VDI VDE 3519 Blatt 12-2012 Level measurement - Sound and ultrasound methods.pdf

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1、ICS 17.060, 23.020.10, 55.220 VDI/VDE-RICHTLINIEN Dezember 2012 December 2012 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK Fllstandmesstechnik Schall- und Ultraschallverfahren Level measurement Sound and ultrasound methods VDI/VDE 3519 Blatt 12 / Part 12 Ausg

2、. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) Fachb

3、ereich Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI-Handbuch Technische Logistik, Band 4: Schttgut-Frdertechnik Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgaben:05.11.Entwur

4、f,deutsch;VDI/VDE 3519Blatt2:2002-10Zu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten / AllrightsreservedVerein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2012Former editions:05/11 Draft,in German only;VDI/VDE3519Part2:2002-10Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einle

5、itung . 2 1 Anwendungsbereich . 2 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Formelzeichen . 3 5 Schall- und Ultraschallverfahren . 4 5.1 Messprinzip 4 5.2 Einsatzbereich 5 5.3 Messverfahren und Messeinrichtungen 6 5.4 Messanordnungen 9 5.5 Messunsicherheiten 14 Schrifttum 16 Preliminary note . 2 Introdu

6、ction 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 3 4 Symbols . 3 5 Sound and ultrasound methods 4 5.1 Measurement principle 4 5.2 Application 5 5.3 Measurement method and measuring devices . 6 5.4 Measurement arrangements . 9 5.5 Measurement uncertainties 14 Bibliography 16 B97

7、4908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 2 VDI/VDE 3519 Blatt 12 / Part 12 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden u

8、nter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheb

9、errechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict a

10、ccordance with the requirements and recommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline wi

11、thout infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Diese Richtlinie wurde erarbeitet vom Fachaus-schuss Fllstandmesstechni

12、k“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Die Richtlinienreihe VDI/VDE 3519 beschreibt die Fllstandmessung von Flssigkeiten und Feststof-fen (Schttgtern). Es werden Erluterungen zur Bewertung der einzelnen Messverfahren sowie Hinweise fr die geeignete Anwendung der Ver-fahren an

13、gegeben. Die Richtlinienreihe besteht aus folgenden Blttern: Blatt 1 Grundlagen Blatt 2 Sichtverfahren Blatt 3 Schwimmerverfahren Blatt 4 Verdrngerverfahren Blatt 5 Bodendruckverfahren Blatt 6 Wgeverfahren Blatt 7 Messen durch Bremsen und Hemmen von Bewegungen Blatt 8 Widerstandsverfahren Blatt 9 Ka

14、pazitiv- und Admittanzverfahren Blatt 10 Wrmeableitungsverfahren Blatt 11 Radiometrische Verfahren Blatt 12 Schall- und Ultraschallverfahren Blatt 13 Mikrowellenverfahren Blatt 14 Optische Verfahren Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.v

15、di.de/3519. Introduction This guideline was prepared by the “level meas-urement” committee of the VDI/VDE Society for Measurement and Automatic Control. The series of guidelines VDI/VDE 3519 describes the level measurement of liquids and solids (bulk solids). It provides information on the assessmen

16、t of measurement methods and on appropriate appli-cation of these methods. The series of guidelines consists of the following parts: Part 1 Fundamentals Part 2 Visual methods Part 3 Float methods Part 4 Displacer methods Part 5 Ground pressure methods Part 6 Weighing method Part 7 Measuring by retar

17、ding und restricting of movements Part 8 Electrical resistance methods Part 9 Capacitive and admittance methods Part 10 Heat dissipation method Part 11 Radiometric methods Part 12 Sound and ultrasound methods Part 13 Microwave methods Part 14 Optical methods A catalogue of all available parts of thi

18、s series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/3519. 1 Anwendungsbereich Die vorliegende Richtlinie beschreibt die Fll-standmessung mit Schall- und Ultraschallverfah-ren. Sie gilt nur zusammen mit dem Blatt 1 der Richtlinienreihe VDI/VDE 3519. 1 Scope This guideline describes l

19、evel measurements using sound and ultrasound methods. It should be read in conjunction with Part 1 of the series of guidelines VDI/VDE 3519. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Ve

20、rein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 12 / Part 12 3 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 3519 Blatt 1:2012-12 Fllstandmesstech-nik; Grundlagen 2 Normative references The following referenced doc

21、ument is indispensa-ble for the application of this guideline: VDI/VDE 3519 Part 1:2012-12 Level measurement; Fundamentals 3 Begriffe Fr die Anwendung dieser Richtlinie gelten die Begriffe nach VDI/VDE 3519 Blatt 1. 3 Terms and definitions For the purposes of this guideline, the terms and definition

22、s as per VDI/VDE 3519 Part 1 apply. 4 Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Benennung Einheit a Absorptionskoeffizient 1/m c Schallgeschwindigkeit m/s cbSchallgeschwindigkeit des Behlterwerkstoffs m/s cLSchallgeschwindigkeit fr

23、 Longi-tudinalwellen L/cE= m/s cmSchallgeschwindigkeit in Flssigkeiten m/s cTSchallgeschwindigkeit fr Trans-versalwellen m/s d Durchmesser des Schallgebers m E Elastizittsmodul f Frequenz Hz hbDicke der Behlterwand m hLLeerhhe m hxFllstand ab Messanfang m J Schallintensitt W/m2J0Anfangsschallintensi

24、tt W/m2K Kompressionsmodul Pa M Molekulargewicht 1 R Reflexionsgrad 1 Rmmolare Gaskonstante J/molK t Laufzeit s T absolute Temperatur K x Schallweg m Z Schallimpedanz Ns/m3Z1Schallimpedanz Medium 1 Ns/m3Z2Schallimpedanz Medium 2 Ns/m3 ffnungswinkel (siehe Bild 3) Ns/m3 Wellenlnge m Dichte kg/m3 Isen

25、tropenexponent (cp/cv) 1 4 Symbols The following symbols are used throughout this guideline: Symbol Term Unit a absorption coefficient 1/m c speed of sound m/s cbspeed of sound of the tanks material m/s cLspeed of sound of longitudinal waves L/cE= m/s cmspeed of sound in liquids m/s cTspeed of sound

26、 of transverse waves m/s d transducers diameter m E Youngs modulus f frequency Hz hbthickness of the tanks wall m hLempty height m hxlevel above the lower range limit m J sound intensity W/m2J0initial sound intensity W/m2K compression modulus Pa M molecular weight 1 R reflectance 1 Rmmolar gas const

27、ant J/molK t propagation time s T absolute temperature K x sound propagation path length m Z acoustic impedance Ns/m3Z1acoustic impedance of medium 1 Ns/m3Z2acoustic impedance of medium 2 Ns/m3 beam angle (see Figure 3) Ns/m3 wavelength m density kg/m3 isentropic exponent (cp/cv) 1 B974908A824A6748C

28、AAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 4 VDI/VDE 3519 Blatt 12 / Part 12 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 5 Schall- und Ultraschallverfahren 5.1 Messprinzip 5.1.1 Wirkungsweise S

29、chall- und Ultraschallwellen sind mechanische, elastische Schwingungen in Materie. In Gasen und Flssigkeiten existieren sie nur als Longitudinal- oder Dichtewellen. Da das bertragungsmedium dabei auf Druck oder Zug beansprucht wird, spricht man auch von Kompressionswellen. Bei ihnen sind Ausbreitung

30、s- und Schwingungsrichtung identisch. Bei Festkrpern, in denen Schubspannungen und Schubdeformationen auftreten knnen, gibt es ne-ben den Kompressionswellen auch noch Transver-salwellen und kombinierte Schwingungszustnde. Zur Anwendung kommen fr die kontinuierliche Fllstandmessung im Wesentlichen di

31、e Longitudi-nalwellen. Bei diesem Verfahren werden von Schallwandlern Ultraschallimpulspakete ausge-sandt, die an der Flssigkeitsoberflche reflektiert werden. Die Laufzeit durch den Gasraum ber dem Fllgut oder bis zur Flssigkeitsoberflche bei der Messung von unten durch die Flssigkeit wird zur Fllhh

32、e umgerechnet. Zur Grenzwerterfassung werden Absorption und Reflexion genutzt. 5.1.2 Physikalische Grundlagen Obwohl in der Praxis der Anwender keine Berech-nungen fr die Auslegung der Messeinrichtungen vornehmen muss, wird die Beschreibung und Be-rechnung der schalltechnischen Gren behandelt, um ei

33、ne Abschtzung von Einflssen zu ermgli-chen. Die physikalischen Verhltnisse in der Mess-strecke, z. B. Gasart, Druck und Temperatur sollten spezifiziert werden, um dem Hersteller die Ausle-gung der Messeinrichtung zu ermglichen. 5.1.2.1 Schallgeschwindigkeit Die Schallgeschwindigkeit c in einem Gas b

34、etrgt: mR TcM= (1) In Flssigkeiten gilt: Kc = (2) In Festkrpern gibt es unterschiedliche Schallge-schwindigkeiten fr Longitudinal- (cL) und fr Transversalwellen (cT). Die in der Praxis wichtige Schallgeschwindigkeit fr Longitudinalwellen cLin einem stabfrmigen Krper ist: Ec = (3) 5 Sound and ultraso

35、und methods 5.1 Measurement principle 5.1.1 Mechanical oscillations in matter Sound and ultrasound waves are mechanical, elas-tic oscillations in matter. In gases and liquids, they exist only in the form of longitudinal density waves. Since the medium is subject to compression and rarefaction, they

36、are also referred to as pres-sure waves. In such waves, the directions of propagation and oscillation coincide. In solids, where shear stresses and shear deformations can occur, transverse waves and combined oscillation modes are also possible. Continuous level measurements are usually based on long

37、itudinal waves. In this method, ultrasound bursts are emitted by appropriate transducers and reflected at the liquids surface. The propagation time taken for the signal to travel through the gas-filled volume above the medium, or where meas-urements are made from below, through the liquid to its sur

38、face, is converted into the mediums level. Limit detection relies on both absorption and re-flection. 5.1.2 Physical considerations Although in practice the user will not need to per-form calculations for the dimensioning of the measuring devices, the acoustic quantities and their calculation are de

39、scribed in order to permit an assessment of relevant effects. The physical char-acteristics of the signal path, e.g. the type of gas, the pressure and the temperature, should be speci-fied so as to allow the manufacturer to design the system accordingly. 5.1.2.1 Speed of sound The speed of sound c i

40、n a gas is: mR TcM= (1) In liquids: Kc = (2) In solids, the speed of sound has different values for longitudinal (cL) and transverse waves (cT). The speed of sound of longitudinal waves cLin a linear body, which is important in practical applications, is: Ec = (3) B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C

41、88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 12 / Part 12 5 5.1.2.2 Schallausbreitung und -absorption Die Anfangsschallintensitt J0einer Schallwelle sinkt

42、in einer Flssigkeit oder in Gas beim Durch-laufen einer Strecke x auf den Wert 20eaxxJJ= (4) Der Wert des Absorptionskoeffizienten a hngt ab von der dynamischen Viskositt, der Wrmeleitf-higkeit und dem Quadrat der Frequenz. Der Quoti-ent a/2ist daher nherungsweise eine Stoffkon-stante und wird zur C

43、harakterisierung des Dmp-fungsverhaltens angegeben. Ausnahmen sind HCl und CO2und in gewissen Grenzen auch H2O, bei denen der Quotient mit der Frequenz abnimmt. Bei Gasen sind die Absorptionskoeffizienten um drei Zehnerpotenzen hher als bei Flssigkeiten. Staub im Strahlengang sorgt dabei fr eine str

44、kere Abnahme der Intensitt. Bei Messung durch die Flssigkeit fhren Gasbla-sen, Partikel oder hohe Viskositt zur Streuung bzw. Dmpfung der Schallenergie. 5.1.2.3 Schallreflexion Schallwellen werden an allen Grenzflchen beein-flusst, das heit reflektiert oder absorbiert. Dabei sind die Schallimpedanze

45、n cZ = der beteilig-ten Medien entscheidend. Bei senkrechtem Einfall aus dem Medium 1 auf eine ebene Flche des Me-diums 2 gilt fr den Reflexionsgrad: 2 221221()( 1)( ) ( 1)ZZ mRZZ m = =+(5) mit m = Z1/Z2Daraus folgt, dass sich an allen bergngen Fls-sigkeit/Gas oder Feststoff/Gas (m 105) und um-gekeh

46、rt (m 105) stets ein Reflexionsgrad von fast 100 % ergibt. Bei flssig/flssig Trennschichten ist der Reflexionsgrad deutlich niedriger. Bei schrgem Einfall ergeben sich Reflexionen und Brechungen. Bei unregelmigen Oberflchen, z. B. an Schttgtern, erfolgen diffuse Reflexionen. Da-durch wird die Intens

47、itt am Empfnger reduziert. 5.1.2.2 Sound propagation and absorption When a sound wave travels along a path length x in a liquid or a gas, its initial intensity J0decreases to 20eaxxJJ= (4) The absorption coefficient a is a function of the dynamic viscosity, the thermal conductivity and the square of

48、 the frequency. The ratio a/2, there-fore, is approximately a constant of the particular material, and is used to characterise its attenuation behaviour. Exceptions to this include HCl and CO2, and within certain limits H2O, where the ratio decreases with frequency. The absorption coefficients of ga

49、ses are larger than those of liquids by three orders of magnitude. Dust in the propagation path gives rise to a stronger decrease in intensity. When measurements are made through the liquid, gas bubbles, particles and high viscosity cause scattering and attenuation of the acoustic energy. 5.1.2.3 Reflection of sound waves Sound waves interact with all interfaces, i.e. they are reflected or absorbed.