سنسور سطح اولتراسونیک چیست؟

سنسور سطح اولتراسونیک، که به عنوان سنج‌های سطح مایع اولتراسونیک نیز شناخته می‌شود، ابزار اندازه‌گیری سطح بدون تماس-می‌باشد. آنها دارای دقت بالا، نصب آسان و حداقل نگهداری هستند. معمولاً برای اندازه‌گیری سطح مایع در ظروف مختلف و همچنین سطح آب در کانال‌ها، استخرها، مخازن، رودخانه‌ها، دریاچه‌ها و دریاها استفاده می‌شود، آنها همچنین می‌توانند سطوح رابط و اختلاف سطح را اندازه‌گیری کنند. آنها به ویژه برای فاضلاب و محیط های خورنده مناسب هستند. هنگامی که به همراه مخازن و سرریزها برای تشکیل کنتورهای کانال باز استفاده می شوند، می توانند دبی را نیز اندازه گیری کنند. بنابراین، آنها به طور فزاینده ای در بسیاری از صنایع و زمینه ها مانند فولاد، پتروشیمی، تصفیه آب و حفاظت از آب استفاده می شوند.

سطح سنج اولتراسونیک که در قسمت بالایی یک ظرف نصب شده است، تحت کنترل یک واحد الکترونیکی، پرتوی از پالس های اولتراسونیک را به سمت جسم مورد اندازه گیری ساطع می کند. امواج صوتی توسط سطح جسم منعکس می شود و بخشی از پژواک بازتاب شده توسط کاوشگر دریافت می شود و به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. زمان از انتشار موج اولتراسونیک تا دریافت آن متناسب با فاصله بین کاوشگر و جسم مورد اندازه گیری است. واحد الکترونیکی این زمان را تشخیص می دهد و فاصله اندازه گیری شده را بر اساس سرعت شناخته شده صوت محاسبه می کند. فاصله پروب تا کف مخزن منهای فاصله از پروب تا سطح مایع برابر با سطح واقعی مایع یا ارتفاع سطح است. این برای تبدیل ارتفاع سطح مایع به سیگنال جریان 4 تا 20 میلی آمپر یا سیگنال ولتاژ 1 تا 5 ولت برای خروجی استفاده می شود. از طرف دیگر، می توان آن را از طریق ارتباط RS485، HART یا GPRS به مرکز کنترل منتقل کرد. از آنجایی که دما تأثیر بسزایی بر سرعت صدا دارد، دستگاه باید دمای محیط را اندازه گیری کند تا سرعت صوت را تصحیح کند.

در مقایسه با انواع دیگر سطح سنج ها، سنسورهای سطح اولتراسونیک دارای مزایای زیر هستند:

(1) اندازه‌گیری بدون تماس: مبدل اولتراسونیک بالای سطح مایع نصب می‌شود و با محیط اندازه‌گیری شده تماس ندارد. این امکان اندازه گیری راحت مایعات خورنده، چسبناک یا سمی را فراهم می کند، از خوردگی یا آلودگی توسط مایع اندازه گیری شده جلوگیری می کند و نیازهای تعمیر و نگهداری را حذف می کند.

(2) تطبیق پذیری خوب: سطح سنج می تواند سطح مایع را در کانال های باز و همچنین در مخازن ذخیره سازی بزرگ اندازه گیری کند.

نصب و جداسازی آسان.

(3) سازگاری قوی: طیف وسیعی از کاربردها را دارد و تحت تأثیر چگالی، ثابت دی الکتریک یا رسانایی محیط قرار نمی گیرد. بسیار سازگار با خواص فیزیکوشیمیایی مایع اندازه گیری شده است. (4) مناسب برای اندازه‌گیری سطح مایعات سمی، خورنده و{4} با ویسکوزیته بالا، غلبه بر کاستی‌های دیگر سطح سنج‌ها در چنین محیط‌های اندازه‌گیری خشن.

(5) تقریباً بدون قطعات مکانیکی متحرک، بدون سایش، عمر طولانی و وزن سبک. عنصر پیزوالکتریک داخل مبدل در فرکانس‌های صوتی، با دامنه کم، عمر طولانی و پایداری خوب می‌لرزد.

معایب عمدتاً عبارتند از: هنگامی که مایع اندازه گیری شده فرار است، چگالی هوای ناهموار بالای سطح مایع می تواند منجر به خطاهای اندازه گیری بزرگتر شود. هنگامی که سطح مایع اندازه گیری شده دارای موج های بزرگ باشد، به راحتی می تواند باعث انعکاس امواج صوتی آشفته و در نتیجه خطا شود. علاوه بر این، سطح سنج های اولتراسونیک دارای مناطق کور اجتناب ناپذیری هنگام اندازه گیری سطوح مایع هستند که اندازه گیری فاصله کوتاه را دشوار می کند.

سطح سنج های اولتراسونیک یکپارچه پروب اولتراسونیک، واحد پردازش سیگنال، نمایشگر و غیره را در یک دستگاه ادغام می کند. تمام عملکردهای اندازه گیری و کنترل در یک محفظه انجام می شود.

نصب آسان: به دلیل ساختار جمع و جور آن، تنها یک دستگاه باید در حین نصب ثابت شود، که سیم کشی و مراحل نصب پیچیده را حذف می کند. عملکرد جامع: مناسب برای محیط های صنعتی خشن، با درجه حفاظت تا IP66/IP67. چندین مدل موجود است، مانند انواع-مقاوم در برابر خوردگی و انفجار-.

کالیبراسیون ساده: طراحی یکپارچه فرآیند کالیبراسیون را ساده و ساده می کند، به طور معمول به کالیبراسیون کل سیستم به جای چندین جزء جداگانه نیاز دارد.

سطح سنج اولتراسونیک یکپارچه معمولاً در مخازن ذخیره سازی، تصفیه فاضلاب صنعتی، مخازن واکنش شیمیایی و استخرهای آب کم عمق استفاده می شود.

سطح سنج های اولتراسونیک Split-نوع سنج اولتراسونیک: گیج های سطح اولتراسونیک نوع تقسیم شده از یک پروب جداگانه و واحد پردازش سیگنال تشکیل شده است. پروب در نقطه اندازه گیری نصب می شود، در حالی که واحد پردازش سیگنال را می توان در یک اتاق کنترل یا مکان مناسب دیگری دور از نقطه اندازه گیری نصب کرد. این دو توسط یک کابل به هم متصل می شوند.

قابلیت ضد تداخل قوی: با جدا شدن پروب و واحد پردازش سیگنال، واحد پردازش سیگنال را می توان از مناطقی با دمای بالا، فشار بالا یا تداخل الکترومغناطیسی قوی دور نگه داشت و در نتیجه دقت اندازه گیری و قابلیت اطمینان را بهبود بخشید.

عملیات آسان: واحد پردازش سیگنال معمولا دارای یک صفحه نمایش بزرگتر و رابط های عملیاتی بیشتر است که تنظیمات و نظارت را توسط اپراتورها تسهیل می کند.

انطباق پذیری بالا: طراحی تقسیم به آن اجازه می دهد تا با محیط های اندازه گیری خشن، مانند محیط های{0}در دمای بالا، گاز خورنده یا مایع سازگار شود. پروب می تواند از مواد خاصی ساخته شود تا در این شرایط مقاومت کند.

سطح سنج‌های اولتراسونیک از نوع تقسیم{0}}برای اندازه‌گیری سطح در مخازن ذخیره‌سازی بزرگ، فرآیندهای پیچیده و محیط‌های با دمای{1} بالا یا بسیار خورنده مناسب هستند. آنها به ویژه برای برنامه هایی که نیاز به عملکرد از راه دور یا محافظت در برابر تداخل محیطی دارند مناسب هستند.

1. اندازه گیری محدوده و منطقه مرده
محدوده اندازه گیری و منطقه مرده دو شاخص مهم سطح سنج اولتراسونیک هستند.

محدوده اندازه گیری حداکثر محدوده ای را نشان می دهد که سطح سنج می تواند اندازه گیری کند و منعکس کننده حساسیت مبدل است. به عبارت دیگر، هر چه محدوده اندازه گیری بزرگتر باشد، حساسیت بالاتر است. اکثر سازندگان محدوده اندازه گیری را برای یک سطح مایع صاف مشخص می کنند، اما در اندازه گیری واقعی، نوسانات سطح مایع، اجسام شناور روی سطح، و وجود گرد و غبار یا بخار در مواد جامد اندازه گیری شده، همگی می توانند باعث کاهش دامنه اندازه گیری از مقدار اسمی شوند.

منطقه مرده که به عنوان منطقه کور نیز شناخته می شود، فاصله ای است که سطح سنج اولتراسونیک به دلیل پس لرزه های مبدل اولتراسونیک نمی تواند اندازه گیری کند. به عنوان مثال، منطقه مرده 30 سانتی متر به این معنی است که وقتی فاصله بین سطح مایع و پروب کمتر از 30 سانتی متر باشد، اندازه گیری امکان پذیر نخواهد بود. بنابراین، برای محصولات با محدوده اندازه گیری یکسان، یک ناحیه مرده کوچکتر نشان دهنده طراحی بهتر مبدل است. همچنین نصب را برای اندازه گیری در مخازن بسته یا با محدوده اندازه گیری کوتاه آسان تر می کند.

2. دما و دقت
محدوده دما بیشتر به صورت -20 ~ 60 درجه مشخص می شود. از آنجایی که بیشتر سطح سنج هایی که از نمایشگرهای LCD استفاده می کنند، دارای محدوده دمای عملیاتی محدود به حد معینی برای صفحه LCD هستند. فراتر رفتن از این محدوده باعث اختلال در عملکرد می شود. اگر محدودیت های نمایشگر LCD نادیده گرفته شود، محدوده دمای عملیاتی معمولاً 40- تا 80 درجه است. در شرایط عادی، دمای کار مبدل های اولتراسونیک به ندرت از 150 درجه تجاوز می کند: بیش از 150 درجه می تواند به راحتی به سرامیک های پیزوالکتریک داخل آسیب برساند، بنابراین 150 درجه را می توان یک دمای مخرب مطلق در نظر گرفت. علاوه بر این، برخی از مواد مورد استفاده در فرآیند تولید مبدل های اولتراسونیک نمی توانند برای مدت طولانی در دمای بالای 100 درجه کار کنند. بنابراین، حداکثر دما برای اکثر مبدل ها 100 درجه است.

چرا دقت و دما را با هم در نظر بگیریم؟ زیرا در هوا، خطای اندازه گیری دما 1 درجه بر سرعت صوت 0.6 متر بر ثانیه تأثیر می گذارد. در 20 درجه و 1 اتمسفر، سرعت صوت تقریباً 340 متر بر ثانیه است. بنابراین، تأثیر بر خطای اندازه گیری 0.17٪ محاسبه می شود. اگر خطای اندازه گیری دما از 3 درجه تجاوز کند، خطای اندازه گیری سطح برای اکثر سازندگان از محدوده اسمی 0.5٪ تجاوز می کند. در واقع، دقت 0.5 درصد برای شرایط دما و فشار معمولی است. در دماهای بالاتر یا پایین تر، دقت اندازه گیری ممکن است بیش از 0.5٪ باشد. همچنین خطاهای اندازه گیری در محیط هایی با گرادیان دما یا تغییرات سریع دما افزایش می یابد. علاوه بر این، ترکیب گاز بیشترین تأثیر را بر دقت اندازه گیری دارد. به عنوان مثال، در حضور مایعات فرار، تبخیر مایع ترکیب هوا را تغییر می دهد که به نوبه خود سرعت صدای گاز را تغییر می دهد و در نهایت باعث ایجاد خطا در اندازه گیری می شود.

3. فشار
تحت فشار منفی، اندازه گیری اولتراسونیک معمولاً توصیه نمی شود زیرا انتشار اولتراسوند از طریق گاز حاصل می شود. فشار منفی به این معنی است که هوای داخل کمیاب است. انتشار اولتراسوند در هوای کمیاب دو مشکل ایجاد می کند: اول اینکه سرعت صدا تغییر می کند و باعث خطاهای اندازه گیری می شود. ثانیا، تضعیف امواج صوتی در هوای کمیاب افزایش می‌یابد که منجر به کاهش دامنه اندازه‌گیری یا حتی جلوگیری از اندازه‌گیری به طور کلی می‌شود.

4. خوردگی
خورندگی سطح سنج ها در درجه اول مواد کاوشگر را آزمایش می کند. در محیط های اسیدی یا قلیایی ضعیف، پوسته های پلاستیکی معمولی کافی است. پوسته های پلی تترافلوئورواتیلن (PTFE) می توانند اکثر اسیدها و قلیایی های قوی را تحمل کنند. شایان ذکر است که اگر ماده ای که اندازه گیری می شود بسیار خورنده و فرار است، بهتر است هنگام استفاده از سطح سنج یکپارچه، چسب را روی صفحه مدار بمالید. این به این دلیل است که اکثر محفظه های ضد آب ضد گاز- نیستند. هنگامی که گاز وارد تجهیزات شود، برد مدار را خورده می کند.