Princípio de funcionamento do medidor de nível ultrasônico

Nivelímetro de ultra-som, a tecnologia inicial é profissional na produção de fabricantes de níveis de ultra-som, e o nível de ultra-somOfertas JGrande quantidade! Este instrumento contém vários estudosZ LeiTecnologia, com uma nova tecnologia de processamento de sinal, com segurança, limpeza, alta precisão, longa vida útil, estabilidade e confiabilidade, fácil instalação e manutenção, leitura simples e outras características, amplamente utilizado em petróleo, química, tratamento de água, hidráulica, aço, mina de carvão, eletricidade e processamento de alimentos e outras indústrias. Este instrumento pode ser conectado a vários sistemas DCS por 4 a 20mA ou RS485 (protocolo Modbus) para fornecer dados de nível de líquido em tempo real para operações de automação industrial.

Princípio de funcionamento do nivelímetro ultrasônico: análise completa das características das ondas sonoras ao cálculo do nível do líquido

Características básicas do ultra-som: por que escolher o ultra-som?

• Forte orientaçãoO comprimento de onda curto de ultra-som de alta frequência (por exemplo, comprimento de onda sonora de 20kHz de cerca de 1,7 cm, comprimento de onda de 200kHz de cerca de 1,7 mm), o ângulo de dispersão é pequeno durante a propagação, pode focar direcionalmente na superfície do líquido, reduzindo a interferência de reflexão disperso.

• Dependência da mídia de comunicaçãoO ultra-som precisa se espalhar através de meios elásticos (como ar, líquidos, sólidos) e não pode se espalhar no vácuo, o que é a razão pela qual sua medição depende do ar.

• Características de reflexãoQuando o ultra-som de um meio entra em outro (por exemplo, ar → líquido), devido à grande diferença de impedância acústica de dois meios (densidade do meio × velocidade acústica), ocorre um reflexo evidente (até mais de 90%) que é a fonte do sinal de eco da superfície do líquido.

• Velocidade de propagação estávelSob pressão atmosférica padrão, a velocidade de propagação do ultra-som no ar é de cerca de 340 m/s, e a velocidade é linear com a temperatura (a velocidade do som aumenta cerca de 0,6 m/s por cada aumento de temperatura de 1 ° C), o desvio pode ser corrigido por compensação de temperatura.

Princípios de medição básicos: o processo completo da metrologia ecológica

Emissão ultrasônica: do sinal elétrico às ondas mecânicas

• Medidor de nívelCircuito principal(geralmente para microprocessador) gerar um sinal de pulso elétrico de alta frequência (frequência 20kHz ~ 200kHz, de acordo com a seleção do alcance: pequeno alcance com alta frequência, reduzir a difusão; grande alcance com baixa frequência, redução da decadência), transmissão paraTransformador de energia (sonda)- É.

• O transductor é um componente central que funciona com base no "efeito piezoelétrico": os seus cristais piezoelétricos internos (como a cerâmica piezoelétrica) vibram mecânicamente sob impulso elétrico, convertendo a energia elétrica em energia mecânica ultrasônica e emitindo direcionalmente para a superfície do líquido a ser medido.

Difusão de ondas sonoras: caminho e decadência no ar

• O ultra-som sai da sonda e se propaga ao longo da linha reta no ar, a velocidade de propagação é afetada por fatores ambientais:

• temperaturaO fator de influência principal, como mencionado anteriormente, é que a velocidade do som varia significativamente com a temperatura (fórmula: v = 331,4 + 0,607 × T, onde T é a temperatura ambiente ℃).

• Pressão do arO impacto é menor e pode ser negligenciado sob pressão atmosférica padrão, apenas em ambientes de baixa pressão, como planícies.

• UmidadeO aumento da umidade provoca ligeiras mudanças na densidade do ar, resultando em desvios de velocidade sonora de cerca de 0,1%, geralmente negligenciados.

• Durante a propagação, o ultra-som diminui devido à absorção e dispersão do ar (por exemplo, poeira, vapor d'água), e quanto maior a escala e maior a frequência, mais a diminuição é óbvia (portanto, o nível de líquido de grande escala usa ondas sonoras de baixa frequência).

Reflexão de superfície líquida: geração de sinais de eco

• Quando o ultra-som chega à superfície do líquido, as ondas sonoras ocorrem devido à grande diferença de impedância sonora entre o ar (impedância sonora de cerca de 415 Rayl) e o líquido (impedância sonora de cerca de 1,48 x 106 Rayl, por exemplo, água).Reflexão Espelhoformação de repercussões.

• A presença de espumas, ondas ou suspensões na superfície do líquido pode resultar em uma redução da refletidão (a refletidão da espuma pode ser inferior a 30%) e um sinal de eco enfraquecido que precisa ser otimizado por meio de ajustes de ganho da sonda ou algoritmos de filtragem.

Recepção de eco: das ondas mecânicas ao sinal elétrico

• O eco após a reflexão é capturado pelo mesmo transductor (ou transductor de recepção independente), o picocristal transforma a vibração mecânica em um sinal elétrico fraco, amplificado pelo pré-amplificador, filtrado (eliminando o ruído ambiental) e transmitido para o circuito principal.

• O circuito principal deve distinguir entre "eco eficaz" e "eco de interferência" (por exemplo, reflexão da parede do recipiente, reflexão de bolhas), geralmente da seguinte forma:

• ConfiguraçõesZona cegaO eco dentro de uma certa distância abaixo da sonda (por exemplo, 0,3 ~ 1 m) não é reconhecido para evitar interferências de forte reflexo de perto.

• Análise das características do eco: a amplitude e a frequência do eco eficaz são consistentes com a onda de emissão, enquanto o eco de interferência é geralmente de baixa amplitude e distúrbios de frequência.

Cálculo do nível de líquido: conversão da diferença de tempo à altura

• O circuito principal registra a diferença de tempo entre o "momento de lançamento" e o "momento de recepção do eco" de ultra-som (ou seja,Tempo de transmissão de ida e volta t).

• Calcular a distância vertical da sonda à superfície do líquido (d): devido à propagação das ondas sonoras de ida e volta, a distância real unidirecional é metade do produto da velocidade sonora (v) e do tempo (t), ou seja:

• Calcular a altura do nível real (h): se a altura da instalação da sonda for conhecida (H, ou seja, a distância vertical da sonda ao fundo do recipiente), a altura do nível é:

• Finalmente, o medidor de nível emite os resultados através de sinais de corrente de 4 a 20 mA, comunicação RS485 ou exibição digital.

Componentes-chave: hardware básico que garante que o princípio caia

1. Transformador de energia (sonda)

• Tetrafluoroetileno: resistente a ácidos e álcalis, adequado para cenários químicos;

• Aço inoxidável: resistente ao desgaste, adequado para o ambiente de poeira e partículas;

• Polipropileno: leve, de baixo custo, adequado para a água limpa, esgoto cenário.

• Funcionalidade: Permite a conversão bidirecional de sinais elétricos e ultra-sons, dividido em "transmissão / recepção em um" (baixo custo, adequado para a maioria dos cenários) e "tipo separado" (resistente à interferência, adequado para condições de trabalho complexas).

• Material: a superfície da sonda é resistente à corrosão ambiental, materiais comuns incluem:

2. Circuito principal

• O núcleo é o microprocessador (por exemplo, MCU, DSP) responsável pela geração de sinais de emissão, captura de tempo de eco, execução de algoritmos de compensação de temperatura, cálculo de níveis e saída de dados.

• Características críticas: precisão de medição do tempo (até nanossegundos, por exemplo, a precisão de 1ns corresponde a um erro de distância de aproximadamente 0,17 mm), resistência à interferência (através de blindagem eletromagnética, circuito de filtro).

3. Sensor de temperatura

• O termoresistor NTC integrado ou o sensor PT1000, que monitoriza a temperatura ambiente em tempo real para corrigir a velocidade sonora (v), é o principal meio de compensação para garantir a precisão da medição (uma mudança de temperatura de 10 ° C pode resultar em um erro de ± 3% sem compensação de temperatura).

4. Módulos de alimentação e saída

• Fonte de alimentação: geralmente suporta 24V DC fonte de alimentação industrial, alguns modelos são compatíveis com 110 ~ 220V AC.

• Saída: volume analógico (4 ~ 20mA), volume digital (RS485 / MODBUS), volume de interruptor de relé (para alarmes de alto e baixo nível de líquido), para atender às diferentes necessidades do sistema de controle.

Fontes de erros e compensação: Tecnologias-chave para melhorar a precisão

1. Erro de temperatura

• Quando não compensado, o desvio de temperatura de 10 ° C, desvio de velocidade sonora de cerca de 6 m / s, o erro de nível de líquido correspondente ao intervalo de 10 m pode chegar a ± 8,8 cm.

• Método de compensação: captura de temperatura em tempo real através de um sensor de temperatura incorporado, substituído pela correção da fórmula de velocidade sonora (v = 331,4 + 0,607 × T), para controlar o erro dentro de ± 0,1%.

2. Erro de flutuação do líquido

• A forte oscilação da superfície do líquido pode levar à instabilidade do sinal de eco e à variação da diferença de tempo (t).

• Método de compensação: Medidas de múltiplas medições (por exemplo, média de 10 medições), coeficiente de amortiguação (velocidade de mudança de saída retardada) ou condutor de onda (limite a variação da superfície do líquido).

3. Erro de interferência ambiental

• Escolha a "sonda de alta temperatura" (resistência acima de 150 ° C) para lidar com o ambiente de vapor;

• Aumento da potência da sonda (aumento da amplitude sonora de emissão) contra a atenuação;

• A instalação de uma tampa à prova de poeira e de salpicaduras reduz a interferência física.

• Vapor, poeira e fluxos de ar fortes podem causar a dispersão ou decadência das ondas sonoras, enfraquecendo ou até perdendo o sinal de eco.

• Modalidade de otimização:

4. Erro de instalação

• A instalação inclinada da sonda resulta em desvios na distância de medição (d) como "inclinada" em vez de vertical.

• Evitação: durante a instalação, certifique-se de que a sonda é vertical à superfície do líquido (ângulo de inclinação ≤ 3 °) e longe da parede do recipiente (distância ≥ 1/6 do diâmetro do recipiente), reduzindo a interferência do reflexo da parede.

Limitações do princípio: limites dos cenários aplicáveis

• Não pode ser usado em ambiente de vácuo ou gás inerteO ultra-som requer a propagação do meio aéreo, sem sinal no ambiente de vácuo.

• Não adequado para meios de alta viscosidade ou fáceis de cristalizarSe a superfície do líquido é coberta por uma camada grossa de cristal, o eco reflexo será absorvido, resultando em falhas de medição (é necessário um dispositivo de limpeza).

• Limitação de alcanceA decadência ultrasônica no ar é mais rápida, o alcance máximo do modelo convencional é de cerca de 50 m (sonda de baixa frequência), muito além desta faixa, o nível do radar é necessário.

• Precisão inferior ao medidor de contatoA precisão do medidor de nível de ultra-som convencional de classe industrial é de ± 0,5% ~ ± 1% FS, inferior ao medidor de nível de entrada (± 0,1% FS), não é adequada para cenários de medição de alta precisão.

Resumo