Sensori a ultrasuoni per la misurazione del livello: Applicazioni e Guida di selezione

I sensori a livello a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati per la misurazione del livello industriale non a contatto, in particolare nei serbatoi aperti, nei bacini delle acque reflue, nei serbatoi dell'acqua, nei pozzi bagnati e in alcuni recipienti di stoccaggio atmosferici. Essi determinano il livello misurando il tempo di viaggio di andata e ritorno di un impulso ultrasonico tra il sensore e la superficie liquida. La tecnologia offre un'installazione relativamente semplice e costi di sistema competitivi, ma le sue prestazioni dipendono fortemente dalle condizioni dello spazio gas tra il sensore e il liquido.

1. Come funziona un sensore di livello ultrasuoni?

Sentiero dei segni

Il sensore trasmette un impulso a ultrasuoni → Il suono passa alla superficie liquida → La superficie riflette il segnale → Il sensore riceve l'eco di ritorno.

Calcolo della distanza

Distanza D = c × t / 2, dove c è la velocità del suono nel gas e t è il tempo di viaggio di andata e ritorno.

Una volta conosciuta la distanza tra il sensore e la superficie, il trasmettitore lo converte in livello liquido utilizzando la distanza vuota configurata. Ad esempio, se il sensore è installato 5 m sopra il fondo del serbatoio e la distanza misurata alla superficie liquida è di 2 m, il livello calcolato è di circa 3 m.

Poiché la velocità del suono nei cambiamenti dell'aria con la temperatura, i trasmettitori a ultrasuoni industriali normalmente includono compensazione automatica della temperatura. Vicino alla normale temperatura ambiente, il relativo cambiamento nella velocità del suono è di circa 0. 17% per °C, che rende la compensazione della temperatura una parte importante della misurazione del livello ultrasonico.

2. Quali sono i principali vantaggi della misurazione del livello ultrasonico?

Misurazione non collegata

Il sensore è installato sopra il liquido e non ha bisogno di essere immerso, riducendo l'esposizione diretta alla corrosione, alla contaminazione e alla scala.

Installazione relativamente semplice

Il montaggio filettato, flangia o staffa può essere utilizzato per serbatoi d'acqua, bacini, pozzi bagnati e molte altre applicazioni.

Bassa manutenzione meccanica

Non ci sono galleggianti, barre guida, o altri componenti in movimento a contatto con il liquido.

Costo-Effettivo per le Applicazioni Convenzionali

Per la misurazione a livello di acqua atmosferica, la tecnologia ultrasuoni può fornire un monitoraggio continuo a un costo complessivo competitivo del sistema.

Indipendente dalla densità liquida

Lo strumento misura la distanza di superficie, quindi le variazioni della densità liquida non producono direttamente lo stesso errore di livello associato alla misura idrostatica.

Applicazioni ben adattate all'acqua

Applicazioni tipiche includono serbatoi d'acqua, bacini d'acqua, pozzi bagnati, canali aperti, serbatoi e stazioni di pompaggio.

3. Quali sono le limitazioni principali dei sensori di livello ultrasonico?

La limitazione principale è chel'energia ultrasuoni deve viaggiare attraverso lo spazio gas tra il sensore e la superficie liquida. Le modifiche in questo spazio possono influenzare la velocità del suono, l'attenuazione e la forza dell'eco.

Distanza di blocco

Esiste un'area vicino al campo dove non è possibile misurare in modo affidabile. La distanza richiesta dipende dalla progettazione, gamma e modello del sensore.

Effetti della temperatura

La temperatura dell'aria cambia la velocità del suono. La compensazione automatica riduce questo effetto, ma i forti gradienti di temperatura possono ancora introdurre errori.

Schiuma

Uno strato di schiuma denso e sciolto può assorbire energia ultrasuoni e indebolire significativamente l'eco dalla superficie liquida reale.

Vapor e Gas Composizione

Le variazioni della composizione del gas o della concentrazione del vapore possono cambiare la velocità del suono e quindi richiedono un'attenta valutazione dell'applicazione.

La polvere

La polvere resistente all'aria può disperdere o attenuare l'energia acustica, rendendo il radar degno di valutazione per applicazioni solide difficili.

Vuoto

Le onde ultrasoniche richiedono un mezzo di gas per la propagazione, quindi i sensori di livello ultrasuoni standard non sono adatti per i vasi vicino al vuoto.

4. Qual è la distanza di blocco di un sensore di livello ultrasonico?

Dopo che un trasduttore a ultrasuoni invia un impulso, il trasduttore continua a vibrare per un breve periodo prima di poter ricevere in modo affidabile un eco nelle vicinanze. La regione vicina al sensore in cui la misura valida non può essere garantita è normalmente chiamatadistanza di blocco, zona morta, o distanza di svuotamento del campo vicino.

Non c'è distanza di blocco universale per tutti gli strumenti a ultrasuoni. I sensori industriali compatti possono avere distanze di blocco di diverse decine di centimetri, mentre i trasduttori a lungo raggio possono richiedere una distanza maggiore.

Regola di selezione:Il livello massimo liquido deve rimanere al di sotto della distanza di blocco specificata del sensore selezionato, con un margine di sicurezza appropriato.

5. Perché la temperatura influisce sulla misurazione del livello ultrasuoni?

Gli strumenti a ultrasuoni calcolano la distanza dalla velocità del suono e dal tempo di viaggio. Poiché la velocità del suono nelle variazioni dell'aria con la temperatura, gli strumenti industriali normalmente utilizzano un sensore di temperatura integrato per compensare automaticamente il calcolo della distanza.

La compensazione della temperatura non elimina ogni errore relativo alla temperatura. Ad esempio, l'aria vicino a un sensore montato sopra un serbatoio esterno può diventare molto più caldo dell'aria vicino alla superficie liquida. Questo crea un gradiente di temperatura lungo il percorso acustico, mentre lo strumento misura normalmente la temperatura solo vicino al trasduttore.

Gli impianti esterni dovrebbero quindi considerare la protezione del sole, la ventilazione, la condensazione e l'ambiente di temperatura attuale intorno al sensore.

6. Ultrasonic vs. Misurazione del livello radar

7. Quando dovrebbe essere valutato prima Ultrasonic o Radar?

Valutare Ultrasonic First

Serbatoi aperti o semiaperto
    Serbatoi d'acqua puliti
    Acque di scarico e pozzi bagnati
    Schiuma limitata e vapore
    Pressione atmosferica
    Requisiti di precisione moderata
    Progetti sensibili ai costi

Valutare Radar First

Cambiamenti significativi della composizione del vapore o del gas
    Alta temperatura, alta pressione o vuoto
    Campo di misura lungo
    Strutture interne complesse
    Polvere pesante in applicazioni solide
    Misurazione del livello solido
    Requisiti di stabilità a lungo termine più elevati

Questi sono punti di partenza di ingegneria piuttosto che regole assolute. Ad esempio, la misurazione a ultrasuoni può funzionare in alcuni recipienti chiusi atmosferici o a bassa pressione quando la composizione del gas è stabile. Allo stesso modo, le prestazioni radar in schiuma devono ancora essere valutate in base alla struttura in schiuma e alle proprietà dielettriche del mezzo di processo.

8. Processo di selezione del sensore di livello ultrasonico

1. Confermare la gamma di misura

Determinare la distanza massima dal sensore al livello liquido più basso, non solo la profondità del serbatoio.

2. Controlla il livello massimo

Assicurarsi che il livello massimo non entri nella distanza di blocco del sensore.

3. Valutare la superficie

Controllare per schiuma, turbolenza, aerazione o flusso di ingresso ad alta velocità.

4. Valutare lo spazio gas

Controllare il vapore, i gas volatili o le variazioni di temperatura significative.

5. Confermare l'output

Selezionare 4-20 mA, RS485 Modbus, o un'altra interfaccia in base al sistema PLC, RTU o di monitoraggio.

6. Confronta Radar se necessario

Se l'applicazione è vicina ai limiti operativi della misurazione ultrasuoni, confrontare le prestazioni radar e il costo totale del ciclo di vita.

9. Applicazioni tipiche

acque reflue

Pozzi bagnati, bacini di fissaggio, serbatoi di acque reflue e stazioni di pompaggio.

Conservazione dell'acqua pulita

Serbatoi d'acqua, serbatoi d'acqua di fuoco, serbatoi d'acqua piovana e vasche di stoccaggio generali.

Gestione idrologia e acqua

Canali, serbatoi e altre applicazioni di monitoraggio a livello aperto.

Serbatoi per acqua industriali

Serbatoi di processo atmosferici, serbatoi di circolazione e sistemi di controllo del livello.

Dieci. Guida all'installazione

11. Quali informazioni è richiesto per la selezione?

Condizioni di misura

Nome medio
Distanza massima di misura
Livello massimo liquido
turbolenza di superficie

Ambiente

Gamma di temperatura
Pressione
Schiuma
Vapori o gas speciali

Installazione

Dimensioni serbatoio o bacino
Posizione di montaggio
Dimensione della connessione
Posizione interna o esterna

Requisiti elettrici

Alimentazione elettrica
4-20 mA
Modbus RS485
Hazardous area o requisiti di custodia

FAQ: Misurazione di livello ultrasuoni

1. Qual è la tipica distanza di blocco di un sensore di livello ultrasonico?

Non c'è valore universale. A seconda della progettazione e della misura del sensore, la distanza di blocco può essere di diverse decine di centimetri o più. Utilizzare sempre il valore specificato per il modello selezionato.

2. I sensori a ultrasuoni possono misurare le acque reflue con schiuma?

Dipende dalla schiuma. Una piccola quantità di schiuma bagnata può ancora consentire la misurazione, mentre uno strato di schiuma spessa e sciolta persistente può fortemente attenuare il segnale acustico. Radar dovrebbe anche essere valutato in applicazioni di schiuma difficili.

3. La grande variazione di temperatura influisce sulla misurazione ultrasuoni?

Si'. Gli strumenti industriali normalmente forniscono compensazione automatica della temperatura, ma forti gradienti di temperatura lungo il percorso sonoro possono ancora introdurre errori aggiuntivi.

4. Il radar è più accurato dell'ecografia?

L'accuratezza deve essere confrontata utilizzando modelli di strumenti specifici. I radar ad alte prestazioni possono fornire misurazioni a livello millimetrico, mentre sono disponibili anche strumenti a ultrasuoni ad alta precisione. Radar generalmente ha una più ampia busta operativa in applicazioni di vapore, temperatura, pressione o a lungo raggio.

5. L'ecografia è una buona scelta per un serbatoio di acqua pulita aperta?

Si'. Per serbatoi atmosferici con schiuma limitata, gamma di misura moderata e condizioni ambientali relativamente stabili, la misurazione a ultrasuoni è spesso una scelta economica e pratica.

6. Perché una lettura a livello ultrasuoni fluttua?

Le cause comuni includono schiuma, forte turbolenza superficiale, vapore, gradienti di temperatura, condensazione sul sensore, allineamento del sensore errato, o false eco dalle strutture vicine.

7. C'è una distanza minima di installazione?

Si'. Il livello massimo di liquido deve rimanere al di fuori della distanza di blocco specificata dello strumento, altrimenti la misurazione del campo vicino può diventare inaffidabile.

8. I sensori a ultrasuoni possono essere utilizzati in serbatoi chiusi?

Possono essere utilizzati in alcuni recipienti chiusi atmosferici o a bassa pressione quando la composizione del gas è stabile. Per l'alta pressione, il vuoto, il vapore pesante, o fortemente cambiante composizione del gas, radar o un'altra tecnologia dovrebbe essere valutato.

9. Un sensore a livello ultrasuoni richiede una manutenzione frequente?

La manutenzione è generalmente bassa, ma la faccia del sensore dovrebbe essere ispezionata periodicamente per condensazione, depositi o ghiaccio, e la compensazione di installazione e temperatura dovrebbe rimanere in condizioni normali.

Dieci. Quali informazioni METRAVON ha bisogno di confrontare la misurazione a livello ultrasuoni e radar?

Si prega di fornire il mezzo, distanza di misura, dimensioni serbatoio o bacino, temperatura, pressione, schiuma, condizioni di vapore, posizione di montaggio e segnale di uscita richiesto. Questi parametri possono essere utilizzati per determinare se ultrasuoni o radar è più adatto.

Conclusioni

I principali vantaggi dei sensori di livello ultrasonico sonomisurazione senza contatto, installazione semplice, manutenzione relativamente bassa e costi complessivi competitivi. Sono particolarmente adatti per serbatoi d'acqua pulita, bacini di acque reflue, pozzi bagnati, sistemi di stoccaggio dell'acqua e molte applicazioni di monitoraggio dell'acqua aperta.

Le loro principali limitazioni sono associate alle condizioni di propagazione acustica, tra cuidistanza di blocco, variazione di temperatura, schiuma, vapore, polvere e cambiamenti nella composizione del gas. Se l'applicazione comporta condizioni di vapore difficili, alta temperatura o pressione, vuoto, campo di misura lungo, polvere pesante o requisiti di stabilità più elevati, dovrebbe anche essere valutata la misurazione del livello radar.

METRAVON può confrontare la misurazione a livello ultrasuoni e radar in base al mezzo di processo, al range di misura, alla temperatura, alla pressione, alle dimensioni dei vasi e alle condizioni di installazione per determinare l'adeguata tecnologia di misura per ogni progetto.