Ультразвуковой датчик – устройство для измерений и обнаружения различных предметов. Сигнализаторы на основе УЗ широко применяются в сфере промышленности, с их помощью можно находить различные объекты в пространстве, подсчитывать их количество и определять их положение в пространстве. Датчики на базе ультразвука дешевле других бесконтактных приборов обнаружения, их доступность вкупе с простотой в применении и высокой точности измерений обеспечили данному прибору большую популярность в самых разных сферах деятельности. В данной статье мы рассмотрим, что из себя представляют эти устройства, как они работают и применяются на практике.
Общая информация об ультразвуковых датчиках
Ультразвуковые уровнемеры обеспечивают беспрерывное измерение уровня различных веществ, при этом не требуя физического контакта с ними. УЗ-датчики разделяются, как и все остальные виды датчиков, на уровнемеры и сигнализаторы. Первые отличаются тем, что в результате проведения измерений выдают аналоговый сигнал, то есть, непрерывный поток с изменяющимися частотой и амплитудой. Графически результаты таких замеров выглядят как синусоида. Сигнализаторы же выдают дискретный сигнал, то есть, прерывистый и имеющий конечное число значений. Они используются для контроля уровня вещества в нескольких конкретно обозначенных точках.
Принцип работы ультразвуковых датчиков уровня
Данный инструмент работает на основе ультразвука – особой разновидности звуковых волн частотой выше 20000 Гц, не воспринимающихся человеческим слухом. Ультразвуковые датчики способны обнаруживать объекты на расстоянии от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров, в зависимости от предназначения прибора и его конструкции.
Устройство уровнемера на основе УЗ состоит из трёх элементов: преобразователя ультразвука, или же датчика; схемы привода, или же модуля; и модуля дисплея с выводимым результатом. Ультразвуковые сигнализаторы просты в сборке и использовании, не имеют подвижных деталей.
Принцип применения на практике довольно несложен: звуковая волна направляется к определённому объекту, отражается от него и попадает обратно в приёмник. Расстояние до объекта определяется по времени, которое затратила ультразвуковая волна на преодоление пути. При температуре 18-20 градусов Цельсия звук распространяется в воздушном пространстве со скоростью 344 м/с. Цепь создания магнитного потока принимает отражённый сигнал от датчика, пьезоэлектрический преобразователь превращает данный сигнал в электрический. Прибор компенсирует неблагоприятные условия, такие как температура и давление, и трансформирует сигнал в тип 4–20 мА или 0–5/10 В постоянного тока. Такой вид сигнала может быть принят и считан логическим контроллером, распределённой системой управления (РСУ) и, наконец, дисплеем. Далее дисплей преобразует принятый сигнал в данные в тех единицах измерения, что были изначально заданы в настройках.
Диапазон измерения
Диапазон измерения – важнейший фактор, определяющий то, насколько точны будут проведённые устройством замеры. В среднем диапазоне полученные данные отличаются высокой точностью, но они менее точны при приближении к предельным значениям, то есть, если объект находится условно «далеко» или «близко» относительно детектора. Современные сигнализаторы, как правило, оснащены датчиками для нескольких диапазонов. Также всегда можно подобрать подходящую под ваши нужды модель прибора. Диапазон прямо пропорционален периодичности измерений: чем выше второй параметр, тем выше будет и первый.
Факторы, влияющие на диапазон измерения
Ультразвуковые датчики не являются совершенными приборами, точность и диапазон их измерения зависят как от состояния окружающей среды, так и от внутреннего устройства. Разберём основные факторы, влияющие на дальность обнаружения у данных приборов:
- Частота излучения ультразвуковой волны – высокочастотные волны быстро затухают в воздухе, их использование на больших расстояниях не представляется возможным. На частоту влияет чувствительного элемента в приборе: чем он меньше, тем более частотным будет излучение. Этим объясняется тот факт, что небольшие датчики имеют ограниченное применение на ближних дистанциях;
- Температура воздуха – в тёплом воздухе ультразвуковое излучение затухает. Это несовершенство вынуждает производителей датчиков оснащать их компенсаторными программами: то есть, устройство считывает температуру окружающие среды и в зависимости от погрешностей в оптимальном значении корректирует результаты с помощью специального микропроцессора. Тем не менее, особенности конструкции ограничивают допустимую для работы температуру до 70 градусов по Цельсию;
- Давление – чем оно сильнее, тем сложнее звуковой волне преодолевать пространство. Поэтому, например, затруднительно использование УЗ-датчика для измерения уровня воды, находящейся под высоким давлением в резервуаре. В вакууме и отрицательном давлении прибор применяться не может;
- Влажность воздуха – чем больше конденсата в воздушном пространстве, тем хуже распространяется акустическая волна. Поэтому измерение для жидкостей с высоким уровнем испарения может оказаться невозможным;
- Количество пыли в воздухе – при сильной запыленности звуковая волна может вовсе не достигать искомого объекта, на пути сталкиваясь с облаком сыпучих веществ и отражаясь в итоге от него. Для измерения уровня сыпучих элементов существуют специальные приборы.
Дополнительно стоит рассмотреть такой фактор, как свойства поверхности измеряемого объекта и угол попадания волны на неё. Так, плоские поверхности, расположенные перпендикулярно направлению акустического потока, дают более чёткое отражение, и диапазон для их измерения расширяется. Имеет значение и размер объекта – чем он меньше, тем меньше и дальность обнаружения его УЗ-датчиком.
Материалы, которые может обнаружить ультразвуковой датчик
УЗ-уровнемеры способны обнаружить практически любой материал. Они «находят» объекты из пластика, металла, дерева, причём приборы справляются с обнаружением как твёрдых, так и жидких и сыпучих веществ, различных паст и шламов. В целом, для успеха в обнаружении достаточно лишь беспрепятственного отражения акустической волны от искомого предмета в приёмник. Рабочий диапазон устройства, впрочем, сокращается, когда волна отражается от наклонной гладкой поверхности или встречается с пористой текстурой – например, шерстью или необработанной древесиной.
Для измерения твёрдых глыбистых частиц, таких как уголь или руда, диапазон УЗ-датчика уровня должен в три раза превышать фактический диапазон. Это же требование сохраняется при измерении гранулированных частиц с диаметром более 3 мм и плотностью более 1000 кг/м3 – например, для пшеницы. Рассыпчатые субстанции, такие как мука и порошки из различных веществ, тяжело поддаются измерениям с помощью ультразвука. Например, датчик с диапазоном 10 м сможет провести замеры лишь с расстояния 2 м.
Преимущества ультразвуковых уровнемеров
УЗ-приборы для измерений отлично зарекомендовали себя в самых разных сферах науки и производства. Эти устройства весьма просты в эксплуатации, не требуют специальных навыков для установки и использования. Ряд преимуществ также выделяет ультразвуковые сигнализаторы среди других видов измерительных приборов:
- Простая установка на поверхности или в резервуары для измерения уровня жидкости;
- Отсутствие контакта с исследуемой средой вкупе с непрерывностью изменений, что обеспечивает безопасность в использовании, а также избавляет от необходимости проводить техническое обслуживание в процессе;
- Встроенный датчик, корректирующий результаты даже в неблагоприятной среде;
- Преобразователи уровня на основе УЗ не зависят от диэлектрической проницаемости и уровня плотности жидкости.
В настоящее время можно найти детекторы, работа которых вовсе не зависит от наличия в воздухе пара и каких-либо загрязнений. При отправлении звуковой волны такие инновационные приборы самостоятельно настраиваются на необходимую вибрацию – эта способность называется самоочищением. Подробнее о вибрационных сигнализаторах уровня мы рассказываем в нашей статье.
Область применения ультразвуковых датчиков
Бесконтактный метод измерения позволяет УЗ-приборам безопасно работать с агрессивными средами и измерять уровень даже сильно загрязнённых жидкостей. Благодаря этой характеристике, УЗ-уровнемеры широко используются в самых разных областях промышленности, особенно в сфере добычи и переработки нефти. Также применение им находится в сфере создания химических реагентов, на красильных заводах и других предприятиях с опасным производством. В силу своей универсальности сигнализаторы на основе ультразвука могут применяться в любых научных и производственных мероприятиях.
Особенно широкое применение данный вид детектора нашел в водохранилищах. С их помощью измеряется уровень воды, что необходимо для определения количества водного ресурса. Этот параметр важен для ирригации, процесса выработки электроэнергиях на гидроэлектростанциях, для оптимизации производства и множества других процессов.
Ультразвуковые детекторы применяются в области пищевой промышленности – с их помощью можно следить за количеством товара на конвейерной ленте, а также проводить оценку его гигиенического состояния. С помощью УЗ-приборов осуществляется мониторинг качества производства и условий хранения различных продуктов питания. Ультразвуковое измерение применяют для определения того, насколько заполнена упаковка с товаром.
Ультразвуковые сигнализаторы широко используются на очистных сооружениях и на водопроводных станциях. Они позволяют определить уровень загрязнённости воды и благодаря своей чувствительности измеряют уровень сточных вод. УЗ-датчики также используют в создании многих сложных устройств, например, печатных плат для различного рода техники.
Заключение
Уровнемеры на основе ультразвука – простые, но в то же время крайне полезные, универсальные устройства, широко применяющиеся для измерительных мероприятий в самых разных сферах деятельности. Эти неприхотливые приборы позволяют измерять уровни самых разных веществ, не входя с ними в контакт, и при этом не требуют техобслуживания, что делает их незаменимыми в опасном производстве. Производители на современном рынке измерительных приборов находят новые способы компенсировать недостатки устройств и повысить точность измерений. Можно предположить, что по мере развития технологий датчики на основе ультразвука будут становиться всё более востребованными.
