Предыдущая статья| |Библиотека|

Руководство по ультразвуковому уровнемеру

Автор: coulton

Автор перевода: Франчук Дмитрий

Ультразвук – это звук, который мы не можем услышать. Ультразвуковой звук выше человеческого слуха. Человек может слышать максимум до частоты 20 кГц. Ультразвуковые частоты выше 20 кГц. Ультразвуковые волны используются для измерения уровня жидкостей и твердых предметов в промышленности. Ультразвуковое измерение уровня является бесконтактным принципом и наиболее подходит для измерения уровня горячих, агрессивных и кипящих жидкостей. Нормальный частотный диапазон, используемый для ультразвуковых измерений уровня, находится в диапазоне 40–200 кГц.
        1. Каков принцип ультразвукового измерения уровня?
Ультразвуковые волны обнаруживают объект так же, как это делает радар. Ультразвуковой использует звуковые волны, а радар использует радиоволны. Когда ультразвуковой импульсный сигнал направлен на объект, он отражается от объекта, и эхо возвращается отправителю. Время, пройденное ультразвуковым импульсом, рассчитывается, и расстояние до объекта определяется. Летучие мыши используют хорошо известный метод для измерения расстояния во время путешествия. Принцип ультразвукового измерения уровня также используется для определения положения рыб в океане, определения местоположения подводных лодок ниже уровня воды, а также положения аквалангиста в море.

Мы обратимся к фиг.1 и попытаемся понять технические характеристики ультразвукового преобразователя уровня. Ультразвуковой датчик уровня закреплен в верхней части резервуара, наполовину заполненного жидкостью. Опорным уровнем для всех измерений является дно резервуара. Уровень, подлежащий обнаружению, помечен как «C», а «B» – это расстояние ультразвукового датчика от уровня жидкости. Ультразвуковые импульсные сигналы передаются от передатчика и отражаются обратно на датчик. Рассчитывается время прохождения ультразвукового импульса от датчика к цели и обратно. Уровень «С» можно найти, умножив половину этого времени на скорость звука в воздухе. Конечным результатом измерения может быть сантиметры, футы, дюймы и т. Д.
Уровень = Скорость звука в воздухе х Время задержки / 2

2. Практические проблемы проектирования системы ультразвукового уровнемера:
Вышеуказанный принцип измерения выглядит довольно просто и верно только в теории. На практике существуют некоторые технические трудности, о которых нужно позаботиться, чтобы получить правильное чтение уровня.
а. Скорость звука изменяется из–за изменения температуры воздуха. Встроенный датчик температуры используется для компенсации изменений скорости звука из–за колебаний температуры.
б. Имеются некоторые интерференционные эхо–сигналы, создаваемые краями, сварными соединениями и т. Д. Это обеспечивается программным обеспечением передатчика и называется подавлением интерференционных эхо–сигналов.
с. Калибровка передатчика имеет решающее значение. Точность измерения зависит от точности калибровки. Расстояние пустого «A» и диапазон измерения «D» должны быть правильно определены для включения в калибровку датчика.
д. Переходные характеристики датчика будут развивать расстояние блокировки, как показано на рис–1. Диапазон «D» никогда не должен доходить до расстояния блокировки.
3. Основная структура ультразвукового преобразователя (см .: рис–2):
Ультразвуковой датчик является сердцем ультразвукового датчика уровня. Этот датчик преобразует электрическую энергию в ультразвуковые волны. Пьезоэлектрические кристаллы используются для этого процесса преобразования. Пьезоэлектрические кристаллы будут колебаться на высоких частотах, когда к нему прикладывается электрическая энергия. Обратное также верно. Эти пьезоэлектрические кристаллы будут генерировать электрические сигналы при получении ультразвука. Эти датчики способны отправлять ультразвук на объект и получать эхо–сигнал, создаваемый объектом. Эхо–сигнал преобразуется в электрическую энергию для последующей обработки по схеме управления.

4. Функциональная блок–схема типичного ультразвукового датчика уровня:
Мы будем ссылаться на функциональную блок–схему Fig–3 для пояснения физических структур ультразвукового преобразователя уровня.
Схема управления на основе микроконтроллера контролирует все действия ультразвукового преобразователя уровня. Существуют две цепи импульсной передачи, одна для импульса передатчика, а другая для импульса приемника. Импульс, генерируемый импульсом передатчика, преобразуется ультразвуковыми датчиками (передатчиком) в ультразвуковые импульсы и направляется на объект.
Этот ультразвуковой импульс отражается обратно в виде эхо–импульса на ультразвуковой датчик (приемник). Приемник преобразует этот ультразвуковой импульс в импульс электрического сигнала через генератор импульсов. Прошедшее время или время отражения измеряется счетчиком. Это прошедшее время имеет отношение к измеряемому уровню. Это истекшее время преобразуется в уровень с помощью цепи управления. Существует схема тактового генератора, которая используется для синхронизации всех функций в ультразвуковой системе измерения уровня.
Уровень окончательно преобразуется в сигнал 4–20 мА. 4 мА – это уровень 0%, а 20 мА – это уровень 100% (см. Рис. 1). Этот выходной сигнал 4–20 мА, несущий данные об уровне, может передаваться на большие расстояния к приборам управления процессом.

5. Преимущества ультразвукового уровнемера:Ультразвуковой датчик уровня не имеет движущихся частей и может измерять уровень без физического контакта с объектом. Эта типичная характеристика датчика полезна для измерения уровней в резервуарах с едкими, кипящими и опасными химическими веществами. Точность показаний остается неизменной даже после изменения химического состава или диэлектрической проницаемости материалов в технологических жидкостях.6. Ограничения ультразвукового уровнемера:Ультразвуковые датчики уровня являются лучшими приборами для измерения уровня, где полученное эхо ультразвука имеет приемлемое качество. Это не очень удобно, если глубина резервуара велика или эхо поглощается или рассеивается. Объект не должен быть звукопоглощающего типа. Он также не подходит для резервуаров с большим количеством дыма или высокой плотностью влаги.