Průmyslové uši: Jak ultrazvuk „slyší“ změny v úrovni kapaliny
May 12, 2025| Průmyslové uši: Jak ultrazvuk „slyší“ změny v úrovni kapaliny
Promluvme si o tom, jaké jsou ultrazvukové vlny. Frekvenční rozsah zvuků, které slyšíme, je přibližně mezi 20 hertz a 20, 000 Hertz. Frekvence ultrazvukových vln je však mnohem vyšší, obvykle se pohybuje od 20 kilohertz do 100 megahertz. Naše uši proto nemohou detekovat ultrazvukové vlny. Ve skutečnosti jsou ultrazvukové vlny typem mechanické vlny. Mohou se šířit v elastických médiích a díky své vysoké frekvenci a krátké vlnové délce mají během šíření silnou směr, významnou energii a silnou pronikavou sílu.
Vítejte v laboratoři měření a kontroly SoliDatu. Jsem váš nástroj a měření a ovládací manažer zařízení. Dnes si promluvme o aplikaci ultrazvukových vln v měření úrovně.
Pokud jde o historii ultrazvuku, lze ji vysledovat až do roku 1793. V té době italský vědec Spallanzani objevil experimenty, že netopýři používají ultrazvukové vlny k pocitu jejich okolí, čímž odhaluje tajemství ultrazvuku. Později, s vývojem technologie, byl ultrazvuk široce aplikován v polích, jako je detekce, měření a medicína. Při průmyslové výrobě je obzvláště důležité měření úrovně. Měření úrovně se týká měření výšky materiálů v nádobách nebo prostorech, jako jsou kapaliny a granulární pevné látky. Prostřednictvím měření úrovně můžeme vědět, kolik materiálu je v kontejneru, čímž se zajistí rovnováhu materiálu ve výrobním procesu. Pokud může být úroveň přesně ovládána, může také zajistit výstup a kvalitu produktů a zajistit bezpečnou výrobu. Jak se tedy ultrazvuk používá při měření úrovně?
Zjednodušeně řečeno, ultrazvukové vlny mají velmi malý útlum v kapalinách a pevných látkách a mají extrémně silnou pronikavou schopnost. Zejména v neprůhledných pevných látkách na světlo mohou proniknout do vzdálenosti několika desítek metrů. Ultrazvukové vlny mají navíc silnou směrovost a mohou být emitovány směrem. Během měření senzor emituje ultrazvukové vlny. Když se vlny setká s povrchem materiálu, budou se odrážet zpět. Poté, co senzor obdrží odraženou vlnu, může určit vzdálenost výpočtem časového rozdílu a tím získat výšku hladiny kapaliny. Celý proces měření nevyžaduje přímý kontakt s naměřeným médiem, takže je velmi vhodný pro korozivní a erozivní prostředí a je široce používán v průmyslových odvětvích, jako je chemické inženýrství, ropa, potraviny, lékárny a ochrana životního prostředí.
Dále se podívejme na pracovní princip ultrazvukové úrovně. Obecně lze říci, že ultrazvukový měřič úrovně se skládá z převodníku, jednotky pro zpracování signálu a modulu displeje nebo výstupu. Specifické kroky měření jsou následující:
1. ** Ultrazvuková emise **: Ultrazvukový měřič hladiny emituje ultrazvukové impulsy při pevné rychlosti směrem k povrchu cílového materiálu přes sondu, například pětkrát každé dvě sekundy.
2. ** Ultrazvukové šíření **: Ultrazvukové vlny se šíří určitou rychlostí ve vzduchu. Když se setkávají s povrchem materiálu, některé z nich se odrazí zpět a vytvoří ozvěnu. Intenzita a doba návratu ozvěny souvisí s charakteristikami cílového povrchu.
3. ** Reflexní vlna Recepce **: Sonda dostává signály ultrazvukových vln odrážených z povrchu materiálu a přeměňuje je na elektrické signály. Současně měří čas, který je potřeba, aby ultrazvukový puls cestoval.
4. ** Vypočítací úroveň **: měřením doby šíření ultrazvukového pulsu, vypočítejte časový rozdíl od emise k příjmu a poté pomocí vzorce vypočítá vzdálenost od senzoru k povrchu materiálu. Vzorec je: d=v × Δt ÷ 2, kde V je rychlost zvuku v médiu, Δt je časový rozdíl od emise ultrazvukové vlny k přijetí ozvěny a D je vzdálenost od senzoru k materiálovému povrchu. Navíc, protože jsou známy parametry geometrického tvaru a výšky kontejneru, výšku úrovně lze vypočítat pomocí vzorce L=E - D, kde L je měřená výška úrovně, E je vzdálenost od instalační základny senzoru do dna kontejneru do dna kontejneru do dna kontejneru k výšce prázdné nádrže nebo celkovou výšku nádrže) a D je vzdálenost od snímače materiálu.
V praktických aplikacích je však zaznamenáno některé body. Za prvé, rychlost zvuku je ovlivněna podmínkami středních a prostředí, jako je teplota, tlak, vlhkost atd. Například ve vzduchu, na každé zvýšení teploty o 1 stupeň se rychlost zvuku zvýší přibližně 0 6 metrů za sekundu. Proto jsou ve skutečných měřeních obvykle instalovány teplotní senzory pro kompenzaci teploty, aby se zajistila přesnost měření. Za druhé, ultrazvukové vlny nemusí být schopny propagovat ve vakuu nebo za podmínek extrémního tlaku, takže je třeba také pečlivě zvážit příslušné prostředí.
Kromě toho jsou také velmi důležitá poloha instalace a orientace ultrazvukového senzoru. Senzor by měl být zarovnán s povrchem měřeného materiálu a je třeba se zabránit překážkám, aby se zabránilo rušení ozvěny. Pokud uvnitř kontejneru je míchadlo nebo jiné struktury, mohou být generovány falešné ozvěny. V této době je třeba k identifikaci správných ozvěn použít technologii signálu. Kromě toho může prach, pára nebo pěna ve vzduchu také ovlivnit šíření a odraz ultrazvukových vln. V takových případech může být nutné přijmout jiná opatření k řešení rušení.
Nakonec je tu jeden drobné detaily, které vyžadují pozornost: měřič ultrazvukové úrovně má poblíž sondy určitou vzdálenost, kterou nelze měřit. Je to proto, že emitovaný ultrazvukový puls má určitou šířku času a senzor bude mít zbytkové vibrace po emise ultrazvukové vlny. Během tohoto období nelze detekovat odraženou ozvěnu. Tato vzdálenost se nazývá slepá zóna. Nejvyšší část měřeného materiálu by proto neměla obecně vstoupit do slepé zóny senzoru.