Ультразвуковий датчик рівня, також відомий як ультразвукові вимірювачі рівня рідини, є без{0}}контактним рівнемірним інструментом. Вони відрізняються високою точністю, простотою установки та мінімальним обслуговуванням. Зазвичай використовуються для вимірювання рівнів рідини в різних ємностях, а також рівнів води в каналах, басейнах, водосховищах, річках, озерах і морях, вони також можуть вимірювати рівні розділу та різниці рівнів. Вони особливо підходять для стічних вод і корозійних середовищ. При використанні в поєднанні з резервуарами та водосливами для формування витратомірів відкритого каналу вони також можуть вимірювати швидкість потоку. Тому вони все ширше використовуються в багатьох галузях промисловості та галузях, таких як металургія, нафтохімія, очищення води та водозбереження.
Принцип вимірювання ультразвукового датчика рівня
Ультразвуковий рівнемір, встановлений у верхній частині ємності, під керуванням електронного блоку випромінює пучок ультразвукових імпульсів у бік вимірюваного об’єкта. Звукові хвилі відбиваються поверхнею об'єкта, а частина відбитої луни приймається зондом і перетворюється в електричний сигнал. Час від випромінювання ультразвукової хвилі до її прийому пропорційний відстані між зондом і об'єктом вимірювання. Електронний блок визначає цей час і обчислює виміряну відстань на основі відомої швидкості звуку. Відстань від зонда до дна резервуара мінус відстань від зонда до рівня рідини дорівнює фактичному рівню рідини або висоті рівня. Це використовується для перетворення висоти рівня рідини в сигнал струму 4~20 мА або сигнал напруги 1~5 В для виведення. Крім того, його можна передати в центр управління через RS485, HART або GPRS. Оскільки температура має значний вплив на швидкість звуку, прилад повинен вимірювати температуру навколишнього середовища, щоб скорегувати швидкість звуку.
Переваги та недоліки ультразвукових рівнемірів
У порівнянні з іншими типами рівнемірів ультразвукові датчики рівня мають наступні переваги:
(1) Без{1}}безконтактне вимірювання: ультразвуковий перетворювач встановлено над поверхнею рідини та не контактує з вимірюваним середовищем. Це дозволяє зручно вимірювати корозійні, в’язкі або токсичні рідини, уникаючи корозії або забруднення вимірюваною рідиною та усуваючи вимоги до обслуговування.
(2) Гарна універсальність: Рівнемір може вимірювати рівень рідини у відкритих каналах, а також у великих резервуарах для зберігання.
Легкий монтаж і демонтаж.
(3) Сильна адаптивність: він має широкий спектр застосувань і на нього не впливають щільність, діелектрична проникність або провідність середовища. Він добре адаптується до фізико-хімічних властивостей вимірюваної рідини. (4) Підходить для вимірювання рівня токсичних, корозійних і високо-в’язких рідин, долаючи недоліки інших вимірювальних приладів у таких жорстких умовах вимірювання.
(5) Майже відсутність рухомих механічних частин, відсутність зносу, тривалий термін служби та мала вага. П'єзоелектричний елемент всередині перетворювача вібрує на акустичних частотах з малою амплітудою, має тривалий термін служби та хорошу стабільність.
Недоліки в основному включають: коли вимірювана рідина є леткою, нерівномірна щільність повітря над поверхнею рідини може призвести до більших похибок вимірювання; коли поверхня вимірюваної рідини має великі хвилястість, це може легко спричинити хаотичні відбиття звукової хвилі, що призведе до помилок. Крім того, ультразвукові рівнеміри мають неминучі сліпі зони під час вимірювання рівня рідини, що ускладнює вимірювання-на коротких відстанях.
Різниця між інтегрованим і роздільним{0}}ультразвуковими вимірювачами рівня
Інтегровані ультразвукові вимірювачі рівня об’єднують ультразвуковий зонд, блок обробки сигналів, дисплей тощо в одному пристрої. Усі вимірювальні та контрольні функції виконуються в одному корпусі.
Легке встановлення: завдяки компактній конструкції лише один пристрій потрібно закріпити під час встановлення, усуваючи складну проводку та процедури встановлення. Повна функціональність: підходить для важких промислових середовищ із класом захисту до IP66/IP67. Доступно кілька моделей, наприклад стійкі до корозії-і вибухозахищені-типи.
Спрощене калібрування: інтегрована конструкція спрощує та спрощує процес калібрування, зазвичай вимагаючи калібрування всієї системи, а не кількох окремих компонентів.
Вбудовані ультразвукові вимірювачі рівня зазвичай використовуються в резервуарах для зберігання, промисловій обробці стічних вод, ємностях для хімічних реакцій і мілководних басейнах.
Ультразвукові вимірювачі рівня-роздільного типу. Ультразвукові вимірювачі рівня-роздільного типу складаються з окремого зонда та блоку обробки сигналів. Зонд встановлюється в точці вимірювання, а блок обробки сигналу може бути встановлений в диспетчерській або в іншому зручному місці подалі від точки вимірювання. Вони з’єднані кабелем.
Сильна здатність проти-перешкод: якщо зонд і блок обробки сигналу розділені, блок обробки сигналу можна тримати подалі від зон із високою температурою, високим тиском або сильними електромагнітними перешкодами, тим самим підвищуючи точність і надійність вимірювань.
Простота експлуатації: блок обробки сигналів зазвичай має більший екран дисплея та більше операційних інтерфейсів, що полегшує налаштування та моніторинг операторами.
Висока адаптивність: роздільна конструкція дозволяє адаптуватися до жорстких умов вимірювання, таких як висока-температура, агресивні гази або рідини. Зонд може бути виготовлений зі спеціальних матеріалів, щоб витримувати ці умови.
Ультразвукові рівнеміри-роздільного типу придатні для вимірювання рівня у великих резервуарах для зберігання, складних процесах, а також для високих{1}}температур або сильно корозійних середовищ. Вони особливо підходять для застосувань, що потребують дистанційного керування або захисту від зовнішнього впливу.
Основні технічні характеристики ультразвукових рівнемірів
1. Діапазон вимірювання та мертва зона
Діапазон вимірювання і мертва зона є двома важливими показниками ультразвукових рівнемірів.
Діапазон вимірювання являє собою максимальний діапазон, який може вимірювати рівень, що відображає чутливість датчика. Іншими словами, чим більше діапазон вимірювання, тим вище чутливість. Більшість виробників вказують діапазон вимірювання для гладкої поверхні рідини, але під час фактичного вимірювання коливання рівня рідини, плаваючі предмети на поверхні та наявність пилу чи пари в вимірюваному твердому матеріалі можуть призвести до того, що діапазон вимірювання буде меншим за номінальне значення.
Мертва зона, також відома як сліпа зона, — це відстань, яку ультразвуковий рівнемір не може виміряти через повторні поштовхи ультразвукового датчика. Наприклад, мертва зона 30 см означає, що коли відстань між поверхнею рідини та зондом менше 30 см, вимірювання буде неможливим. Тому для продуктів з однаковим діапазоном вимірювання менша мертва зона вказує на кращу конструкцію перетворювача; це також полегшує встановлення для вимірювань у закритих резервуарах або з короткими діапазонами вимірювань.
2. Температура і точність
Температурний діапазон зазвичай вказується як -20~60 градусів. Оскільки більшість вимірювачів рівня, які використовують РК-дисплеї, мають діапазон робочих температур, обмежений певною межею для РК-екрану; перевищення цього діапазону призведе до несправностей. Якщо ігнорувати обмеження РК-дисплея, діапазон робочих температур, як правило, становить від -40 до 80 градусів. За нормальних умов робоча температура ультразвукових перетворювачів рідко перевищує 150 градусів: перевищення 150 градусів може легко пошкодити п’єзоелектричну кераміку всередині, тому 150 градусів можна вважати абсолютною руйнівною температурою. Крім того, деякі матеріали, які використовуються у процесі виробництва ультразвукових перетворювачів, не можуть працювати протягом тривалого часу при температурах вище 100 градусів; отже, максимальна межа температури для більшості перетворювачів становить 100 градусів.
Навіщо розглядати точність і температуру разом? Оскільки в повітрі похибка вимірювання температури в 1 градус впливає на швидкість звуку на 0,6 м/с. При 20 градусах і 1 атмосфері швидкість звуку становить приблизно 340 м/с. Таким чином, вплив на похибку вимірювання розраховується як 0,17%; якщо похибка вимірювання температури перевищує 3 градуси, похибка вимірювання рівня перевищить номінальний діапазон 0,5% для більшості виробників. Насправді точність 0,5% призначена для нормальних умов температури та тиску. При вищих або нижчих температурах точність вимірювання може перевищувати 0,5%. Помилки вимірювань також збільшуються в середовищах із градієнтами температури або швидкими змінами температури. Крім того, найбільший вплив на точність вимірювань має склад газу. Наприклад, у присутності летких рідин випаровування рідини змінює склад повітря, що, у свою чергу, змінює швидкість звуку газу, що зрештою спричиняє помилки вимірювання.
3. Тиск
За умов негативного тиску ультразвукове вимірювання зазвичай не рекомендується, оскільки поширення ультразвуку відбувається через газ. Негативний тиск означає, що повітря всередині розріджене. Поширення ультразвуку в розрідженому повітрі викликає дві проблеми: по-перше, змінюється швидкість звуку, що спричиняє помилки вимірювання; по-друге, ослаблення звукової хвилі збільшується в розрідженому повітрі, що призводить до зменшення діапазону вимірювання або навіть до повної перешкоди вимірюванню.
4. Корозійність
Корозійність рівнемірів перш за все перевіряє матеріал зонда. У слабокислих або лужних середовищах достатньо звичайних пластикових оболонок. Оболонки з політетрафторетилену (PTFE) можуть витримувати більшість сильних кислот і лугів. Варто зазначити, що якщо речовина, яка вимірюється, є сильно корозійною та летючою, найкраще нанести клей на друковану плату при використанні вбудованого рівня. Це тому, що більшість водонепроникних корпусів не є газонепроникними; коли газ потрапляє в обладнання, він роз'їдає друковану плату.
