Hướng dẫn về khả năng thích ứng môi trường và độ ổn định lâu dài của bộ truyền mức siêu âm METRAVON

Các thiết bị truyền tín hiệu mức bằng sóng siêu âm sử dụng các xung âm tần số cao và thời gian truyền của sóng phản hồi để thực hiện phép đo mức không tiếp xúc. Những thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xử lý nước, các bể công nghiệp, các silo chứa vật liệu dạng khối được lựa chọn kỹ lưỡng, các kênh hở cũng như các hệ thống điều khiển quy trình. Hiệu suất đo lường không chỉ phụ thuộc vào thiết bị đo mà còn vào nhiệt độ không khí, hơi nước, hiện tượng ngưng tụ, bụi, điều kiện bề mặt và cấu trúc lắp đặt.

Các thiết bị truyền tín hiệu mức siêu âm METRAVON có thể được cấu hình với chức năng bù nhiệt độ, xử lý tín hiệu hồi âm, vỏ bọc bảo vệ phù hợp và các cổng ra công nghiệp như 4-20mA và RS485 Modbus RTU. Các giao diện này cho phép tích hợp với PLC, RTU, DCS, SCADA và các hệ thống thu thập dữ liệu từ xa. Đối với vận hành lâu dài, việc lựa chọn phù hợp, lắp đặt đúng cách và kiểm tra định kỳ thường quan trọng không kém so với độ chính xác danh định của thiết bị.

1.Ảnh hưởng của nhiệt độ và khí hậu đến phép đo bằng sóng siêu âm

Một xung siêu âm truyền qua vùng khí nằm giữa cảm biến và bề mặt sản phẩm. Tốc độ lan truyền của sóng âm trong không khí ở khoảng 0°C xấp xỉ 331 m/s và tăng khoảng 0,6 m/s cho mỗi lần tăng 1°C của nhiệt độ. Nếu không được hiệu chỉnh, sự biến thiên nhiệt độ đáng kể có thể gây ra sai số đo khoảng cách trực tiếp.

Phù hợp METRAVON Các mẫu thiết bị có thể sử dụng chức năng cảm biến nhiệt độ và cơ chế bù tự động để hiệu chỉnh kết quả tính toán vận tốc âm thanh. Các cấu hình điển hình thường cho phép nhiệt độ hoạt động của đầu dò dao động trong khoảng từ -20 đến +80°C và nhiệt độ của bộ phận điện tử dao động trong khoảng từ -20 đến +60°C, tuy nhiên các giới hạn cụ thể sẽ phụ thuộc vào mẫu thiết bị được lựa chọn. Do đó, đối với các ứng dụng nước ngoài trời – như bể chứa hoặc hệ thống lắp đặt có sự thay đổi nhiệt độ lớn giữa ban ngày và ban đêm – cần được đánh giá dựa trên phạm vi nhiệt độ đã được quy định.

2. Môi trường hơi nước, hiện tượng ngưng tụ và độ ẩm cao

Độ ẩm không khí bình thường thường không phải là yếu tố hạn chế chính đối với việc đo mức bằng sóng siêu âm. Tuy nhiên, sự hiện diện đáng kể của hơi nước, hiện tượng ngưng tụ, gradient nhiệt độ lớn hoặc sự tích tụ nước trên bề mặt đầu dò có thể làm thay đổi điều kiện lan truyền và phản xạ của sóng âm, dẫn đến hiện tượng suy hao hoặc tạo ra các tín hiệu phản hồi không ổn định.

Độ ổn định của phép đo có thể được cải thiện bằng cách lựa chọn phạm vi đo phù hợp, thiết lập ngưỡng phản hồi, ức chế phản hồi giả và đảm bảo việc lắp đặt đúng quy cách. Trong trường hợp các thiết bị điện tử không được lắp đặt trực tiếp tại điểm đo, có thể sử dụng một hệ thống cảm biến và máy phát riêng biệt. Một số mẫu thiết bị dạng chia cho phép sử dụng cáp cảm biến dài hơn; tuy nhiên, các đoạn cáp dài này cần được đánh giá kỹ lưỡng dựa trên các yêu cầu đã được quy định về giới hạn chiều dài cáp, độ toàn vẹn tín hiệu và tính tương thích điện từ.

3.Đo lường bụi, bọt và chất rắn dạng khối

Bụi, bọt và các bề mặt rắn không đều có thể làm suy giảm năng lượng siêu âm. Chất lỏng thường tạo ra một bề mặt phản xạ tương đối ổn định, trong khi các dạng bột, hạt và chất rắn dạng khối có thể tạo ra các bề mặt nghiêng, gây ra hiện tượng tán xạ và làm phát sinh bụi lơ lửng trong không khí. Do đó, khoảng cách hoạt động hiệu dụng đối với vật liệu rắn thường ngắn hơn so với khoảng cách hoạt động danh nghĩa của cùng một bộ chuyển đổi dùng cho chất lỏng.

Trong một số ứng dụng giữa chất lỏng và chất rắn, phạm vi hoạt động có thể đạt khoảng 50% so với phạm vi hoạt động của chất lỏng; tuy nhiên, đây không phải là một quy tắc kỹ thuật cố định. Hiệu suất thực tế phụ thuộc vào kích thước hạt, góc tiếp xúc bề mặt, nồng độ bụi, khả năng hấp thụ âm thanh và vị trí đặt cảm biến. Trong những trường hợp phù hợp, có thể sử dụng các lớp bảo vệ nhằm giảm thiểu nguy cơ nhiễm bẩn bộ chuyển đổi cũng như hạn chế tác động lâu dài từ mưa, tia cực tím hoặc các hạt lơ lửng trong không khí.

4. Môi trường ăn mòn và việc lựa chọn vật liệu

Đối với các ứng dụng hóa học hoặc chống ăn mòn, cần xem xét tính tương thích của vật liệu bên cạnh hiệu suất phản hồi. Tùy theo mẫu thiết bị và yêu cầu của dự án, vật liệu dùng cho cảm biến và vỏ bọc có thể bao gồm ABS, PVC, PVDF, PTFE, nhựa kỹ thuật hoặc hợp kim nhôm.

Trong các trường hợp dự kiến có sự hiện diện của khí ăn mòn, tia bắn hóa chất hoặc tiếp xúc lâu dài với môi trường ngoài trời, vật liệu cần được lựa chọn dựa trên thành phần hóa học, nồng độ và nhiệt độ vận hành. Đối với các ứng dụng trong khu vực có nguy cơ, cần sử dụng phiên bản được chứng nhận phù hợp để chống nổ; chỉ riêng chỉ số bảo vệ IP của vỏ bọc tiêu chuẩn không đảm bảo tính phù hợp với môi trường có nguy cơ nổ.

– Phiên bản 5.Độ bảo vệ, Áp suất quy trình và Lắp đặt ngoài trời

Các thiết bị truyền tín hiệu mức bằng sóng siêu âm thường được sử dụng trong các bồn chứa ở điều kiện khí quyển hoặc gần khí quyển, cũng như các bồn và silo. Một số mẫu thiết bị công nghiệp có thể chịu được áp suất dương ở mức giới hạn, ví dụ khoảng 0,1 MPa; tuy nhiên, áp suất quy trình được phép sử dụng thực tế luôn cần được xác nhận cụ thể từ tài liệu kỹ thuật của từng sản phẩm.

Đối với các sản phẩm kiểu chia tách, một số đầu dò có thể đạt cấp độ bảo vệ IP68, trong khi bộ truyền tín hiệu điện tử có thể sử dụng vỏ bọc đạt cấp độ IP65 hoặc IP66. Chỉ số IP thể hiện khả năng chống bụi và ngăn nước xâm nhập; tuy nhiên, chỉ số này không nên được hiểu một cách tự động là sự chấp thuận cho việc ngâm vĩnh viễn, rửa dưới áp suất cao hoặc sử dụng trong môi trường có nguy cơ.

6. Việc lắp đặt đúng cách là yếu tố then chốt đảm bảo độ ổn định trong thời gian dài.

Vị trí của cảm biến có ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu phản hồi. Bộ chuyển đổi nên được đặt sao cho mặt hướng về bề mặt vật liệu trung bình một cách trực tiếp nhất có thể, đồng thời cần được đặt cách xa các luồng chất lỏng đang được nạp, các thiết bị khuấy trộn, cuộn dây gia nhiệt, các bậc thang, dầm kết cấu và thành bình – những bộ phận này có thể tạo ra các tín hiệu phản hồi không mong muốn. Đối với vật liệu rắn dạng khối, cần xem xét cả kiểu thức nạp liệu lẫn góc nghỉ dự kiến của vật liệu.

Sau khi bộ chuyển đổi siêu âm phát ra một xung, sẽ xuất hiện một vùng ngắn mà trong đó không thể phát hiện được các tín hiệu phản hồi đáng tin cậy. Vùng này thường được gọi là khoảng cách chặn hoặc vùng chết. Tùy theo mẫu thiết bị và phạm vi đo, khoảng cách chặn điển hình có thể dao động từ khoảng 0,25 đến 1,2 m hoặc lớn hơn. Do đó, nồng độ vật liệu cao nhất được dự kiến phải nằm ngoài vùng này.

Các cáp nguồn, cáp truyền thông và cáp điện áp cao cần được lắp đặt theo các quy chuẩn EMC trong môi trường công nghiệp. Các mạng RS485 nên sử dụng loại cáp đôi xoắn phù hợp; khi cần thiết, cần áp dụng các biện pháp che chắn, nối đất, đấu nối đầu cuối và bảo vệ chống xung điện phù hợp với độ dài cáp cũng như điều kiện điện môi trường.

7. Vệ sinh và Bảo trì định kỳ

Phương pháp đo mức bằng sóng siêu âm không có bộ phận cơ học chuyển động tiếp xúc trực tiếp với môi trường quy trình, do đó các yêu cầu bảo trì định kỳ thường khá hạn chế. Tuy nhiên, bụi, hơi ngưng tụ, lớp cặn hoặc các chất gây ô nhiễm khác có thể tích tụ trên bề mặt bộ chuyển đổi, dẫn đến giảm lượng năng lượng âm được truyền qua hoặc thu nhận được.

Tần suất kiểm tra cần được xác định dựa trên điều kiện thực tế tại hiện trường. Trong các trường hợp có dấu hiệu ô nhiễm nhìn thấy được, chu kỳ kiểm tra khoảng từ một đến sáu tháng có thể là phù hợp. Cần kiểm tra bề mặt bộ chuyển đổi, cáp, gioăng, cấu trúc lắp đặt và các điểm nối điện. Việc vệ sinh thường nên sử dụng khăn mềm, nước sạch hoặc dung dịch làm sạch đã được xác nhận là tương thích với vật liệu của cảm biến; cần tránh sử dụng dụng cụ mài mòn và các dung môi có tính ăn mòn chưa được kiểm chứng.

– 8. Cài đặt hồi âm, bù nhiệt độ và các đầu ra tín hiệu

Sau khi lắp đặt, thiết bị cần được cấu hình phù hợp với tàu hoặc silo thực tế. Các thiết lập quan trọng bao gồm điểm gốc, điểm thang đo đầy đủ, khoảng cách chặn, thời gian phản hồi và các tham số nhận diện hồi âm. Trong trường hợp các cấu trúc cố định gây nhiễu, có thể áp dụng kỹ thuật triệt tiêu hồi âm giả nhằm giảm thiểu ảnh hưởng từ các phản xạ cố định đã biết. Việc bù nhiệt cũng cần được kiểm tra trong toàn bộ phạm vi vận hành dự kiến.

Tùy theo mô hình được lựa chọn, các tùy chọn đầu ra có thể bao gồm tín hiệu 4-20mA, RS485 Modbus RTU và cảnh báo qua rơ le; trong khi HART có thể được hỗ trợ trên một số phiên bản được chọn. Đầu ra 4-20mA có thể biểu thị mức độ, khoảng cách hoặc độ rỗng, trong khi RS485 Modbus RTU có thể cung cấp các giá trị quá trình dạng kỹ thuật số và thông tin trạng thái nhằm tích hợp với các hệ thống PLC, RTU, DCS, SCADA cũng như các cổng công nghiệp.

Một số mô hình cũng cho phép thiết lập phản hồi cụ thể khi xảy ra lỗi đo lường, ví dụ như giữ lại giá trị hợp lệ cuối cùng hoặc chuyển sang đầu ra lỗi đã được thiết lập trước. Hành vi xử lý lỗi cụ thể và giá trị hiện tại cần được cấu hình phù hợp với hướng dẫn sử dụng thiết bị và các yêu cầu của hệ thống điều khiển.

9. Các thông số kỹ thuật điển hình

Các giá trị sau đây thể hiện các cấu hình kỹ thuật điển hình hiện có trên các thiết bị đo mức siêu âm công nghiệp, nhằm phục vụ việc lựa chọn ban đầu. GB/T 38615-2020 là tiêu chuẩn quốc gia của Trung Quốc về thiết bị đo mức siêu âm. Các thông số kỹ thuật cụ thể của METRAVON, các tiêu chuẩn áp dụng và chứng nhận liên quan cần được xác nhận từ bảng thông số kỹ thuật của mẫu thiết bị đã chọn.

Câu hỏi thường gặp

Q1: Nhiệt độ ảnh hưởng như thế nào đến việc đo mức bằng sóng siêu âm?

A1: Tốc độ âm thanh trong không khí thay đổi theo nhiệt độ, do đó sự biến thiên về nhiệt độ sẽ làm thay đổi mối quan hệ giữa thời gian truyền của tiếng vang và khoảng cách. Các mô hình có chức năng bù nhiệt độ sẽ hiệu chỉnh phép tính tốc độ âm thanh nhằm giảm thiểu sai số này.

Q2: Các thiết bị truyền tín hiệu mức độ siêu âm có thể hoạt động trong môi trường nhiều bụi hoặc có hơi nước không?

A2: Độ phù hợp phụ thuộc vào nồng độ bụi, mức độ hơi nước, phạm vi đo và cường độ tín hiệu phản hồi có sẵn. Việc xử lý tín hiệu phản hồi, lắp đặt đúng quy cách và sử dụng các cấu trúc bảo vệ phù hợp có thể nâng cao độ tin cậy; tuy nhiên, nếu môi trường có lượng bụi lớn hoặc hơi nước chảy liên tục với cường độ cao, phạm vi hoạt động có thể bị suy giảm đáng kể.

Q3: Những yêu cầu lắp đặt quan trọng nhất là gì?

A3: Cảm biến phải hướng về phía bề mặt vật liệu trung bình, tránh tiếp xúc trực tiếp với các dòng chất lỏng hoặc các vật cản nội bộ lớn, duy trì khoảng cách ngăn chặn theo quy định và được lắp đặt trên một cấu trúc có độ ổn định cơ học cao.

Q4: Cần thực hiện những công tác bảo trì định kỳ nào?

A4: Kiểm tra bề mặt bộ chuyển đổi, cáp, gioăng, cấu trúc lắp đặt và các kết nối điện. Trong trường hợp có bụi, hơi ngưng tụ hoặc cặn bám, cần xác định chu kỳ vệ sinh phù hợp dựa trên mức độ ô nhiễm thực tế.

Q5: Có những đầu ra và giao diện truyền thông nào được cung cấp?

A5: Tùy theo mẫu thiết bị, các đầu ra có thể bao gồm 4-20mA và RS485 Modbus RTU; một số phiên bản được chọn cũng có thể cung cấp đầu ra HART hoặc đầu ra rơ le nhằm tích hợp với PLC, RTU, DCS, SCADA hoặc các cổng công nghiệp.

Q6: Tiêu chuẩn IP68 có nghĩa là toàn bộ thiết bị có thể được ngâm dưới nước một cách vĩnh viễn không?

A6: Không nhất thiết. Với thiết bị kiểu chia tách, đầu dò có thể đạt cấp độ bảo vệ IP68 trong khi bộ phận điện tử chỉ đạt IP65 hoặc IP66. Các điều kiện phơi nhiễm được phép áp dụng cần được xác nhận riêng biệt cho từng thành phần.

Q7: Cần chọn phạm vi đo như thế nào?

A7: Chọn phạm vi đo dựa trên khoảng cách tối đa từ cảm biến đến mức thấp nhất được dự kiến, đồng thời tính đến khoảng cách che chắn, độ an toàn kỹ thuật và cường độ tín hiệu phản hồi.Đối với vật liệu rắn dạng khối, cũng cần xem xét đến bụi, góc bề mặt và hiện tượng tán xạ.

Q8: Cần kiểm tra những yếu tố nào nếu giá trị đo được trở nên không ổn định theo thời gian?

A8: Kiểm tra mức độ nhiễm bẩn của đầu chuyển đổi, độ ổn định khi lắp đặt, các vật cản cố định, sự biến thiên nhiệt độ, hiện tượng hồi âm giả, cường độ tín hiệu, nguồn cấp điện và hệ thống dây dẫn truyền thông. Có thể cần thực hiện quá trình học hồi âm hoặc xác minh các thông số.

Q9: Các thiết bị truyền tín hiệu siêu âm đo mức có thể được sử dụng cho giám sát từ xa không?

A9: Có.Tín hiệu 4-20mA có thể được kết nối với PLC hoặc RTU từ xa, trong khi giao thức RS485 Modbus RTU có thể cung cấp dữ liệu số tới cổng công nghiệp dùng cho Ethernet, mạng di động hoặc các phương thức truyền thông từ xa khác.

Q10: Điểm khác biệt chính giữa đo lường chất lỏng và đo lường chất rắn dạng khối là gì?

A10: Các chất lỏng thường tạo ra bề mặt phản xạ tương đối ổn định. Các chất rắn dạng khối có thể tạo thành bề mặt nghiêng, gây ra hiện tượng tán xạ ánh sáng và sinh ra bụi, do đó thường đòi hỏi độ an toàn đo lường cao hơn và việc đặt vị trí cảm biến cần được thực hiện một cách cẩn trọng hơn. Thiết bị đo mức radar

Tính ổn định trong việc đo mức bằng sóng siêu âm trong thời gian dài phụ thuộc vào việc bù nhiệt độ, chất lượng tín hiệu phản hồi, vị trí lắp đặt, độ bảo vệ của vỏ bọc và tình trạng bảo trì. Những yếu tố như biến thiên nhiệt độ, hơi nước, hiện tượng ngưng tụ, bụi, bọt khí và bề mặt sản phẩm không đồng đều đều có thể ảnh hưởng đến sự lan truyền hoặc phản xạ của sóng siêu âm; do đó, phạm vi đo và cấu hình cảm biến cần được lựa chọn phù hợp với điều kiện thực tế của quy trình sản xuất.

METRAVON Các bộ truyền tín hiệu mức siêu âm có thể được cấu hình với dải tín hiệu 4-20mA, RS485 Modbus RTU và các giao diện tùy chọn khác nhằm tích hợp với PLC s, RTU, DCS,SCADA cũng như các hệ thống giám sát từ xa. Việc lựa chọn phù hợp, lắp đặt đúng cách và kiểm tra định kỳ sẽ giúp duy trì độ ổn định của dữ liệu mức, đồng thời cung cấp một giao diện tương thích và có khả năng mở rộng cho việc mở rộng hệ thống tự động hóa trong tương lai.