Ультразвуковые датчики для измерения уровня: приложения и руководство по выбору

Ультразвуковые датчики уровня широко используются для бесконтактного измерения промышленного уровня, особенно в открытых резервуарах, бассейнах сточных вод, резервуарах для воды, влажных скважинах и некоторых атмосферных резервуарах для хранения. Они определяют уровень путем измерения времени прохождения в оба конца ультразвукового импульса между датчиком и поверхностью жидкости. Технология предлагает относительно простую установку и конкурентоспособную стоимость системы, но ее производительность сильно зависит от условий в газовом пространстве между датчиком и жидкостью.

1. Как работает ультразвуковой датчик уровня?

Сигнальный путь

Датчик передает ультразвуковой импульс → Звук перемещается к поверхности жидкости → Поверхность отражает сигнал → Датчик получает возвращающееся эхо.

Расчет расстояния

Расстояние D = c × t/2, где c — скорость звука в газе, а t — время в пути.

Как только расстояние от датчика до поверхности известно, передатчик преобразует его в уровень жидкости, используя сконфигурированное пустое расстояние. Например, если датчик установлен на высоте 5 м над днищем резервуара и измеренное расстояние до поверхности жидкости составляет 2 м, расчетный уровень составляет приблизительно 3 м.

Поскольку скорость звука в воздухе изменяется с температурой, промышленные ультразвуковые передатчики обычно включают автоматическую температурную компенсацию. При нормальной температуре окружающей среды относительное изменение скорости звука составляет приблизительно 0. 17% на °C, что делает температурную компенсацию важной частью измерения ультразвукового уровня.

2. Каковы основные преимущества ультразвукового измерения уровня?

Неконтактное измерение

Датчик установлен над жидкостью и не нуждается в погружении, уменьшая прямое воздействие коррозии, загрязнения и масштаба.

Относительно простая установка

Проточная, фланцевая или кронштейнная установка может использоваться для резервуаров для воды, бассейнов, влажных скважин и многих других применений.

Низкое механическое обслуживание

Нет поплавков, направляющих стержней или других движущихся компонентов, контактирующих с жидкостью.

Экономически эффективны для обычных применений

Для измерения уровня атмосферной воды ультразвуковая технология может обеспечить непрерывный мониторинг при конкурентоспособной общей стоимости системы.

Независимо от плотности жидкости

Прибор измеряет расстояние до поверхности, поэтому изменения плотности жидкости непосредственно не приводят к погрешности уровня, связанной с гидростатическим измерением.

Хорошо подходит для водных применений

Типичные применения включают резервуары для воды, бассейны сточных вод, влажные скважины, открытые каналы, резервуары и насосные станции.

3. Каковы основные ограничения ультразвуковых датчиков?

Основным ограничением является то, чтоУльтразвуковая энергия должна проходить через газовое пространство между датчиком и поверхностью жидкости.. Изменения в этом пространстве могут повлиять на скорость звука, затухание и силу эха.

Блокировка расстояния

Ближайшая область существует там, где надежное измерение невозможно. Требуемое расстояние зависит от конструкции датчика, диапазона и модели.

Температурные эффекты

Температура воздуха изменяет скорость звука. Автоматическая компенсация снижает этот эффект, но сильные температурные градиенты все еще могут привести к ошибке.

пена

Толстый, рыхлый слой пены может поглощать ультразвуковую энергию и значительно ослаблять эхо от фактической поверхности жидкости.

Состав паров и газов

Изменения в составе газа или концентрации пара могут изменять скорость звука и поэтому требуют тщательной оценки.

пыль

Тяжелая воздушная пыль может рассеивать или ослаблять акустическую энергию, что делает радар достойным оценки для сложных применений твердых веществ.

вакуум

Ультразвуковые волны требуют газовой среды для распространения, поэтому стандартные датчики ультразвукового уровня не подходят для ближнего вакуума.

4. Какое расстояние блокирует ультразвуковой датчик?

После того, как ультразвуковой преобразователь посылает импульс, преобразователь продолжает вибрировать в течение короткого периода времени, прежде чем он сможет надежно получить близкое эхо. Область, близкая к датчику, где достоверное измерение не может быть гарантировано, обычно называетсяБлокировка расстояния, мертвая зона или ближнее поле зачистка расстояние.

Универсального блокирующего расстояния для всех ультразвуковых приборов нет. Компактные промышленные датчики могут иметь блокирующие расстояния в несколько десятков сантиметров, в то время как датчики дальнего действия могут требовать большего расстояния.

Правило выбора:Максимальный уровень жидкости должен оставаться ниже заданного расстояния блокировки выбранного датчика с соответствующим запасом прочности.

5. Почему температура влияет на измерение ультразвукового уровня?

Ультразвуковые приборы вычисляют расстояние от скорости звука и времени в пути. Поскольку скорость звука в воздухе изменяется с температурой, промышленные приборы обычно используют встроенный датчик температуры, чтобы автоматически компенсировать расчет расстояния.

Температурная компенсация не исключает каждой ошибки, связанной с температурой. Например, воздух вблизи датчика, установленного над открытым резервуаром, может стать намного теплее, чем воздух вблизи поверхности жидкости. Это создает градиент температуры вдоль акустического пути, в то время как прибор обычно измеряет температуру только вблизи преобразователя.

Поэтому наружные установки должны учитывать защиту от солнца, вентиляцию, конденсацию и фактическую температурную среду вокруг датчика.

6. Ультразвуковой vs. Измерение уровня радара

7. Когда следует сначала оценить ультразвук или радар?

Оценить Ultrasonic First

Открытые или полуоткрытые танки
    резервуары для чистой воды
    Бассейны сточных вод и влажные колодцы
    Ограниченная пена и пар
    Атмосферное давление
    Требования к умеренной точности
    Проекты с учетом затрат

Оценить Радар сначала

Значительные изменения состава паров или газов
    Высокая температура, высокое давление или вакуум
    Длинный диапазон измерения
    Сложные внутренние структуры
    Тяжелая пыль в приложениях твердых частиц
    Измерение уровня твердости
    Более высокие требования к долгосрочной стабильности

Это инженерные отправные точки, а не абсолютные правила. Например, ультразвуковое измерение может работать в некоторых закрытых атмосферных сосудах или сосудах низкого давления, когда газовый состав стабилен. Аналогичным образом, радиолокационные характеристики в пене по-прежнему должны оцениваться в соответствии со структурой пены и диэлектрическими свойствами технологической среды.

8. Процесс выбора датчика ультразвукового уровня

1. Подтвержденный измерительный диапазон

Определите максимальное расстояние от датчика до самого низкого уровня жидкости, а не только глубину резервуара.

2. Проверьте максимальный уровень

Убедитесь, что максимальный уровень не попадает на расстояние блокировки датчика.

3. Оценить поверхность

Проверьте пену, турбулентность, аэрацию или высокоскоростной входной поток.

4. Оценить газовое пространство

Проверьте пар, летучие газы или значительные колебания температуры.

5. Подтвердить результат

Выберите 4-20 мА, RS485 Modbus или другой интерфейс в соответствии с PLC, RTU или системой мониторинга.

6. Сравните радар, если это необходимо

Если приложение близко к эксплуатационным пределам ультразвукового измерения, сравните производительность радара и общую стоимость жизненного цикла.

9. Типичные применения

сточные воды

Мокрые колодцы, осадочные бассейны, резервуары для сточных вод и насосные станции.

Хранение чистой воды

Водохранилища, резервуары для противопожарной воды, резервуары для дождевой воды и общие бассейны хранения.

Гидрология и управление водными ресурсами

Каналы, резервуары и другие приложения для мониторинга уровня открытой воды.

Промышленные резервуары для воды

Атмосферные резервуары для воды, цистерны для циркуляции и системы контроля уровня.

10. Руководство по установке

11. Какая информация необходима для отбора?

Условия измерения

Среднее имя
Максимальное расстояние измерения
Максимальный уровень жидкости
турбулентность поверхности

Процессная среда

Диапазон температур
Давление
пена
пар или специальные газы

установка

Размеры резервуара или бассейна
Положение для монтажа
Размер соединения
Крытая или открытая площадка

Электрические требования

Электропитание
4-20 мА
RS485 Модбус
Требования в отношении опасных районов или ограждений

FAQ: Измерение ультразвукового уровня

1. Каково типичное расстояние блокировки ультразвукового датчика уровня?

Не существует универсальной ценности. В зависимости от конструкции датчика и диапазона измерения расстояние блокировки может составлять несколько десятков сантиметров или больше. Всегда используйте значение, указанное для выбранной модели.

2. Могут ли ультразвуковые датчики измерять сточные воды пеной?

Это зависит от пены. Небольшое количество влажной пены все еще может позволить измерение, в то время как постоянный толстый и рыхлый слой пены может сильно ослабить акустический сигнал. Радар также должен оцениваться в сложных приложениях пены.

3. Влияет ли большое изменение температуры на ультразвуковое измерение?

Да. Промышленные приборы обычно обеспечивают автоматическую температурную компенсацию, но сильные температурные градиенты вдоль звукового пути все еще могут привести к дополнительной ошибке.

4. Является ли радар более точным, чем ультразвуковой?

Точность следует сравнивать с использованием конкретных моделей приборов. Высокопроизводительный радар может обеспечить измерение миллиметрового уровня, в то время как высокоточные ультразвуковые инструменты также доступны. Радар обычно имеет более широкую рабочую оболочку в сложных парах, температуре, давлении или дальних применениях.

5. Является ли ультразвук хорошим выбором для открытого резервуара с чистой водой?

Да. Для атмосферных резервуаров с ограниченной пеной, умеренным диапазоном измерений и относительно стабильными условиями окружающей среды ультразвуковое измерение часто является экономичным и практичным выбором.

6. Почему значение ультразвукового уровня колеблется?

Общие причины включают пену, сильную турбулентность поверхности, пар, градиенты температуры, конденсацию на датчике, неправильное выравнивание датчика или ложные отголоски из близлежащих структур.

7. Существует ли минимальная дистанция установки?

Да. Максимальный уровень жидкости должен оставаться за пределами заданного расстояния блокировки прибора, иначе измерение ближнего поля может стать ненадежным.

8. Можно ли использовать ультразвуковые датчики в закрытых резервуарах?

Они могут использоваться в некоторых закрытых сосудах атмосферного или низкого давления, когда газовый состав стабилен. Для высокого давления, вакуума, тяжелого пара или сильно изменяющегося состава газа следует оценить радар или другую технологию.

9. Требует ли ультразвуковой датчик частого обслуживания?

Обслуживание, как правило, низкое, но лицо датчика должно периодически проверяться на конденсацию, отложения или лед, а установка и компенсация температуры должны оставаться в нормальном состоянии.

10. Какая информация нужна METRAVON для сравнения ультразвуковых и радиолокационных измерений?

Пожалуйста, укажите среднюю, измеряющую расстояние, размеры резервуара или бассейна, температуру, давление, пену, условия паров, положение крепления и требуемый выходной сигнал. Эти параметры могут быть использованы для определения того, подходит ли ультразвук или радар.

Заключение

Основными преимуществами ультразвуковых датчиков уровня являютсябесконтактное измерение, простая установка, относительно низкое техническое обслуживание и конкурентоспособная общая стоимость. Они особенно подходят для резервуаров с чистой водой, бассейнов сточных вод, влажных скважин, систем хранения воды и многих приложений мониторинга открытой воды.

Их основные ограничения связаны с условиями акустического распространения, в том числеблокирующее расстояние, изменение температуры, пена, пар, пыль и изменения в составе газа. Если применение включает в себя сложные условия паров, высокую температуру или давление, вакуум, большой диапазон измерений, тяжелую пыль или более высокие требования к стабильности, измерение уровня радара также должно быть оценено.

METRAVON может сравнивать ультразвуковые и радиолокационные измерения уровня в соответствии с технологической средой, диапазоном измерения, температурой, давлением, размерами судна и условиями установки, чтобы помочь определить соответствующую технологию измерения для каждого проекта.