Uszy przemysłowe: jak ultradźwięki „słyszy” zmiany poziomu płynnego
May 12, 2025| Uszy przemysłowe: jak ultradźwięki „słyszy” zmiany poziomu płynnego
Porozmawiajmy o tym, czym są fale ultradźwiękowe. Zakres częstotliwości dźwięków, które usłyszymy, wynosi około 20 Hertz do 20, 000 Hertz. Jednak częstotliwość fal ultradźwiękowych jest znacznie wyższa, zwykle w zakresie od 20 kilohertz do 100 megaherc. Dlatego nasze uszy nie mogą wykrywać fal ultradźwiękowych. W rzeczywistości fale ultradźwiękowe są rodzajem fali mechanicznej. Mogą propagować się w elastycznych pożywkach, a ze względu na wysoką częstotliwość i krótką długość fali mają silną kierunkowość, znaczącą energię i silną moc penetrującą podczas propagacji.
Witamy w laboratorium pomiaru i kontroli Solidat. Jestem twoim menedżerem pomiaru instrumentów i sprzętu. Dzisiaj porozmawiajmy o stosowaniu fal ultradźwiękowych w pomiarze poziomu.
Jeśli chodzi o historię ultradźwięków, można go prześledzić do 1793 roku. W tym czasie włoski naukowiec, Spallanzani, odkrył poprzez eksperymenty, że nietoperze używają fal ultradźwiękowych, aby wyczuć swoje otoczenie, ujawniając tajemnicę ultrasonografii. Później, wraz z rozwojem technologii, ultradźwięki były szeroko stosowane w takich dziedzinach, jak wykrywanie, pomiar i medycyna. W produkcji przemysłowej pomiar poziomu jest szczególnie ważny. Pomiar poziomu odnosi się do pomiaru wysokości materiałów w pojemnikach lub przestrzeni, takich jak ciecze i ziarniste stałe. Poprzez pomiar poziomu możemy wiedzieć, ile materiału jest w pojemniku, zapewniając w ten sposób równowagę materiału w procesie produkcyjnym. Jeśli poziom może być precyzyjnie kontrolowany, może również zapewnić wydajność i jakość produktów, a także zapewnić bezpieczną produkcję. W jaki sposób ultradźwięki jest stosowane w pomiarze poziomu?
Mówiąc najprościej, fale ultradźwiękowe mają bardzo niewielkie tłumienie w cieczach i ciałach stałych i mają wyjątkowo silną zdolność penetracyjną. Zwłaszcza w nieprzezroczystej substancji stałych do światła mogą przenikać w odległości kilku dziesiątek metrów. Ponadto fale ultradźwiękowe mają silną kierunkowość i mogą być emitowane kierunkowo. Podczas pomiaru czujnik emituje fale ultradźwiękowe. Kiedy fale napotykają powierzchnię materiału, będą się zastanawiać. Po otrzymaniu czujnika odbijanej fali może określić odległość poprzez obliczenie różnicy czasu, a tym samym uzyskać wysokość poziomu cieczy. Cały proces pomiaru nie wymaga bezpośredniego kontaktu z mierzonym medium, więc jest bardzo odpowiedni dla środowisk żrących i erozyjnych i jest szeroko stosowany w branżach takich jak inżynieria chemiczna, ropa naftowa, żywność, farmaceutyka i ochrona środowiska.
Następnie spójrzmy na zasadę roboczą wskaźnika poziomu ultradźwiękowego. Ogólnie rzecz biorąc, miernik poziomu ultradźwiękowego składa się z przetwornika, jednostki przetwarzania sygnału oraz modułu wyświetlania lub wyjściowego. Konkretne etapy pomiaru są następujące:
1. ** Emisja ultradźwiękowa **: Miernik poziomu ultradźwiękowego emituje impulsy ultradźwiękowe ze stałą prędkością w kierunku powierzchni materiału docelowego przez sondę, na przykład pięć razy na dwie sekundy.
2. ** Propagacja ultradźwiękowa **: Fale ultradźwiękowe propagują się z pewną prędkością w powietrzu. Kiedy napotkają powierzchnię materiału, niektóre z nich zostaną odbite z powrotem, tworząc echo. Intensywność i czas powrotu echa są związane z charakterystyką powierzchni docelowej.
3. ** Odbiór fali odbicia **: Sonda odbiera ultradźwiękowe sygnały falowe odbijane z powierzchni materiału i przekształca je w sygnały elektryczne. Jednocześnie mierzy czas potrzebny na impuls ultradźwiękowy.
4. ** Obliczanie poziomu **: Mierzenie czasu propagacji impulsu ultradźwiękowego oblicz różnicę czasu z emisji do odbioru, a następnie użyj wzoru do obliczenia odległości od czujnika do powierzchni materiału. Formuła to: D=v × δT ÷ 2, gdzie V jest prędkością dźwięku w medium, δT jest różnicą czasową od emisji fali ultradźwiękowej do odbioru echa, a D jest odległością od czujnika do powierzchni materiału. Ponadto, ponieważ znane są geometryczne parametry kształtu i wysokości pojemnika, wysokość poziomu można obliczyć za pomocą wzoru L=e - d, gdzie l jest zmierzoną wysokością poziomu, e jest odległością od podstawy instalacji czujnika do dolnej części pojemnika (który jest pustym zbiornikiem lub wysokością zbiornika), a D jest odległością od czujnika do powierzchni materialnej.
Istnieją jednak pewne punkty, które należy odnotować w praktycznych zastosowaniach. Po pierwsze, na prędkość dźwięku wpływają warunki średnie i środowiskowe, takie jak temperatura, ciśnienie, wilgotność itp. Na przykład w powietrzu, na każdy wzrost temperatury o 1 stopień, prędkość dźwięku wzrośnie o około 0. 6 metrów na sekundę. Dlatego w rzeczywistych pomiarach czujniki temperatury są zwykle instalowane w celu uzyskania kompensacji temperatury, aby zapewnić dokładność pomiaru. Po drugie, fale ultradźwiękowe mogą nie być w stanie rozmnażać się w próżni lub w ekstremalnych warunkach ciśnienia, więc należy dokładnie rozważyć odpowiednie środowisko.
Ponadto bardzo ważna jest również pozycja instalacji i orientacja czujnika ultradźwiękowego. Czujnik należy wyrównać z powierzchnią zmierzonego materiału i należy unikać przeszkód w jak największym stopniu, aby zapobiec zakłóceniu echa. Jeśli w pojemniku znajduje się mieszadło lub inne struktury, można wygenerować fałszywe echa. W tej chwili należy zastosować technologię przetwarzania sygnałów do zidentyfikowania prawidłowych echa. Ponadto kurz, para lub piana w powietrzu mogą również wpływać na propagację i odbicie fal ultradźwiękowych. W takich przypadkach mogą wymagać podjęcia innych środków, aby poradzić sobie z zakłóceniami.
Wreszcie istnieje jeden drobny szczegół, który wymaga uwagi: miernik poziomu ultradźwiękowego ma pewną odległość w pobliżu sondy, której nie można zmierzyć. Wynika to z faktu, że emitowany impuls ultradźwiękowy ma określoną szerokość czasu, a czujnik nadal będzie miał wibracje resztkowe po emisji fali ultradźwiękowej. W tym okresie nie można wykryć odbitego echa. Odległość ta nazywana jest strefą niewidoma. Dlatego najwyższa część zmierzonego materiału nie powinna zasadniczo wchodzić do strefy ślepej czujnika.