VDI VDE 3519 Blatt 14-2012 Level measurement - Optical 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 Optische Verfahren Level measurement Optical methods VDI/VDE 3519 Blatt 14 / Part 14 Ausg. deutsch/englisch Issue Ge

2、rman/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) Fachbereich Prozessmesstechnik u

3、nd Strukturanalyse VDI/VDE-Handbuch Prozessmesstechnik und Strukturanalyse VDI-Handbuch Technische Logistik, Band 4: Schttgut-Frdertechnik Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgaben:05.11. Entwurf, deutsch; VDI/VDE 3519Bl

4、att2:2002-10Zu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten / Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2012Formereditions:05/11 Draft,in German only;VDI/VDE3519Part2:2002-10Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbe

5、reich . 2 2 Normative Verweise 3 3 Begriffe 3 4 Formelzeichen . 3 5 Kontinuierliche Fllstandmessung durch Laufzeitmessung . 3 5.1 Messprinzip 3 5.2 Einsatzbereich 3 5.3 Messverfahren und Messeinrichtung . 4 5.4 Messunsicherheiten 4 6 Triangulation . 4 6.1 Messprinzip 4 6.2 Einsatzbereich 5 6.3 Messv

6、erfahren und Messeinrichtung . 5 6.4 Messunsicherheiten 6 7 Grenzwerterfassung mit Lichtbrechung ohne Flssigkeitsberhrung 6 7.1 Messprinzip 6 7.2 Einsatzbereich 7 7.3 Messverfahren und Messeinrichtungen 7 7.4 Messunsicherheiten 7 8 Grenzwerterfassung mit Lichtbrechung mit Flssigkeitsberhrung . 7 8.1

7、 Messprinzip 8 8.2 Einsatzbereich 8 8.3 Messverfahren 8 8.4 Messanordnungen 8 8.5 Messunsicherheiten 9 Schrifttum 10 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 2 2 Normative references . 3 3 Terms and definitions 3 4 Symbols . 3 5 Continuous level measurement using the propagation time . 3 5.1 Me

8、asurement principle 3 5.2 Application 3 5.3 Measurement method and measuring devices . 4 5.4 Measurement uncertainties 4 6 Triangulation . 4 6.1 Measurement principle 4 6.2 Application 5 6.3 Measurement method and measuring device . 5 6.5 Measurement uncertainties 6 7 Limit level detection with refr

9、action of light: without liquid contact . 6 7.1 Measurement principle 6 7.2 Application 7 7.3 Measurement method and measuring devices . 7 7.4 Measurement uncertainties 7 8 Limit level detection with refraction of light with liquid contact . 7 8.1 Measurement principle 8 8.2 Application 8 8.3 Measur

10、ement method . 8 8.4 Measurement arrangements . 8 8.5 Measurement uncertainties 9 Bibliography 10 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 2 VDI/VDE 3519 Blatt 14 / Part 14 Alle Rechte vorbehalten Verein

11、 Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugswei

12、se oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts 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 mitgewi

13、rkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data pr

14、ocessing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this guideline without 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

15、 to this guideline. Einleitung Diese Richtlinie wurde erarbeitet vom Fachaus-schuss Fllstandmesstechnik“ der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik. Die Richtlinienreihe VDI/VDE 3519 beschreibt die Fllstandmessung von Flssigkeiten und Feststof-fen (Schttgtern). Es werden Erluterungen

16、 zur Bewertung der einzelnen Messverfahren sowie Hinweise fr die geeignete Anwendung der Ver-fahren angegeben. Die Richtlinienreihe besteht aus folgenden Blttern: Blatt 1 Grundlagen Blatt 2 Sichtverfahren Blatt 3 Schwimmerverfahren Blatt 4 Verdrngerverfahren Blatt 5 Bodendruckverfahren Blatt 6 Wgeve

17、rfahren Blatt 7 Messen durch Bremsen und Hemmen von Bewegungen Blatt 8 Widerstandsverfahren Blatt 9 Kapazitiv- und Admittanzverfahren Blatt 10 Wrmeableitungsverfahren Blatt 11 Radiometrische Verfahren Blatt 12 Schall- und Ultraschallverfahren Blatt 13 Mikrowellenverfahren Blatt 14 Optische Verfahren

18、 Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.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 describ

19、es the level measurement of liquids and solids (bulk solids). It provides information on the assessment 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 Pa

20、rt 4 Displacer methods Part 5 Ground pressure methods Part 6 Weighing method Part 7 Measuring by retarding 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 ultrasou

21、nd methods Part 13 Microwave methods Part 14 Optical methods A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed on the internet at www.vdi.de/3519. 1 Anwendungsbereich Die vorliegende Richtlinie beschreibt die Fll-standmessung mit optischen Verfahren. Sie gilt nur zusamm

22、en mit dem Blatt 1 der Richtlinienreihe VDI/VDE 3519. 1 Scope This guideline describes level measurements using optical methods. It should be read in conjunction with Part 1 of the series of guidelines VDI/VDE 3519. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA

23、2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 14 / Part 14 3 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI/VDE 3519 Blatt 1:2012-12 Fllstandm

24、esstech-nik; Grundlagen 2 Normative references The following referenced document 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 a

25、nd definitions For the purposes of this guideline, the terms and definitions as per VDI/VDE 3519 Part 1 apply. 4 Formelzeichen In dieser Richtlinie werden die nachfolgend aufge-fhrten Formelzeichen verwendet: Formel-zeichen Benennung Einheit c Lichtgeschwindigkeit m/s dDDicke des Behlterdeckels m hB

26、Messbereich fr den Fllstand m hLLeerhhe m hStStutzenhhe m hxFllstand ab Messanfang m xh Ablenkweg m LStLnge vom Messbereichanfangs-wert bis Stutzen m naBrechzahl des Fhlerglases 1 nbBrechzahl des Messstoffs 1 4 Symbols The following symbols are used throughout this guideline: Symbol Term Unit c spee

27、d of light m/s dDthickness of the tanks lid m hBmeasurement range for the level m hLempty height m hStconnector height m hxlevel above the lower range limit m xh deflection m LStdistance from the lower range limit to the connector m narefractive index of the sensor 1 nbrefractive index of the medium

28、 1 5 Kontinuierliche Fllstandmessung durch Laufzeitmessung Zur Bestimmung der Fllhhe wird der Abstand zwischen Lichtsender und Messstoffoberflche durch Laufzeitmessung ermittelt. 5.1 Messprinzip Die Laufzeit t des Lichts von der Lichtquelle zur Messstoffoberflche und zurck zum Fotoempfn-ger ist dire

29、kt proportional zum zurckgelegten Weg gem folgender Beziehung: L St D2( )hh dtc+= (1) Der Fllstand errechnet sich aus: hx= hB (hL+ hSt+ dD) 5.2 Einsatzbereich Kontinuierliche, berhrungslose Fllstandmessung von reflektierenden Flssigkeiten und Feststoffen oberhalb 0,2 m (Abstand = hL+ hSt+ dD) bis zu

30、 einem Maximalabstand von 50 m. Das Messverfahren eignet sich fr Temperaturen von 273 C bis 400 C und bei einem Druck von bis zu 500 bar. 5 Continuous level measurement using the propagation time The level is determined by measuring the distance between the emitter and the mediums surface through th

31、e propagation time of light pulses. 5.1 Measurement principle The propagation time t of the light from the source to the mediums surface and back to the photo-receiver is directly proportional to the path length travelled, according to the following relationship: L St D2( )hh dtc+= (1) The level is

32、calculated from: hx= hB (hL+ hSt+ dD) 5.2 Application Continuous, non-contact level measurement of reflective liquids and solids from 0,2 m (dis-tance = hL+ hSt+ dD) up to a maximum distance of 50 m. This method is suitable for temperatures from 273 C to 400 C and pressures up to 500 bar. B974908A82

33、4A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11 4 VDI/VDE 3519 Blatt 14 / Part 14 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 5.3 Messverfahren und Messeinrichtung Direkte Laufzeitmessung (Bi

34、ld 1) Von einem Laser werden periodisch kurze Licht-impulse ausgesendet. Die Zeitdifferenz zwischen Aussendung und Eintreffen des reflektierten Im-pulses wird gemessen. Aufgrund der Lichtge-schwindigkeit liegen die Laufzeiten im Nanose-kundenbereich. Phasenmessung oder Noniusverfahren (Bild 2) Die L

35、ichtintensitt wird mit hoher Frequenz (im MHz-Bereich) moduliert. Das reflektierte Licht wird im Empfnger demoduliert und die Phasen-verschiebung zwischen Sende- und Empfangssig-nal gemessen. Die Gerte werden von oben montiert. Das Licht wird ber Optiken eingestrahlt. 5.4 Messunsicherheiten Messunsi

36、cherheiten entstehen durch: Staub, Nebel und Dampf in der Behlteratmos-phre sowie Kondensat und Schmutz auf der Optik knnen das Licht so stark streuen, dass eine eindeutige Messung unmglich wird. Schaum, unruhige oder nicht glatte Oberflchen stren die optische Ausrichtung, was u. a. zu un-terschiedl

37、ichen Weglngen fhrt und damit er-hebliche Messunsicherheiten verursacht. Bei transparenten Messstoffen knnen durch Reflexion am Behlterboden Fehlsignale ent-stehen. Bewegte Oberflchen fhren zu Schwankungen der Lage und Intensitt des reflektierten Strahls. 5.3 Measurement method and measuring devices

38、 Direct propagation time measurement (Figure 1) Short light pulses are emitted periodically by a laser. The time to arrival of the reflected pulses is measured. Given the speed of light, the propaga-tion times are of the order of nanoseconds. Phase shift measurement (Figure 2) The optical intensity

39、is modulated at a high fre-quency (in the MHz range). The reflected light is demodulated in the receiver, and the phase shift between the emitted and received signals is meas-ured. The equipment is mounted at the top. The light is coupled in through an optical system. 5.4 Measurement uncertainties M

40、easurement uncertainties arise from the following: Dust, fog and vapour in the tanks atmosphere, and condensates on the optical system, can scat-ter the light and prevent unambiguous meas-urements. Foam, moving and uneven surfaces interfere with the optical alignment. This leads among other things t

41、o unequal path lengths and consid-erable measurement uncertainties. Transparent media may cause spurious signals through reflection from the bottom of the tank. Moving surfaces cause fluctuations in the posi-tion and the intensity of the reflected beam. 6 Triangulation Die Lage der Abbildung des ref

42、lektierten Lichts ist abhngig vom Abstand zwischen Lichtquelle und Messstoffoberflche. 6.1 Messprinzip Der Abstand wird mittels trigonometrischer Me-thoden bestimmt. Voraussetzung ist hierbei ein scharf gebndelter Lichtstrahl, vorzugsweise eines Lasers, der an der Messstoffoberflche gestreut wird. D

43、as gestreute Licht wird auf eine Flchendi-ode oder eine CCD-Zeile bzw. Fotodioden-Array abgebildet. Aus der Lage der Abbildung des ge-streuten Lichts wird nach den Regeln der Trigo-nometrie der Abstand berechnet, siehe Bild 3. 6 Triangulation The position of the image of the reflected light depends

44、on the distance between the light source and the mediums surface. 6.1 Measurement principle The distance is determined using trigonometric methods. A sharply focused light beam is required, preferably produced by a laser. The beam is re-flected from the mediums surface, and is imaged on a junction d

45、iode, a CCD array or a photodiode array. The distance is calculated trigonometrically from the position of the image, as shown in Fig-ure 3. B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FA2DEF1929BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2016-11All rights reserved Ve

46、rein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2012 VDI/VDE 3519 Blatt 14 / Part 14 5 Bild 1. Direkte Laufzeitmessung Figure 1. Direct propagation time measurement Bild 2. Phasenmessung Figure 2. Phase measurement 6.2 Einsatzbereich Die Messmethode wird bei kontinuierlichen Mes-sungen des Fllstands von F

47、lssigkeiten und Fest-stoffen verwendet, sofern ausreichende Reflexion gegeben ist. Die Anwendung setzt saubere Optiken voraus. Der Messbereich reicht typischerweise von ca. 1 cm bis zu ca. 10 m. Das Messverfahren eignet sich fr Temperaturen von bis zu 100 C und bei Drcken von bis zu 50 bar. 6.3 Mess

48、verfahren und Messeinrichtung Der Lichtstrahl trifft auf die Messstoffoberflche auf. Die Lage des Fokuspunkts verschiebt sich mit der Fllhhe hx, siehe Bild 3. Der Abstand ergibt sich mit trigonometrischer Berechnung aus der Gerteanordnung und dem Ablenkweg xh auf dem Positionsdetektor. 6.2 Applicati

49、on This method is used for continuous level meas-urement in liquids and solids, and requires ade-quate reflection efficiency and clean optics. The typical measurement range is from ca. 1 cm to ca. 10 m. The measurement method is suitable for temperatures up to 100 C and pressures up to 50 bar. 6.3 Measurement method and measuring device The light beam is incident on the mediums sur-face. The focus position shifts with the level hx(Figu