أجهزة إرسال بمستوى الموجات فوق الصوتية لظروف العمليات الديناميكية والمضغوطة ودرجة الحرارة العالية

تُستخدم أجهزة إرسال مستويات بالموجات فوق الصوتية لحساب مستوى السوائل أو المواد الصلبة الكتلية، وذلك عبر إرسال نبضات صوتية نحو سطح المادة وقياس زمن عودة الموجة المنعكسة. وتتيح هذه التقنية إجراء قياسات مستمرة دون تلامس، لكن أدائها الفعلي لا يعتمد فقط على جهاز التحويل نفسه، بل يتأثر أيضًا بالعوامل التالية: درجة الحرارة، وتركيب الغاز، ووجود بخار، وظاهرة التكثيف، وعدم انتظام سطح المادة، إضافةً إلى هندسة التثبيت.

بالنسبة للعمليات ذات درجة الحرارة العالية أو الضغط أو التغير السريع ، يتطلب قياس مستوى الموجات فوق الصوتية دراسة متأنية لمواد المحول ، وتصنيف درجة حرارة العملية ، وضغط المعالجة المسموح به ، وتعويض درجة الحرارة ، ومعالجة الصدى ، ووضع المستشعر. METRAVON يمكن تكوين حلول قياس مستوى الموجات فوق الصوتية مع مخرجات صناعية مثل 4-20mA و RS485 Modbus RTU للاندماج مع PLC S ، RTUs ، DCS ،SCADA وأنظمة المراقبة عن بُعد.

1.كيف يؤثر ارتفاع درجة الحرارة على قياس مستوى باستخدام الموجات فوق الصوتية؟

يتغير سرعة الصوت في الهواء تبعًا لدرجة الحرارة؛ فعندما تكون درجة الحرارة قريبة من 0°م، تبلغ سرعة الصوت نحو 331 م/ث، وتزداد بنحو 0.6 م/ث لكل زيادة في درجة الحرارة بمقدار 1°م. وإذا استخدم جهاز فوق صوتي سرعة صوت ثابتة في حساب المسافة، فإن التغيرات الكبيرة في درجة الحرارة ستؤدي مباشرةً إلى حدوث خطأ في قياس المستوى.

لذلك، تعتمد أجهزة قياس مستوى بالموجات فوق الصوتية الصناعية عادةً على استشعار درجة الحرارة والتعويض التلقائي. ويُستخدم درجة الحرارة المقاسة بالقرب من المحول في تصحيح حساب سرعة الصوت. وتُصمم المستشعرات الصناعية القياسية عادةً للعمل في نطاقات معتدلة من درجات حرارة العمليات، في حين تتيح المحولات المخصصة للدرجات الحرارة المرتفعة توسيع نطاق التشغيل من خلال استخدام مواد مناسبة، ومكونات إلكترونية منفصلة، وتصميمات توفر عزلًا حراريًا.

يمكن لبعض أجهزة استشعار الموجات فوق الصوتية الصناعية العمل عند درجات حرارة تتجاوز 100°م، لكن الحد الأقصى لدرجة الحرارة يعتمد بشكل كبير على نوع النموذج المستخدم. ولذلك، يجب التحقق من تصنيف درجة الحرارة المرتفعة من ورقة بيانات المنتج المحددة، وليس اعتباره خاصية عامة لتقنية الموجات فوق الصوتية.

: 2. لماذا تُستخدم محولات طاقة وأجهزة إلكترونية منفصلة في التطبيقات التي تتطلب درجات حرارة مرتفعة؟

في خزانات السوائل الساخنة، أو المخازن، أو أوعية العمليات، قد يتطلب الأمر تركيب محول الموجات فوق الصوتية بالقرب من موقع العملية، في حين يجب إبقاء الإلكترونيات الخاصة بعرض البيانات، والاتصال، ومعالجة الإشارات في موقع أكثر برودة. ويتيح التصميم المُقسَّم تركيب المستشعر عند نقطة القياس، بينما تُركَّب الوحدة الإلكترونية في موقعٍ تتوافر فيه ظروف بيئية أكثر ملاءمة.

يُوصَل المحول والمُتحكّم بحبلٍ مخصصٍ بينهما، وتختلف أطوال الحبل القياسية والأطوال القصوى باختلاف تصميم الجهاز. وعند استخدام أطوال طويلة من الحبل، ينبغي تقييم جوانب متعددة تشمل سلامة الإشارة، والتداخل الكهرومغناطيسي، ومتطلبات التأريض، وخصائص الحماية الكهرومغناطيسية، بدلًا من افتراض وجود مسافة قصوى واحدة تنطبق على جميع الحالات.

قد تؤدي التطبيقات ذات درجة الحرارة العالية أيضًا إلى إنشاء رواسب أو مواد مكربنة أو تكثيف على سطح المحول. لذلك قد يكون الفحص والتنظيف الدوري مطلوبًا للحفاظ على الإرسال الصوتي وحساسية الصدى.

٣. ما هي القيود المتعلقة بضغط العملية في قياس مستوى باستخدام الموجات فوق الصوتية؟

لا يُعد قياس مستوى بالموجات فوق الصوتية عادةً تقنيةً أساسيةً للاستخدام في أوعية ذات ضغطٍ مرتفعٍ جدًا. إذ يُحدد الحد الأقصى المسموح به من ضغط العملية أولًا بناءً على التصميم الميكانيكي للمحول، ووصلات العملية، والأختام، والهيكل المغلق. ومن ثمَّ، يجب التحقق من الحد الأقصى للضغط الخاص بالنموذج المحدد.

كما أن افتراض أن زيادة الضغط تؤدي ببساطة إلى زيادة كثافة الغاز، وبالتالي تغيير سرعة الصوت بشكل متناسب، يُعدّ افتراضًا غير دقيق. وفي قياس زمن الطيران بالموجات فوق الصوتية، تُعدّ درجة الحرارة وتركيب الغاز من العوامل المباشرة الأكثر تأثيرًا على سرعة الصوت. وفي أوعية العمليات الفعلية، قد يترافق الضغط مع تغيرات في تركيز البخار، وتركيب الغاز، وظاهرة التكثيف، بالإضافة إلى توهين خاصية الصوتية.

نظرًا لهذا السبب، ينبغي لتطبيقات استخدام الأوعية ذات الضغط أن تُجري تقييمًا لقيمة تحمل ضغط العملية، ودرجة حرارة العملية، وتركيب الغاز، بالإضافة إلى البخار والتكثيف.معاً. صُمِّمت بعض الأجهزة الصناعية العاملة بالموجات فوق الصوتية للعمل تحت ضغوط عملية تتراوح بين عدة بار، لكن النطاق المسموح به يختلف بشكل كبير باختلاف فئة المنتج.

بالنسبة للعمليات التي تتطلب ضغطًا عاليًا فعليًا، أو العمليات التي تجمع بين درجة حرارة عالية وضغطٍ عالٍ، ينبغي عادةً تقييم استخدام رادار أو رادار الموجات الموجهة كخيارات بديلة لتقنيات القياس.

4. الختم، وحماية الغلاف، والمناطق الخطرة

ضمن نطاق الضغط المحدد، يجب أن يستخدم وصلة العملية تركيبًا مناسبًا من أسلاك لولبية أو شفة، إلى جانب ختمات متوافقة، وذلك لمنع تسرب غاز أو سائل العملية. ويجب اختيار مواد الختمات وفقًا لدرجة حرارة العملية، ومدى توافقها الكيميائي، ومتطلبات الضغط.

000000 في بعض أجهزة الموجات فوق الصوتية من نوع «split-type»، قد يوفر المستشعر حماية وفقًا للمقياس IP68، في حين يُصنف الوحدة الإلكترونية البعيدة وفقًا للمقياسين IP65 أو IP66.يُشير تصنيف IP إلى الحماية من دخول الغبار والماء؛ ولا يحدد قدرة النظام على تحمل ضغط العمليات، كما لا يحل محل شهادة المناطق الخطرة.

في حالة تثبيت الجهاز في جو متفجر ، يجب أن يحمل إصدار الجهاز المحدد الشهادة المناسبة لتصنيف المناطق الخطرة أو مجموعة الغاز أو الغبار وفئة درجة الحرارة المطبقة.

5. كيف يتم قياس الأسطح المتغيرة أو المضطربة بسرعة ؟

يمكن أن يؤدي ملء سريع، أو تفريغ سريع، أو وجود اضطراب، أو تحريك، أو تغير مستمر في أسطح الكتلة الصلبة، إلى تغير سريع في موقع ومقدار إرجاع الموجات فوق الصوتية. فإذا تم ضبط استجابة الجهاز على سرعةٍ مفرطة، فقد يشهد المخرج تقلباتٍ غير ضرورية؛ أما إذا استُخدم تخميدٌ مفرط، فقد تستجيب القيمة المقاسة ببطءٍ مفرطٍ تجاه أي تغيير فعلي في العملية.

يمكن للأجهزة الصناعية العاملة بالموجات فوق الصوتية استخدام تقنيات مثل التعرف على الإشارات العكسية، والتصفية الرقمية، والتخفيف، وحدود ديناميكية، وتثبيط الإشارات العكسية الزائفة، وذلك لتحقيق توازن بين سرعة الاستجابة واستقرار القياس. وينبغي ضبط هذه المعاملات بما يتوافق مع ديناميكيات العملية الفعلية، بدلًا من الاعتماد فقط على تطبيق تصفية ذات أقصى حد.

تجنب ملء التدفقات.

منع السوائل الداخلة أو المواد الساقطة من عبور المسار الصوتي الأساسي.

تجنب أجهزة التحفيز.

تقليل الصدى غير المرغوب فيه الناتج عن الشفرات والدوامات والهياكل الميكانيكية المتحركة.

ضبط معامل التخميد المناسب.

تحقيق توازن بين سرعة الاستجابة واستقرار المخرجات وفقًا لخصائص ديناميكية العملية.

قم بتثبيط الصدى الكاذب:

— تقليل الانعكاسات الناتجة عن الأنابيب الثابتة، والأضداد، وأدران الوعاء، وغيرها من الهياكل.

— زاوية الضدّة، ومسافة الحجب، وموضع المستشعر.

— تمتلك محولات الموجات فوق الصوتية شعاعًا صوتيًا محددًا؛ وتتراوح زوايا الشعاع في التطبيقات الصناعية الشائعة بين 5° و12° تقريبًا، وذلك اعتمادًا على تردد المحول وقطره ونطاق القياس.يمكن لشرع ضيق أن يقلل من احتمالية دخول جدران الأوعية والأنسجة الداخلية إلى مسار القياس، إلا أنه لا يمكنه تعويض خطأ في تحديد موقع المستشعر.

يجب أن يواجه المحول عادةً سطح المادة بشكلٍ مباشر قدر الإمكان، مع وضعه بعيدًا عن نقاط التعبئة، وأجهزة التحريك، والسلالم، والعوارض الإنشائية، والأنابيب، وكذلك المناطق التي تشهد انعكاسات قوية من الجدران. كما ينبغي في تركيبات المواد الصلبة الكتلية أخذ زاوية استقرار المادة، والتغيرات في هندسة السطح أثناء عملية التعبئة، في الاعتبار.

يتميز كل محول سوناري أيضًا بمسافة حجب أو «منطقة ميتة» بالقرب من المستشعر، حيث لا يمكن إجراء قياسات موثوقة. ووفقًا نوع المحول ونطاق عمله، قد تتراوح القيم النموذجية لهذه المسافة بين 0.25 و1.2 مترًا تقريبًا، أو تتجاوز ذلك. ويجب أن يبقى أعلى مستوى متوقع خارج هذه المنطقة، مع توفير هامش هندسي مناسب.

– 7. الاستقرار على المدى الطويل وصيانة الجهاز.

تبدأ استقرارية القياس على المدى الطويل من تصميم دقيق لتطبيق الجهاز. ويجب تحديد كل من: أقصى مسافة قياس، وأعلى مستوى تشغيل، ووسيط العملية، ودرجة حرارة العملية، وضغط العملية، وظروف البخار، وتركيب الغاز، وخصائص ديناميكية السطح، والمساحة المتاحة للتركيب، وذلك قبل اختيار المستشعر.

يجب أن يظل التثبيت الميكانيكي صلبًا ومستقرًا. كما يجب توجيه كابلات الطاقة والإشارات وكابلات الجهد العالي وفقًا للممارسات الصناعية في مجال الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMC). ويجب أن تستخدم شبكات اتصالات RS485 كابلات زوجية ملتوية مناسبة، مع توفير الحماية الكهرومغناطيسية، والتوصيل بالأرض، وتهيئة النهايات، وحماية من النبضات الكهربائية عند الحاجة.

يجب أن يشمل الفحص الروتيني سطح المحول، وختمات العملية، والكابل، ووصلات العملية، وهيكل التثبيت. ويجب إزالة الغبار، والترسبات، والتكثف، أو المواد المُتَكربنة باستخدام طريقة تنظيف تتوافق مع مادة المستشعر. ويُحدد تكرار الصيانة بناءً على ظروف التلوث الفعلية، وليس وفق فترات زمنية ثابتة.

8.مخرجات الإشارة ودمج أنظمة الأتمتة –

اعتمادا على النموذج المختار ، METRAVON منتجات قياس مستوى الموجات فوق الصوتية يمكن أن توفر 4-20mA, RS485 Modbus RTU أو ترحيل أو خيارات إخراج أخرى خاصة بالمشروع.

A 4-20mA الإخراج هو مناسبة ل PLC، DCS وأنظمة التحكم التماثلية التقليدية.RS485 Modbus RTU يدعم الحصول على البيانات الرقمية ويمكن توصيله PLC S ، RTUs ، قطع تسجيل البيانات والبوابات الصناعية لمزيد من التكامل مع SCADA، أنظمة مراقبة إيثرنت ، خلوية أو يوت.

بالنسبة للعمليات الديناميكية، يمكن ضبط معامل التخميد ووقت الاستجابة على مستوى الجهاز، في حين يمكن أيضًا تنفيذ تصفية إضافية، ونظام تنبيهات، وتحليل اتجاهات في وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) أو في نظام SCADA.

9. المعايير التقنية النموذجية

تمثل القيم التالية نطاقات هندسية نموذجية موجودة في قياس مستوى الموجات فوق الصوتية الصناعية وهي مخصصة للاختيار الأولي للمشروع. فعلي METRAVON يجب تأكيد النطاق ودرجة الحرارة والضغط والضميمة والمخرجات والمواد من ورقة بيانات النموذج المحدد.

– الأسئلة الشائعة؛

– السؤال الأول: ما هي أعلى درجة حرارة عملية يمكن أن يعمل بها جهاز إرسال مستويات بالموجات فوق الصوتية؟

A1: تُصمم أجهزة الموجات فوق الصوتية الصناعية القياسية عادةً للعمل في نطاق من درجات حرارة العمليات المتوسطة، وغالبًا ما تكون هذه الدرجات حول 80°م. ويمكن للمحوّرات المخصصة لدرجات الحرارة المرتفعة أن تتجاوز 100°م، لكن يجب التحقق من درجة الحرارة القصوى المسموح بها بالنسبة للنموذج المحدد.

Q2: هل يمكن استخدام أجهزة إرسال مستوى بالموجات فوق الصوتية في أوعية تعمل تحت ضغط عالٍ؟

A2: لا يُعدّ القياس بالموجات فوق الصوتية الخيار الأول عادةً في تطبيقات الضغط المرتفع جدًا. ويمكن لبعض الأجهزة العمل تحت ضغط موجب محدود، لكن الحد الأقصى المسموح به يعتمد على المحول، ونوع وصلة العملية، وتصميم الختم. وينبغي تقييم استخدام رادار أو رادار الموجات الموجهة في العمليات التي تتطلب ضغطًا عاليًا فعليًا.

Q3: هل يؤدي زيادة الضغط إلى تغيير سرعة الصوت بشكل مباشر؟

A3: لا ينبغي تبسيط العلاقة بهذه الطريقة؛ إذ تُعد درجة الحرارة وتركيب الغاز من العوامل المهمة التي تؤثر في سرعة الصوت بشكل عام. كما تتطلب الوعاءات المُضغوطة تقييمًا لتركيب البخار، وعمليات التكثيف، بالإضافة إلى تصنيف الضغط الميكانيكي للأداة.

Q4: كيف يمكن قياس أسطحٍ تتسم بتغيرات سريعة أو تكون ذات طابع اضطرابي؟

A4: يمكن تحسين الاستقرار من خلال ضبط موقع المستشعر بدقة، وتطبيق تصفية رقمية، واستخدام نظام تخميد، بالإضافة إلى التعرف على الإشارات العكسية الديناميكية وقمع الإشارات العكسية الزائفة. كما يجب أن تتوافق إعدادات الاستجابة مع السرعة الفعلية للعملية.

س5: لماذا يُعد جهاز الموجات فوق الصوتية من النوع المنفصل مفيدًا عند درجات حرارة مرتفعة؟

أ5: يمكن تركيب المحول بالقرب من عملية التشغيل، في حين تُوضع الوحدة الإلكترونية في بيئة أكثر برودة وسهولة في الوصول إليها، مما يقلل من التعرض الحراري للمكونات الإلكترونية.

س6: هل يعني تصنيف IP68 أن مستشعر الموجات فوق الصوتية مناسب للضغط العالي في عملية التشغيل؟

أ6: لا، إذ يُشير تصنيف IP68 إلى حماية من دخول الغبار والماء.يُعد تصنيف ضغط العملية مواصفة ميكانيكية منفصلة، ويجب التحقق منها من ورقة بيانات المنتج.

Q7: كيف ينبغي تحديد نطاق القياس ومسافة الحجب؟

A7: يجب أن يغطي نطاق القياس أقصى مسافة من المستشعر إلى أدنى مستوى متوقع، مع ضمان بقاء أعلى مستوى خارج نطاق الحجب المحدد. كما يجب تضمين هامش هندسي إضافي.

Q8: هل يتطلب نظام التحكم الديناميكي استجابة أسرع أو تصفية أكثر فعالية؟

A8: يجب ضبط الإعدادات بما يتناسب مع هدف التحكم.تتطلب العمليات السريعة أوقات استجابة أقصر، في حين يمكن لنظام مراقبة التخزين أن يستخدم تقييدًا أكبر في كثير من الأحيان. وقد يؤدي التصفية المفرطة إلى تأخير ظهور مؤشرات على التغيرات الفعلية في العملية.

Q9: هل يمكن دمج أجهزة إرسال مستوى الموجات فوق الصوتية مع أنظمة مراقبة عن بعد PLC ؟

A9: نعم. 4-20mA يمكن توصيل الإخراج إلى PLC أو مدخلات تناظرية DCS ، في حين RS485 Modbus RTU يمكن الاتصال به PLC S ، RTUs ، أجهزة تسجيل البيانات والبوابات الصناعية لإيثرنت ، الاتصالات الخلوية أو غيرها عن بعد.

س10: ما المعلومات المطلوبة لاختيار جهاز إرسال مستوى بالموجات فوق الصوتية؟

A10: تشمل المعلومات المهمة: وسط العملية، ومستوى الحد الأدنى والحد الأقصى، ودرجة حرارة العملية، وضغط العملية، وظروف البخار أو الغاز، وخصائص ديناميكية السطح، وهندسة التثبيت، والقدرة المتاحة، بالإضافة إلى المخرجات المطلوبة أو واجهة الاتصال.

— الخلاصة

تتوقف حدود استخدام قياس مستوى باستخدام الموجات فوق الصوتية في العمليات ذات درجات الحرارة المرتفعة، أو تلك التي تُجرى تحت ضغط، أو تلك التي تتميز بطبيعة ديناميكية، على عدة عوامل، منها: الحد الأقصى لدرجة حرارة المحول، والضغط العملياتي المسموح به، وظروف الغاز، وجودة الإشارات العكسية، إضافةً إلى هندسة التثبيت. ويمكن تقليل تأثيرات درجة الحرارة من خلال تطبيق آليات التعويض، في حين تتطلب التطبيقات تحت ضغط إجراء تحقق منفصل من الحد الأقصى للضغط الميكانيكي، وتركيب الغاز، وظروف البخار، وفعالية إحكام العملية.

METRAVON يمكن تكوين منتجات قياس مستوى الموجات فوق الصوتية مع نطاقات قياس مناسبة وخيارات الضميمة والمواد والواجهات مثل 4-20mA و RS485 Modbus RTU للاندماج مع PLC S ، RTUs ، DCS ،SCADA وأنظمة المراقبة عن بُعد. يمكن أن يؤدي الاختيار الصحيح والتركيب والفلترة والصيانة الدورية إلى تحسين استقرار القياس على المدى الطويل وتوفير منصة متوافقة لتوسيع نظام التشغيل الآلي في المستقبل.