أجهزة الاستشعار الصوتية لقياس المستوى: الطلبات ودليل الاختيار

وتستخدم أجهزة الاستشعار من المستوى فوق الصوتي على نطاق واسع لقياس المستوى الصناعي غير المتنازع، ولا سيما في الصهاريج المفتوحة، وأحواض المياه المستعملة، وصهاريج المياه، والآبار الرطبة، وبعض سفن التخزين في الغلاف الجوي. وهي تحدد المستوى من خلال قياس وقت السفر ذهابا وإيابا للنبض فوق الصوتي بين جهاز الاستشعار والسطح السائل. وتوفر التكنولوجيا تكاليف بسيطة نسبياً للتركيب والنظام التنافسي، ولكن أداءها يعتمد اعتماداً قوياً على الظروف السائدة في مجال الغاز بين جهاز الاستشعار والسائل.

1 كيف يعمل جهاز استشعار من الدرجة الأولى؟

الإشارة

جهاز الاستشعار يُرسل نبضات فوق الصوت إلى السطح السائل

حساب المسافة

Distance D = c × t/ 2, where c is the sound velocity in the gas and t is the round-trip travel time.

وحالما تكون المسافة بين أجهزة الاستشعار والوجه معروفة، يقوم جهاز الإرسال بتحويلها إلى مستوى سائل باستخدام مسافة فارغة مشوهة. فعلى سبيل المثال، إذا تم تركيب جهاز الاستشعار على مسافة 5 أمتار فوق قاع الصهريج، وتبلغ المسافة المقيسة إلى السطح السائل 2 مترا، فإن المستوى المحسوب يبلغ حوالي 3 أمتار.

ونظراً إلى أن سرعة الصوت في تغيرات الهواء مع درجة الحرارة، فإن أجهزة الإرسال فوق الصوتية الصناعية تشمل عادة التعويض عن درجة الحرارة التلقائية. وبدرجة الحرارة المحيطة العادية، يبلغ التغير النسبي في سرعة الصوت نحو صفر. 17% لكل درجة مئوية مما يجعل تعويض درجة الحرارة جزءاً هاماً من قياس المستوى فوق الصوتي

2. ما هي أهم مزايا قياس المستوى الأعلى؟

القياس غير الصناعي

ويركب جهاز الاستشعار فوق السائل ولا يحتاج إلى الغليان، مما يقلل من التعرض المباشر للتآكل والتلوث والحجم.

التركيبة البسيطة نسبيا

ويمكن استخدام الصهاريج المائية، والأحواض، والأبار الرطبة، والعديد من التطبيقات الأخرى.

الصيانة الميكانيكية المنخفضة

لا توجد عوامات أو قضبان مرشدة أو عناصر متحركة أخرى على اتصال بالسائل

أثر التكاليف على التطبيقات التقليدية

وفيما يتعلق بالقياس على مستوى المياه في الغلاف الجوي، يمكن أن توفر التكنولوجيا فوق الصوتية الرصد المستمر بتكلفة تنافسية عامة للنظام.

مستقلة عن الكثافة السائلة

ويقيس الصك المسافة السطحية، وبالتالي فإن التغييرات في الكثافة السائلة لا تنتج مباشرة نفس الخطأ في المستوى المرتبط بالقياس الهيدروستاني.

مناسبة جدا لتطبيقات المياه

وتشمل التطبيقات النموذجية خزانات المياه، وأحواض المياه المستعملة، وآبار مبللة، وقنوات مفتوحة، وخزانات، ومحطات الضخ.

3 ما هي الحدود الرئيسية لأجهزة الاستشعار من المستوى الأعلى؟

القيد الرئيسي هوالطاقة فوق الصوتية يجب أن تسافر عبر الفضاء الغازي بين المجس والسطح السائل. والتغييرات في هذا المجال يمكن أن تؤثر على سرعة الصوت، وتكراره، وعلى قوة الصدى.

القفل

وتوجد منطقة قريبة من الميدان حيث يتعذر قياسها بصورة موثوقة. The required distance depends on sensor design, range, and model.

آثار الحرارة

حرارة الهواء تغير سرعة الصوت ويقلل التعويض الآلي من هذا التأثير، لكن درجات الحرارة القوية لا تزال تُحدث خطأ.

Foam

وقد تستوعب طبقة رغاوي سميكة غير مستقرة الطاقة فوق الصوتية وتضعف بشكل كبير الصدى من السطح السائل الفعلي.

فبور وغاز التكوين

ويمكن للتغييرات في تركيب الغاز أو تركيز البخار أن تغير سرعة الصوت، ومن ثم تحتاج إلى تقييم دقيق للتطبيقات.

Dust

فالغبار الثقيل المحمول جواً يمكن أن يحطم أو يخفف الطاقة الصوتية، مما يجعل الرادار يستحق تقييم التطبيقات الصلبة الصعبة.

Vacuum

وتحتاج الموجات فوق الصوتية إلى واسطة غاز للنشر، لذا فإن أجهزة الاستشعار فوق الصوتية المعيارية غير مناسبة للسفن القريبة من الغلاف الجوي.

4 ما هو قفل جهاز استشعار من المستوى Ultrasonic؟

فبعد أن يرسل متحول فوق الصوتي نبضاً، يواصل المترجم الهزات لفترة قصيرة قبل أن يتمكن من تلقي صدى قريب بشكل موثوق. وعادة ما تُسمى المنطقة القريبة من جهاز الاستشعار التي لا يمكن ضمان قياسها بصورة صحيحةقطع المسافة، أو المنطقة الميتة، أو بالقرب من الحقل.

لا توجد مسافات شاملة لحجب جميع الأدوات فوق الصوتية. وقد يكون للمستشعرات الصناعية للاتفاق قطع مسافات من عدة عشرات من سنتيمتر، في حين أن المترجمين البعيدي المدى قد يحتاجون إلى مسافة أكبر.

قاعدة الاختيار:يجب أن يظل الحد الأقصى لمستوى السائل أقل من مسافة الحجب المحددة للمستشعر المحدد، مع هامش أمان مناسب.

5 لماذا تُؤثّر درجة الحرارة في قياس درجة الحرارة فوق الصوتية؟

وتحسب الأدوات الفوق الصوتية المسافة من سرعة الصوت ووقت السفر. ونظراً إلى أن سرعة الصوت في الهواء تتغيّر بدرجات الحرارة، فإن الأدوات الصناعية تستخدم عادة جهازاً مجسّساً متكاملاً للحرارة للتعويض تلقائياً عن حساب المسافة.

ولا يؤدي التعويض المؤقت إلى القضاء على كل خطأ ذي صلة بالحرارة. فعلى سبيل المثال، قد يصبح الهواء بالقرب من جهاز استشعار مركب فوق خزان خارجي أدفأ بكثير من الهواء القريب من السطح السائل. وهذا يخلق درجة حرارة على طول المسار الصوتي، في حين أن الصك عادة ما يقيس درجة الحرارة فقط قرب المتحول.

ولذلك ينبغي للمنشآت الخارجية أن تنظر في حماية الشمس، والتهوية، والتكثيف، وبيئة الحرارة الفعلية حول جهاز الاستشعار.

6. Ultrasonic vs. قياس مستوى الرادار

7. متى يجب أن يقيّم (أولتراسونيك) أو (رادار) أولاً؟

يُقيّمُ Ultrasonic أولاً

الصهاريج المفتوحة أو شبه المفتوحة
' 3` ' 3` صهاريج المياه النظيفة
نفق؛ نفق؛ أحواض المياه المستعملة والآبار الرطبة
' 3` ' 3` الرغاوي المحدودة والبخار
' 3` ' 3` الضغط الجوي
' 3` ' 3` الاحتياجات الحديثة من الدقة
' 3` ' 3` المشاريع الحساسة من حيث التكلفة

تقييم الرادار أولا

تغييرات كبيرة في تركيبة البخار أو الغاز
' 3` ' 3` درجة حرارة عالية أو ضغط مرتفع أو فراغ
' 3` ' 3` المدى الطويل للقياس
' 3` ' 3` الهياكل الداخلية المعقدة
' 3` ' 3` الغبار الثقيل في التطبيقات الصلبة
' 3` ' 3` قياس المستوى الصلب
' 3` ' 3` زيادة متطلبات الاستقرار الطويل الأجل

هذه هي نقاط الانطلاق الهندسية بدلا من القواعد المطلقة. فعلى سبيل المثال، يمكن أن يعمل القياس فوق الصوتي في بعض السفن الجوية المغلقة أو المنخفضة الضغط عندما يكون تركيب الغاز مستقرا. وبالمثل، لا يزال يتعين تقييم أداء الرادار في الرغاوي وفقاً لهيكل الرغاوي وخصائص الديليكتري في منتصف العملية.

8 Ultrasonic Level Sensor Selection Process

1 قياس الرنج

تحديد أقصى مسافة من جهاز الاستشعار إلى أدنى مستوى سائل، ليس فقط عمق الدبابات.

2. المستوى الأقصى

تأكد من أن الحد الأقصى لا يدخل جهاز الاستشعار عن بعد

3 تقييم السطح

تحقق من الرغوة، الاضطرابات، الإضاءة، التدفق العالي السرعة.

4 تقييم الفضاء الغازي

تحقق من البخار أو الغازات المتطايرة أو تغيرات كبيرة في درجة الحرارة

5 الناتج

Select 4 -20 mA, RS485 Modbus, or another interface according to the PLC, RTU, or monitoring system.

6. قارن الرادار إذا لزم الأمر

وإذا كان الطلب قريب من الحدود التشغيلية للقياس فوق الصوتي، يقارن الأداء الراداري وتكاليف دورة الحياة الإجمالية.

9. التطبيقات النموذجية

المياه المستعملة

الآبار الرطبة، أحواض المستوطنة، خزانات المياه المستعملة، ومحطات الضخ.

تخزين المياه النظيفة

خزانات المياه، خزانات مياه النار، خزانات مياه الأمطار، أحواض التخزين العامة.

إدارة الهيدرولوجيا والمياه

القنوات والمستودعات وغيرها من تطبيقات رصد مستوى المياه المفتوحة.

دبابات المياه الصناعية

صهاريج مياه الغلاف الجوي، والدبابات التداول، ونظم المراقبة من المستوى.

10 المبادئ التوجيهية للتركيب

11 ما هي المعلومات المطلوبة للاختيار؟

شروط القياس

الاسم المتوسط
أقصى مسافة قياس
الحد الأقصى للمستوى السائل
الاضطراب السطحي

عملية البيئة

درجة الحرارة
الضغط
Foam
خام أو غازات خاصة

التركيب

أبعاد الدبابات أو الأحواض
وظيفة مستمرة
حجم الاتصال
داخل الأماكن أو خارجها

الاحتياجات الكهربائية

إمدادات الطاقة
4-20 mA
RS485 Modbus
المناطق الخطرة أو متطلبات الإغلاق

مقياس المستوى فوق الصوتي

1 ما هي المسافة المثالية لحجب جهاز الاستشعار من المستوى فوق الصوتي؟

ليس هناك قيمة عالمية. ورهناً بتصميم أجهزة الاستشعار وقياسها، قد تكون المسافة المسدودة عدة عشرات سنتيمتر أو أكثر. تستخدم دائما القيمة المحددة للنموذج المختار.

2. هل يمكن للمستشعرات فوق الصوتية قياس المياه المستعملة بالرغوة؟

هذا يعتمد على الرغوة وقد لا تزال كمية صغيرة من الرغاوي الرطبة تسمح بالقياس، في حين أن طبقة رغوة سميكة وثابتة يمكن أن تخفف بشدة الإشارة الصوتية. وينبغي أيضا تقييم الرادار في تطبيقات الرغاوي الصعبة.

3 هل يؤثر تغير درجة الحرارة الكبيرة على القياس فوق الصوتي؟

نعم فالأدوات الصناعية تقدم عادة تعويضات عن درجة الحرارة التلقائية، ولكن درجات الحرارة القوية على طول المسار السليم يمكن أن تنجم عنها أخطاء إضافية.

4 هل الرادار أكثر دقة من الأشعة فوق الصوتية؟

وينبغي مقارنة الاستحقاق باستخدام نماذج أدوات محددة. ويمكن أن يوفر الرادار ذو الأداء العالي قياسا على مستوى المليمتر، بينما تتوافر أيضا أدوات عالية الدقة فوق الصوتية. ولدى الرادار بوجه عام ظرف تشغيلي أوسع في بخار عسير أو درجة حرارة أو ضغط أو تطبيقات بعيدة المدى.

5 هل الأشعة فوق البنفسجية خيار جيد لفتح خزان المياه النظيفة؟

نعم وبالنسبة للدبابات الجوية ذات الرغاوي المحدودة، ونطاق القياس المتوسط، والظروف البيئية المستقرة نسبيا، كثيرا ما يكون القياس فوق الصوتي خيارا اقتصاديا وعمليا.

6. لماذا يتقلب مستوى القراءة فوق الصوتي؟

وتشمل الأسباب المشتركة الرغاوي، والاضطراب السطحي القوي، والبخار، وتدرج درجات الحرارة، والتكثيف على جهاز الاستشعار، ومواءمة أجهزة الاستشعار غير الصحيحة، أو صدى كاذب من الهياكل المجاورة.

7. هل هناك حد أدنى لمسافات التركيب؟

نعم ويجب أن يظل الحد الأقصى للمستوى السائل خارج مسافة اللبن المحددة للصك، وإلا فإن القياس القريب من الميدان قد يصبح غير موثوق به.

8 هل يمكن استخدام أجهزة الاستشعار فوق الصوتية في خزانات مغلقة؟

ويمكن استخدامها في بعض السفن المغلقة في الغلاف الجوي أو المنخفضة الضغط عندما يكون تركيب الغاز مستقرا. وبالنسبة للضغط العالي، ينبغي تقييم الفراغ، والبخار الثقيل، أو التكوين الغازي المتغير بشدة، أو الرادار أو تكنولوجيا أخرى.

9. هل يحتاج جهاز استشعار فوق الصوت إلى صيانة متكررة؟

فالنفقة منخفضة بوجه عام، ولكن ينبغي تفتيش وجه المستشعر دورياً للتثبيت أو الودائع أو الجليد، وينبغي أن يظل التعويض عن التركيب ودرجة الحرارة في حالة طبيعية.

10 ما هي المعلومات التي تحتاجها شركة (ميتريفون) لمقارنة قياس مستوى الأشعة فوق الصوتية والرادار؟

ويُرجى تقديم الأبعاد المتوسطة والقياسية، والأبعاد المتعلقة بالدبابات أو الأحواض، ودرجات الحرارة، والضغط، والرغاوي، وظروف البخار، والوضع المتصاعد، والإشارة المطلوبة بالنواتج. ويمكن استخدام هذه البارامترات لتحديد ما إذا كان الرادار أكثر ملاءمة.

خاتمة

والمزايا الرئيسية لأجهزة الاستشعار فوق الصوتية هيالقياس غير المتصل بالمعاملات، والتركيب البسيط، والصيانة المنخفضة نسبيا، والتكاليف العامة التنافسية. وهي مناسبة بصفة خاصة لصهاريج المياه النظيفة، وأحواض المياه المستعملة، وآبار مبللة، ونظم تخزين المياه، والعديد من تطبيقات رصد المياه المفتوحة.

ترتبط قيودها الرئيسية بظروف الانتشار الصوتي، بما في ذلكسد المسافة، وتباين درجات الحرارة، والرغاوي، والبخار، والغبار، والتغيرات في تكوين الغاز. وفي الحالات التي ينطوي فيها التطبيق على ظروف بخار صعبة، أو ارتفاع درجة الحرارة أو الضغط، أو الفراغ، أو مدى القياس الطويل، أو الغبار الثقيل، أو ارتفاع متطلبات الاستقرار، ينبغي أيضا تقييم مستوى الرادار.

ويمكن للشبكة أن تقارن قياس المستوى فوق الصوتي والراداري وفقا لمتوسط العملية، ودرجة القياس، ودرجة الحرارة، والضغط، وأبعاد السفن، وشروط التركيب للمساعدة في تحديد تكنولوجيا القياس المناسبة لكل مشروع.