HDPE.
  


• ULM-53N-20 - rozsah měření od 0,5 m do 20 m, provedení s celoplastovým zářičem z PVDF a plastovým pouzdrem (PP+HDPE), příruba z hliníkové slitiny.

TEST hladinoměru DINEL ULM-53-02-I

Nejmenší z nabízených hladinoměrů s měřícím dosahem 0,25 až 2 m a s proudovým výstupem (viz označení -02-I), se hned na první pohled a pak i hmat jeví jako odolným a kvalitně provedený snímač, což je pro nasazení v průmyslu, kam je primárně určen, jedna z hlavních požadavků. Dělo snímače je mimo ultrazvukového generátoru (membrány) na jedné straně a klasické šroubovací svorkovnice na druhém konce pouzdra vybaveno sadou dvou multifunkčních tlačítek a signalizačních LED diod (zelené a žluté). Ty indikují zda se nacházíme v režimu nastavování, běžné funkce nebo zda z nějakého důvodu měření / detekce nefunguje.

Ovládací prvky:

• Tlačítko „DOWN“ = vstup do nastavovacího režimu, přímé nastavení hladiny odpovídající 4 mA či 0 V, snižování hodnot po krocích
• Tlačítko „UP“ = vstup do nastavovacího režimu, přímé nastavení hladiny odpovídající 20 mA či 10 V, zvyšování hodnot po krocích
• LED indikátor „STATE“ = signalizace měřícího režimu
• LED indikátor „MENU“ = signalizace vstupu do nastavovacího režimu

Nejdřív je však nutné snímač připojit na napájení. Ani to není obtížné, ba u proudového provedení je dokonce triviální, kde je nutné připojit jen napájecí vodiče a pak měřit proud prostřednictvím ampérmetru či jako úbytek napětí na malém měřícím odporu vložený do proudové smyčky 4 až 20 mA.

Nastavení je tedy super jednoduché a v případě, že vám stačí méně přesné rychlé nastavení, stačí jen nastavit nejnižší měřenou hladinu (úroveň) stisknout a držet min. 3 sekundy tlačítko „DOWN“ a poté současně stisknout a držet opět tlačítka cca po dobu min. 1 sekundy. Původně pomalu blikající žlutá LEDka „MENU“ zhasne a začne se periodicky opět ozývat takové „cvakání“, což není nic jiného než vysílané impulsy. Podobně pro nastavení nejvyšší hladiny se to provede s tlačítkem „UP“.

Pro ty, co doposud neměly zkušenosti s podobnými ultrazvukovými snímači, je zajímavé si vyzkoušet poslechem odraz vln, kdy když například senzor namíříte proti tvrdé překážce, je cvakání vyšší, kdy proti nějakému měkkému předmětu, který vlny více pohlcuje, intenzita cvakání se sníží.

Funkci snímače si kdekoliv, třeba v kanceláři můžete vyzkoušet například proti zemi a s vertikálně se pohybujícím papírem. Na připojeném ampérmetru pak uvidíte měnící se proud smyčkou podle toho, jak blízko je papír čelu hladinoměru. Pouze je nutné mít trošku trpělivosti a pohybovat papírem dostatečně pomalu. Výsledná hodnota se totiž průměruje ze 8 měření (cvaknutí), takže aby se změna polohy výrazně projevila na proudu, je nutné chvilku počkat pro nasbírání, alespoň několika naměřených hodnot.

Jinak lze snímač provozovat jak v základním režimu, kdy výstupnímu proudu odpovídá 4 mA odpovídá „nulová“ hladina a hodnotě 20 mA maximální hladina, nebo v inverzím režimu, kdy to mu je přesně obráceně. Záleží jen, v jakém pořadí provedete kalibraci pomocí tlačítek „UP“ a „DOWN“.

I když je snímač převážně určen pro detekci hladiny kapalin, neměl jsem problém s ním detekovat jak pozici sypkých či malých kusových materiálů (písek, štěrk, drcené uhlí, malé peletky), tak i kompaktních desek (kartónových, dřevěných nebo laminátových desek). U nich je však nutné dodržet kolmost k čelu snímače (ultrazvukového měniče). V případě jejich naklonění totiž pak mohou fungovat jako směrovací / vychylovací plochy, které odrážejí ultrazvukový impuls "za roh", a sami o sobě tak nejsou detekovány. Pracují tedy jako zrcadlo u světla. Z tohoto důvodu tak není možné spolehlivě detekovat i "sypký" materiál složený z větších kusů (několik cm a více) různě poházených, které již mohou paprsek natolik náhodně rozptylovat / odrážet do stran tak, že někdy je výška změřena správně a někdy nikoliv (tzv. falešné měření). Stejný problém však budete mít i u světelných snímačů. Samozřejmě problém asi bude i silně zvukové vlny pohlcující materiály typu vlna, vata apod. Z pohledu samotné přesnosti měření výšky (množství) materiálu je dobré využívat celý rozsah. Sice přesnost je cca 1 mm, je obecně ultrazvukový snímač vhodný pro měření vzdáleností v řádech cm či metrů. Pro detekci milimetrových změn bych již nasadil třeba kapacitní senzory.

Základní parametry testovaného typu ULM-53-02-I

• Měřicí rozsah / min. vzdálenost k médiu: 0,25 ÷ 2 m / 0,25 m
• Napájecí napětí 18 ÷ 36 V
• Výstup: proudový 4 ÷ 20 mA (limitní hodnoty 3,9 ÷ 20,5 mA)
• Zatěžovací odpor proudového výstupu (při U = 24 V DC): Rmax = 600 Ohmů
• Indikace poruch:
  • výpadek echa – základní režim: 3,75 mA
  • výpadek echa – inverzní režim: 22 mA
  • hladina v mrtvé zóně – základní režim: 22 mA
  • hladina v mrtvé zóně – inverzní režim: 3,75 mA
• Rozlišení: < 1 mm
• Přesnost: 0,2 %
• Vyzařovací úhel (-3 dB): 10°
• Perioda vysílání: 0,6 s
• Průměrování: 8 měření
• Rozsah pracovních teplot: -30 až +70°C
• Provedení s celoplastovým zářičem z PVDF a plastovým pouzdrem (PP+HDPE)
• Mechanické upevnění se šroubením G 1"
• Stupeň krytí: IP 67
• Hmotnost snímače: 0,20 kg

Závěrem...

Co k hladinometru ULM-53N-02 dodat? Jde o kvalitní český výrobek navržený i vyráběný ve Zlíně, tedy jede o kompletní český výrobek české firmy. Takových zase už dnes moc není, zvláště těch nově vzniklých. Na mechanickém i elektrickém provedení jsem během krátkého zkoušení jsem nenašel nic závadného a vše je tak, jak lze od takového hladinoměru čekat. Zvláště provedení pouzdra i ostatních přístupných částí nelze nic vytknout. Používání je také snadné. Proto i když nejde o snímač žádné světoznámé společnosti, lze ho jen doporučit.

Tímto testem však záležitost hladinoměru ULM-53 nekončí. V blízké době v testu budeme pokračovat v podobě doplňkového LED displeje, který se přímo nasazuje na konektor snímače a umožňuje okamžité lokální zobrazení hodnot (viz výše uvedená poslední fotografie v tomto článku). Proto sledujte stránky serveru automatizace.HW.cz!!!

DOWNLOAD & Odkazy

• Webové stránky výrobce i prodejce, společnosti Dinel - www.dinel.cz
• Článek o ultrazvukových snímačích pro detekci přiblížení - automatizace.hw.cz/mereni-a-regulace/ART193-ultrazvukove-senzory-priblizeni.html
• Další články a testy o snímačích, PLC, komponentech nejen pro průmyslové aplikace najdete na stránkách serveru automatizace.HW.cz