طرز کار سنسور التراسونیک
ما با صدا احاطه شده ایم. تأخیر زمانی بین ارسال و شنیدن صوت معمولاً تحت عنوان اکو شناخته می شود.
اندازه گیری سطح به روش اولتراسونیک نیز از این اثر استفاده میکند. اندازه گیری مداوم سطح توسط سنسور التراسونیک غیر تماسی بر اساس اصل زمان پرواز یا ToF (Time of Flight) است. تجهیزاتی که از تکنولوژی ToF استفاده می کنند به طور مداوم سطح را در مخازن و سیلوها اندازه گیری می کنند. بیایید نگاهی دقیقتر به نحوه کار این روش اندازه گیری داشته باشیم.
یک کریستال پیزوالکتریک در داخل ترانسدیوسر، سیگنال الکتریکی را به پالس اولتراسونیک تبدیل میکند. پالس های التراسونیک ساطع میشوند و در برخورد با سطح سیال، منعکس شده و دوباره توسط سنسور دریافت میشوند. فاصله بین سنسور التراسونیک و سطح سیال را می توان با اندازه گیری این زمان پرواز محاسبه کرد.
امواج التراسونیک، امواج مکانیکی هستند. پالس های التراسونیک به صورت پیزوالکتریکی تولید میشوند و با تغییر چگالی بین هوا و سیال، از سطح سیال منعکس میشوند. مدت زمانی که توسط ترانسمیتر بین ارسال و دریافت سیگنال، اندازه گیری و تحلیل میشود ، رابطه مستقیمی با فاصله بین سطح سنسور و سطح سیال دارد.
ریزپردازنده روی برد ترانسمیتر سطح اولتراسونیک با استفاده از فرمول زیر فاصله تا سطح سیال را محاسبه میکند:
فاصله = (سرعت صوت در هوا x تأخیر زمانی) / ۲
هنگامی که سنسور با یک مرجع – معمولاً پایین مخزن – برنامه ریزی میشود ، سطح مایعات توسط ریزپردازنده محاسبه میشود. معادله اساسی برای محاسبه سطح مخزن عبارت است از:
سطح = ارتفاع مخزن – فاصله
پردازش داخلی اکو در ترانسمیتر می تواند به دستگاه اجازه دهد تا سطح مایعات ، جامدات و دوغاب ها را حتی در مخازن باریک، دارای انسداد یا متلاطم را نیز تعیین کند. سنسور های سطح اولتراسونیک در بالای مخازن نصب شده و برای اپلیکیشن های استاندارد ساده ، هم برای مایعات و هم برای مواد جامد، ایده آل و مناسب هستند.
حداقل فاصله اندازه گیری (Xm): (همچنین به عنوان باند مرده یا ” Dead Band” شناخته می شود) ویژگی مشترک در تمام ترانسمیتر های سطح اولتراسونیک است. این یک محدوده کوتاه در مقابل سنسور است که دستگاه اولتراسونیک نمیتواند در آن اندازه گیری کند.
حداکثر فاصله اندازه گیری (XM): طولانی ترین رنج در شرایط ایده آل که دستگاه می تواند در آن اندازه گیری کند. هیچ اندازه گیری فراتر از این فاصله امکان پذیر نیست.
ترانسدیوسر ، محاسبات را برای تبدیل فاصله حرکت موج برای اندازه گیری سطح در مخزن انجام میدهد. فاصله زمانی بین ارسال سیگنال صوتی و دریافت اکوی بازگشتی آن از سطح مستقیماً با فاصله بین ترانسدیوسر و محصول موجود در مخزن متناسب است. سیال بالای محصول موجود در مخزن معمولاً هوا است اما میتواند برخی گازهای دیگر یا بخار باشد. این ابزار زمان حرکت سیگنال های پالسی را به سمت سطح بازتابنده و بازگشت آن ها را اندازه گیری میکند. این زمان متناسب با فاصله سنسور تا سطح خواهد بود و می تواند برای تعیین سطح محصول در مخزن استفاده شود. این اصل اساسی در قلب فناوری اندازه گیری اولتراسونیک نهفته است و در معادله نشان داده شده است:
فاصله = (سرعت صوت x زمان رفت و برگشت سیگنال) / ۲
این دستگاه های غیر تماسی در مدل هایی موجود هستند که می توانند خروجی خود مثلاً ۴ تا ۲۰ میلی آمپر را به DCS ، PLC یا سایر کنترلر ها به راه دور منتقل کنند. دامنه فرکانس برای روش های اولتراسونیک در محدوده ۱۵ … ۲۰۰ کیلوهرتز است. از ابزارهای فرکانس پایین برای کاربردهای دشوارتر استفاده میشود مانند مسافت های طولانی تر و اندازه گیری سطح جامدات و آنهایی که فرکانس بیشتری دارند برای اندازه گیری سطح مایعات و مسافت های کوتاه تر استفاده میشود.
در عمل برای استفاده از سنسور التراسونیک ، باید تعدادی از فاکتورها در نظر گرفته شود. چند نکته اساسی عبارتند از:
- سرعت صوت در محیط (معمولاً هوا) متناسب با دمای محیط متفاوت خواهد بود. ترانسدیوسر ممکن است دارای یک سنسور دما برای جبران تغییرات دمای کاری باشد که باعث تغییر سرعت صوت و از این رو محاسبه فاصله میشود که اندازه گیری دقیق تری برای سطح ارائه کند. جبران سازی دما برای در نظر گرفتن واریانس های یکنواخت دمای محیطی که صوت از آن عبور میکند ارائه میشود. سنسور دما در داخل سنسور التراسونیک قرار میگیرد و سیگنال از طریق سیم کشی ترانسدیوسر به فرستنده ارسال می شود. به صورت اختیاری ، میتوان از سنسور دمایی جداگانه به جای استفاده از سنسور دمای داخلی ترانسدیوسر برای خوانش دمای ورودی استفاده کرد. اگر قرار باشد دمای محیط صوت ثابت بماند، به جای استفاده از سنسور برای جبران سازی دما، ممکن است در هنگام پیکره بندی فرستنده دمای مورد نظر وارد شود.
- وجود کف / غبار سنگین روی سطح مواد میتواند به عنوان جاذب صوت عمل کند. در بعضی موارد ، جذب ممکن است برای جلوگیری از استفاده از روش اولتراسونیک کافی باشد. برای افزایش عملکرد در مواردی که کف / گرد و غبار یا عوامل دیگر بر روی حرکت موج از / به سطح مایع تأثیر میگذارد ، برخی مدل ها میتوانند از یک راهنما در مسیر پرتوی ارسالی از ترانسدیوسر استفاده کنند.
- تلاطم شدید مایعات میتواند باعث نوسانات در خوانش شود. استفاده از یک تنظیم میرایی در ابزار یا یک تاخیر پاسخگویی میتواند به غلبه بر این مشکل کمک کند. فرستنده میرایی را برای کنترل حداکثر سرعت تغییر سطح ماده نمایش داده شده و نوسان سیگنال خروجی را فراهم می کند. میرایی همچنین سرعت پاسخ صفحه نمایش را کند میکند ، به خصوص هنگامی که سطح مایع در حال آشفتگی توسط همزن ها هستند و یا مواد هنگام وارد شدن به مخزن در مسیر صوت قرار میگیرند.
دامنه فرکانس برای روش های اولتراسونیک در محدوده ۲۰… ۲۰۰ کیلوهرتز است. از تجهیزات فرکانس پایین برای کاربرد های دشوارتر استفاده میشود مانند اندازه گیری سطح جامدات و مسافت های طولانی تر و آنهایی که فرکانس بیشتری دارند برای اندازه گیری سطح مایعات و مسافت های کوتاهتر استفاده میشود. با افزایش فرکانس، امواج صوتی به فواصل کمتری منتقل می شوند و بلعکس، با کاهش فرکانس امواج صوتی به فواصل بیشتری منتقل می شوند. بنابراین، سنسورهای التراسونیک دوربرد در فرکانس های پایین بهتر و سنسورهای کوتاه برد در فرکانس های بالاتر بهترین عملکرد را دارند.
انتخاب سنسور التراسونیک
از آنجا که اولتراسونیک بدون تماس است ، حتی مواد ساینده یا خورنده را نیز میتواند اندازه گیری کند. برای انتخاب ابزاری با حداقل و حداکثر رنج مناسب باید ارتفاع مخزن و هد روم نیز در نظر گرفته شود. از آنجایی ما شما را تنها نمی گذاریم در مقاله انتخاب سنسور التراسونیک مناسب (۴ ویژگی مهم) میتوانید در این مورد به طور مفصل مطالعه فرمایید.
نوع طراحی
سنسورهای اولتراسونیک باید از ماده ای مناسب متناسب با سیال اندازه گیری شونده (به عنوان مثال PVDF یا ETFE) ساخته شوند. ساختار جامد و یک عمل خود تمیز کنندگی در سطح سنسور، یک محصول قابل اطمینان و با تعمیر و نگهداری کم را ارائه میدهد.
ساختار اندازه گیری سطح اولتراسونیک
عرض پرتو
ابتدا میخواهم در مورد برخی از خصوصیات مهم صوت صحبت کنم. صوت از یک منبع حرکت می کند و در یک جهت خاص متمرکز میشود و پس از طی مسافتی، موج به شکل مخروط پخش میشود. عرض پرتو تا حد زیادی توسط زاویه پرتوی ترانسدیوسر تعیین می شود که به طور معمول در بیشتر سنسورهای التراسونیک بین ۸ تا ۱۲ درجه است. اساساً هرچه امواج صوتی بیشتر حرکت کنند، عرض آن گسترده تر میشود. عرض پرتو را به عنوان حداقل فضای آزاد مورد نیاز برای اندازه گیری سطح قابل اطمینان در نظر بگیرید ، اما در صورت وجود انسداد یا موانع (مانند نردبان و میکسر)، سنسور التراسونیک باید تا حد امکان از آنها دور باشد. موانع داخل مسیر پرتو میتوانند سیگنال صوتی را مختل کرده و اشتباهاً به عنوان سطح مایع تشخیص داده شوند.
پیکره بندی اندازه گیری به روش التراسونیک
- BD: مسافت مسدود شده
- SD: فاصله ایمنی
- E: کالیبراسیون خالی (نقطه صفر)
- F: کالیبراسیون کامل (اسپن)
- D: قطر نازل
- L: سطح
مزایای سنسور سطح التراسونیک
- سنسور های التراسونیک به راحتی روی مخازن خالی یا مخازن حاوی مایع نصب می شوند.
- تنظیمات ساده ای دارند و دستگاه هایی که دارای قابلیت برنامه نویسی روی صفحه دارند می توانند در عرض چند دقیقه کانفیگ شوند.
- از آنجا که هیچ ارتباطی با محصول و قطعات متحرک وجود ندارد، دستگاه ها در واقع بدون تعمیر و نگهداری هستند. قسمت هایی که با سیال میانی مانند هوا در تماس است معمولاً یک فلوروپلیمر بی اثر و مقاوم در برابر خورندگی بخارات متراکم هستند.
- از آنجا که دستگاه غیرتماسی است ، اندازه گیری سطح تحت تأثیر تغییر در چگالی مایع، دی الکتریک یا ویسکوزیته قرار نمیگیرد و عملکرد خوبی روی مایعات آبدار و بسیاری از مواد شیمیایی دارد.
- تغییر در دمای فرآیند سرعت پالس التراسونیک را در هنگام گذر از فضای بالای مایع تغییر میدهد، اما جبران کننده دمای داخلی، به طور خودکار این را اصلاح می کند.
- تغییرات در فشار فرآیند بر اندازه گیری تأثیر نمیگذارد.
معایب سنسور التراسونیک
التراسونیک به ندرت در جریان فرایند هیدروکربن بالادستی برای اندازه گیری سطح استفاده میشود. این ممکن است در اپلیکیشن های اتمسفری استفاده شود. در برنامه هایی که مستعد تغییر چگالی بخار هستند ، باید از پین مرجع جبران کننده استفاده شود. (Compensation reference pin)
حداکثر فاصله اندازه گیری باید متناسب با فناوری بررسی شود (بالای ۳۰ متر ممکن است بازتابندگی کاهش یابد و ممکن است باعث خطا / مشکل در اندازه گیری شود).
سنسور های التراسونیک ، به عنوان محدودیت فیزیکی ، یک فاصله مسدود شده (نزدیک به سنسور) دارند که نمیتوانند اندازه گیری قابل اعتماد داشته باشند ، به عنوان مثال ۰٫۲۵ متر.
محدودیت فشار مخزن باید تقریباً ۰٫۵ بار یا کمتر باشد. فشار بیشتر ممکن است عدم قطعیت و درستی لازم را در اندازه گیری سطح ایجاد کند.
گرادیان بخار ، خلأ یا دما می تواند بر سرعت صوت تأثیر بگذارد و در نتیجه باعث اندازه گیری نادرست شود.
وجود کف یا تلاطم سنگین روی سطح ماده اندازه گیری شده می تواند باعث اندازه گیری غیر قابل اطمینان شود.
جبران دمایی سنسورهای التراسونیک (فراصوت)
سرعت صدا به دمای محیط بستگی دارد. با بالا رفتن دما، سرعت صدا هم افزایش پیدا میکند.
با سردتر شدن هوا، سرعت صدا کاهش پیدا میکند. برای سنسورهای التراسونیک، این واریانس (تغییرات) میتواند روی دقت تاثیرگذار باشد، چون یک بازگشت طنین سریع‌تر یا آهسته‌تر، باعث میشود که یک هدف ثابت، دورتر یا نزدیک‌تر به نظر برسد.
اکثر سنسورهای التراسونیک ما از یک شبکه جبران دمایی داخلی استفاده میکنند تا در مقابل این شرایط محیطی در حال تغییر، واکنش مناسب را نشان دهند.
تغییرات ثابت دمایی در طول روز، مساله‌ای نیست که ما معمولا زیاد به آن فکر کنیم.
برای اکثر افراد اینکه دمای اتاق از ۲۱ درجه سلسیوس به ۲۳ درجه سلسیوس تغییر کرده است، چندان قابل تشخیص نیست. اما برای کاربردهای سنسور التراسونیک که نیازمند دقت میلی‌متری هستند، این تفاوت جزئی، بسیار تاثیرگذار خواهد بود.
پرسش و پاسخ سنسور سطح التراسونیک
مزایای سنسورهای سطح اولتراسونیک چیست؟
بسیاری از مایعات موجود در اپلیکیشن ها دارای ویژگی های چالش برانگیزی هستند که بر عملکرد سنسور های نوع تماسی، عملکرد، تعمیر و نگهداری و / یا هزینه های جایگزین کردن تأثیر منفی میگذارند.
به عنوان مثال می توان مایعات خورنده ، پوششی، مقیاس پذیر ، ویسکوز و کثیف را نام برد. سنسور های اولتراسونیک غیر تماسی هستند و بنابراین در برابر موارد نام برده اثر نمیپذیرند.
با سنسورهای سطح اولتراسونیک از چه چیزهایی باید اجتناب کرد؟
متغیرهای اپلیکیشن که باید در هنگام استفاده از سنسور سطح اولتراسونیک از آنها اجتناب کرد ، کف شدید ، بخار یا تلاطم است.
کف ، بخار و تلاطم می توانند قسمت قابل توجهی از سیگنال بازگشت را جذب و یا منحرف کنند.
سیگنال های خروجی ۴ تا ۲۰ میلی آمپر چه چیزی ارائه میدهند؟
۴-۲۰ میلی آمپر نشان دهنده دامنه اندازه گیری سنسور است.
نقطه تنظیم ۴ میلی آمپر به طور معمول در نزدیکی ته مخزن خالی یا بیشترین فاصله اندازه گیری از سنسور قرار می گیرد. نقطه تنظیم ۲۰ میلی آمپر به طور معمول در نزدیکی بالای مخزن پر یا کمترین فاصله اندازه گیری از سنسور قرار می گیرد.
سنسور در هنگام خالی بودن مخزن به طور متناسب سیگنال ۴ میلی آمپر و هنگام پر شدن مخزن سیگنال ۲۰ میلی آمپر تولید میکند.
مزایای سیگنال های ۴-۲۰ میلی آمپر چیست؟
سیگنال های آنالوگ ۴-۲۰ میلی آمپر دارای مزایایی همچون:
- دو سیمه ها هم سیم تغذیه و هم سیم سیگنال را حمل میکنند.
- سیگنال ۴ تا ۲۰ میلی آمپر به راحتی با یک مقاومت ۲۵۰ اهم تبدیل به سیگنال ۱ تا ۵ ولت و با یک مقاومت ۵۰۰ اهمی تبدیل به سیگنال ۱ تا ۱۰ ولت دی سی خواهد شد.
- ۴-۲۰ میلی آمپر جریان کم است و بنابراین از طریق سیم سیگنال حرارت کمی از دست میدهد.
- با کابل شیلد دار، خروجی ۴-۲۰ میلی آمپر در برابر نویز و تداخلات تابشی و القایی مقاوم است.
حداکثر فاصله سیگنال ۴-۲۰ میلی آمپر چقدر است؟
سنسور را می توان با استفاده از یک کابل شیلد دار مخصوص و تغذیه ۲۴ ولت تا ۱۰۰۰ فوت آن طرف تر هم سیم کشی کرد.
مقاومت کل حلقه نباید بیش از ۹۰۰ اهم باشد. (از سازنده به سازنده دیگر تغییر می کند).
چگونه می توان بهترین محدوده سنسور سطح اولتراسونیک را برای عملکرد بهینه انتخاب کرد؟
رنجی را برای سنسور خود انتخاب کنید که ارتفاع مخزن را با حداقل با ۲۵٪ حاشیه پوشش دهد.
در اپلیکیشن های چالش دار با کف سبک ، بخار و / یا تلاطم ، محدوده سنسور را دو برابر ارتفاع مخزن انتخاب کنید. با اینکار میتوان عملکرد را بهبود بخشید.
علی اکبر مسکین هستم. علاقه مند به برق صنعتی و فروش لطفا نظرات تون رو درباره این مقاله برام بنویسید.
عالی بود ممنون از مقاله ی خوبتون