یک فرستنده سطح التراسونیک در بالای مخزن نصب می‌شود. و یک پالس التراسونیک را به داخل مخزن منتقل می‌کند. این پالس که با سرعت صوت حرکت می‌کند، از سطح مایع به فرستنده بازتاب می‌شود. فرستنده تأخیر زمانی بین سیگنال اکو ارسال شده و دریافتی را اندازه‌گیری می‌کند. و ریزپردازنده روی برد، فاصله تا سطح مایع را با استفاده از فرمول محاسبه می‌کند. در این مقاله اصول کار سطح‌سنج التراسونیک و همچنین فاکتور‌ها و عوامل تاثیر گذار بر عملکرد سنسور التراسونیک را در محیط واقعی بررسی می‌کنیم.
2 / (سرعت صدا در هوا x تأخیر زمانی) = فاصله
هنگامی که فرستنده با مرجع پایین (معمولاً پایین مخزن) برنامه‌ریزی می‌شود، سطح مایع توسط ریزپردازنده محاسبه می‌شود. معادله اساسی برای محاسبه سطح مخزن است.
فاصله – ارتفاع مخزن = سطح
مفاهیم اساسی در اندازه‌گیری سطح التراسونیک
حداقل فاصله اندازه‌گیری (Xm)
(همچنین به عنوان “باند مرده یا نقطه‌ی کور” شناخته می‌شود) یک ویژگی مشترک برای تمام لول‌مترها ( (Level Meterسطح التراسونیک است. این فاصله کوتاهی در مقابل حسگر است که دستگاه التراسونیک نمی‌تواند آن را اندازه‌گیری کند. در واقع در این فاصله مدت زمانی است که فرستنده‌ی التراسونیک پالس صدا را می‌فرستد.( یا به عبارتی زمان زنگ زدن)
حداکثر فاصله اندازه گیری (XM)
طولانی‌ترین محدوده در شرایط ایده‌آل که دستگاه می‌تواند در آن اندازه‌گیری کند. هیچ اندازه‌گیری فراتر از این فاصله امکان پذیر نیست.
پردازنده اطلاعات التراسونیک
فرستنده سطح التراسونیک، که محاسباتی را برای تبدیل فاصله حرکت موج به اندازه‌گیری سطح در مخزن انجام می‌دهد. فاصله زمانی بین شلیک انفجار صدا و دریافت پژواک برگشتی به طور مستقیم با فاصله بین مبدل و مواد موجود در ظرف متناسب است. این محیط (معمولاً هوا) روی سطح ماده است، اما می‌تواند پوششی از گازها یا بخارهای دیگر باشد. این ابزار زمان حرکت انفجارها به سطح بازتابنده و بازگشت را اندازه‌گیری می‌کند. این زمان متناسب با فاصله مبدل تا سطح خواهد بود و می‌توان از آن برای تعیین سطح سیال در مخزن استفاده کرد. این اصل اساسی در قلب فناوری اندازه گیری التراسونیک قرار دارد و در معادله نشان داده شده است: فاصله = (سرعت صدا x زمان)/2. این دستگاه‌های غیرتماسی در مدل‌هایی موجود هستند که می‌توانند قرائت‌ها را به خروجی‌های 4 تا 20 میلی آمپر به DCS، PLC یا سایر سیستم‌های راه دور تبدیل کنند.
محدوده‌ی فرکانس کاری التراسونیک
محدوده فرکانس روش‌های التراسونیک در محدوده(۱۵-۲۰۰) کیلوهرتز است. ابزارهای فرکانس پایین‌تر برای کاربردهای دشوارتر استفاده می‌شوند. مانند فواصل طولانی‌تر و اندازه‌گیری سطح جامد. و آنهایی که فرکانس بالاتری دارند، برای اندازه‌گیری کوتاه‌تر سطح مایع استفاده می‌شوند.
فاکتور‌های مهم در کابرد عملی التراسونیک
برای کاربردهای عملی روش اندازه‌گیری التراسونیک، تعدادی فاکتور باید در نظر گرفته شود. چند نکته کلیدی عبارتند از:
در نظر گرفتن سرعت صوت با تغییرات دما
سرعت صوت از طریق محیط (معمولاً هوا) با دمای محیط متفاوت است. مبدل ممکن است حاوی یک سنسور دما برای جبران تغییرات در دمای عملیاتی باشد که سرعت صوت و در نتیجه محاسبه فاصله را که اندازه‌گیری دقیق سطح را تعیین می‌کند، تغییر می‌دهد. جبران دما برای در نظر گرفتن تغییرات دمایی یکنواخت محیط صوتی ارائه شده است. سنسور دما در داخل مبدل قرار می‌گیرد و سیگنال از طریق سیم‌کشی مبدل به فرستنده و گیرنده ارسال می‌شود. به صورت اختیاری، به جای استفاده از سنسور دمای یکپارچه، می توان از یک سنسور دمای جایگزین برای ارائه ورودی دما استفاده کرد. اگر قرار است دمای محیط صوتی ثابت بماند، به جای استفاده از جبران دمای یکپارچه یا سنسور از راه دور، دمای مورد نظر ممکن است در طول پیکربندی فرستنده گیرنده وارد شود.
تاثیر منفی محیط جاذب صدا
وجود فوم/گرد و غبار سنگین روی سطح ماده می‌تواند به عنوان جاذب صدا عمل کند. در برخی موارد، جذب ممکن است برای جلوگیری از استفاده از روش التراسونیک کافی باشد. برای بهبود عملکرد در جایی که فوم/گرد و غبار یا عوامل دیگر بر حرکت موج به و از سطح مایع تأثیر می‌گذارند، برخی از مدل‌ها می‌توانند یک راهنمای پرتو متصل به مبدل داشته باشند.
تاثیر تلاطم سطح مایع بر موج صدای التراسونیک
تلاطم شدید مایع می‌تواند باعث نوسان در خواندن شود. استفاده از تنظیم میرایی در دستگاه یا تاخیر در پاسخ ممکن است به غلبه بر این مشکل کمک کند. فرستنده و گیرنده میرایی را برای کنترل حداکثر نرخ تغییر سطح مواد نمایش داده شده و نوسان سیگنال خروجی میلی آمپر فراهم می‌کند. میرایی، سرعت واکنش نمایشگر را کاهش می‌دهد. به ویژه زمانی که سطوح مایع در حال هم زدن هستند یا مواد در طول پر شدن در مسیر صدا قرار می‌گیرند.
مزایای سنسور سطح‌سنج التراسونیک
- نصب فرستنده های التراسونیک بر روی مخازن خالی یا مخازن حاوی مایع آسان است.
- راه‌اندازی ساده است و دستگاه‌هایی که قابلیت برنامه‌نویسی روی برد دارند را می‌توان در عرض چند دقیقه پیکربندی کرد.
- از آنجایی که هیچ تماسی با رسانه‌ها و قطعات متحرک وجود ندارد، دستگاه‌ها عملاً بدون تعمیر و نگهداری هستند. مواد خیس شده معمولاً یک فلوئوروپلیمر بی‌اثر هستند و در برابر خوردگی ناشی از بخارات متراکم مقاوم هستند.
- از آنجایی که دستگاه غیر تماسی است، اندازه‌گیری سطح تحت تأثیر تغییرات در چگالی مایع، دی‌الکتریک یا ویسکوزیته قرار نمی‌گیرد و روی مایعات آبی و بسیاری از مواد شیمیایی عملکرد خوبی دارد.
- تغییرات در دمای فرآیند، سرعت پالس التراسونیک را در فضای بالای مایع تغییر می‌دهد، اما جبران دمای داخلی به طور خودکار این مورد را اصلاح می‌کند.
- تغییرات در فشار فرآیند بر اندازه گیری تأثیر نمی‌گذارد.
محدودیت‌ها
فرستنده‌های التراسونیک متکی به این هستند که پالس در طول زمان پرواز خود تحت تأثیر قرار نگیرد. از مایعاتی که بخارات سنگین، بخار یا لایه‌های بخار تشکیل می‌دهند باید اجتناب شود (در این موارد از فرستنده رادار استفاده کنید). از آنجایی که پالس برای عبور از آن به هوا نیاز دارد، کاربرد خلاء امکان پذیر نیست.
مصالح ساختمانی معمولاً دمای فرآیند را به حدود 158 درجه فارنهایت (70 درجه سانتیگراد) و فشار را به 43 psig (3 بار) محدود می‌کنند.
وضعیت سطح مایع نیز مهم است. برخی تلاطم‌ها را می‌توان تحمل کرد، اما کف اغلب پژواک برگشتی را خنثی می‌کند.
موانع موجود در مخزن، مانند لوله‌ها، میله‌های تقویت‌کننده و همزن‌ها باعث ایجاد پژواک‌های کاذب می‌شوند. اکثر فرستنده‌های جدید دارای الگوریتم نرم‌افزاری پیچیده‌ای هستند. که این پژواک‌ها نادیده می‌گیرند.
فرستنده های التراسونیک را می توان در سیلوهای حاوی محصولات خشک مانند گلوله ها، دانه ها یا پودرها استفاده کرد، اما راه‌اندازی آنها دشوارتر است. عواملی مانند زاویه خواب سطح، گرد و غبار و بردهای طولانی باید در نظر گرفته شوند. فرستنده رادار موج هدایت شده برای کاربردهای محصول خشک مناسب‌تر است.
سفارش و مشاهده سنسور سطح‌سنج التراسونیک
برای مشاهده سنسور التراسونیک برای سنجش مقدار مایع مخازن به این لینک مراجعه کنید.
منابع : منبع اول،
