در اندازه گیری سطح در مواردی که تماس با سطح سیال امکان پذیر نباشد، استفاده از ترانسمیترهای التراسونیک میتواند گزینه مناسبی باشد.
اساس عملکرد:
سنسورهای التراسونیک براساس ارسال موج صوتی در مسیر سطح و اندازه گیری زمان سپری شده برای بازگشت ان کار میکنند. از انجا که سرعت صوت مشخص است بااندازه گیری زمان رفت و برگشت میتوان فاصله را محاسبه کرد.
در اندازه گیری نوع التراسونیک معمولا فاصله بین محتویات مخزن و بالای ان مورد اندازه گیری قرار میگیرد. ارتفاع از کف مخزن از اختلاف بین این اطلاعات و ارتفاع کل مخزن محاسبه می شود. درصورتیکه سیال مایع باشد سیستمهایی وجود دارند که توانایی اندازه گیری ارتفاع از کف مخزن را نیز دارند.
پالس موج صدای اولیه با فرکانسی بین 5 تا40 کیلو هرتز انتقال میبابد، که البته به نوع مبدل نیز بستگی دارد. سنسور مبدل شامل یک یا چند کریستال پیزوالکتریک برای فرستادن و دریافت سیگنال صدا است. هنگامی که انرژی الکتریکی به کریستال های پیزوالکتریک اعمال میشود، انها شروع به حرکت کرده و تولید سیگنال صوت میکنند. در هنگام بازگشت موج صوتی نیز جا به جایی موج صوتی بازگشتی یک سیگنال اشکار میشود. زمان رفت و بازگشت به عنوان زمان بین ارسال و بازگشت سیگنال اندازه گیری میشود.
سیلاتی که بااین روش سطح انها اندازه گیری میشود باید قابلیت بازتابش امواج را به خوبی داشته باشد. با فرض انیکه دو محیط متفاوت داشته باشیم هنگام عبور موج صوتی از یک محیط به محیط دیگر مقداری از ان بازتابش شده و برمیگردد و درصدی از ان نیز به ماده دوم نفوذ میکند و دیگر باز نمیگردد.
تطبیق فرکانس خودکار:
برای سنسور تایید کننده موج صوتی معمولا از یک پیزوالکتریک از جنس سرامیک یا پلیمر استفاده میشود. این پیزو با نوشان در فرکانس تشدید به تولید موج فرا صوتی میپردازد. بهینه ترین فرکانس موج صوتی ارسالی برابر با فرکانس تشدیدی است که وابسته به فرستنده و کاربرد ان است. این فرکانس تشدید وابسته به غبار تشکیل شده غلظت یا حتی تغییر در دما است.
مشخصه های دقیق طراحی این نوع سنسورها به سازنده دستگاه بستگی دارد. بعضی از سازندگان ممکن است در نرخ پالس و توان ارسالی سیگنال با دیگران متفاوت باشد.
به عنوان راهنمایی فرکانس مبدل باید طوری انتخاب شود که طول موج اکوستیک ان حداقل چهاربرابر میانگین قطر ذرات اندازه گیری باشد.
جلوگیری از اکوی جعلی:
اگر چه سنسورهای التراسونیک یسیگنال خوبی برای اندازه گیری سطح تولید میکند،بااین وجو ممکن استسطح های دیگری نیز در داخل مخزن اشکار شوند.موارد دیگری که میتوانند سیگنال بازگشتنی تولید کنند عبارتنداز:ورودی ها، پرتوهای تقویت شده، موانع و درزهای جوشکاری.
برای جلوگیری از خواندن این پرتوها توسط تجهیز و به اشتبا افتادن انها میتوان اطلاعات ناشی از سیگنالها را فیلتر کرد. اگرچه سیگنالها میتوانند از موارد اشاره شده فوق منعکس شده باشند ولی مشخصات این سیگنلها متفاوت است. مهار کردن این پالسهای اشتباه برپایه تقویت استانه اشکارسازی است.
اغلب تولید کنندگان مدلهایی دارند که نقشه مخزن را میکشند و اطلاعات دیجیتالی در حافظه ذخیره میشوند.اطلاعات خوانده شده در صورتی که پاسخ نادرست دریافت شود،تصحیح میشود.
اندازه گیری حجم:
اغلب تجهیزات اندازه گیری فراصوتی مدرن میتوانند حجم را محاسبه کنند.در مواردی که مخزن دارای سطح مقطع ثابت باشد، این کار بسیار ساده است. اگر سطح مقطع متفاوت باشد به دلیل نیاز به شکل هندسی مخزن برای محاسبه حجم اندازه گیری مشکل میشود.یکی از موارد و مشکلات هنگامیکه است که مخزن شکل مخروطی یا مکعبی با تیز شدن نزدیک کف دارد.
بررسی انتخاب:
*فاصله ای که اندازه گیری میشود:
تجهیز التراسونیک باید قادر باشد فاصله مدنظر را پوشش دهد. این موضوع در مشخصات فنی ان درج شده است. توجه شود که مشخصات عمومی مربوط به هوای تمیز و سطح صاف است. دلیل تفاوت در محدوده فاصله واضح است زیرا سیستمی که برای فاصله های کوتاه طراحی شده است برای فاصله های طولانی تر مفید نیست.
به طور مشابه سیستم هایی با توان بالاتر برای فاصله های کوتاه مناسب نیستند زیرا باعث ایجاد سیگنالهای بازگشتنی خیلی بیشتری شده و نویز تولیدی باعث خطا در اندازه گیری میشود. باید توجه کرد که سیستم های جدید دارای گین متغیر خودکار هستند تا مقدار توان لازم را تخمین بزنند. تغیرات دمایی، غبار،کثیفی و میعان صورت گرفته روی سنسور مانع کارکردصحیح تجهیز می شوند.
*سطح مواد:
نیاز اساسی در این نوع سیستم اندازه گیری این است که قسمتی از سیگنال ارسالی از سطح مواد برگردد تا بتوان ان را اندازه گیری کرد.سطوحی با مجزایی بیشتر موجب دقت و اطمینان مقدار بیشتراندازه گیری شده میشوند.
عواملی که باعث از بین رفتن وضوح سطوح میشوند عبارتنداز:
*لایه ای از کف و پف در سطح مایع
*خردهای نرم و کوچک روی مواد اولیه حجیم
*ابر غباری تولید شده در اثر انتقال کانه و سنگ معدن.
درمورد مایعات انتخاب هایی وجود دارند که امکان اندازه گیری از کف مخزن را مهیا میسازند، البته در این حالت نیاز به نصب تجهیزی مکانیکی است تا کف و پف را از بین ببرد. در مواردی که جا به جایی مواد جامد وجود دارد و ممکن است ابرهای تولیدی انها ایجاد مشکل کند میتوان از روش استخراج گرد و غبار یا انتظار برای نشست استفاده کرد. وجود ناچیز وضعیت های فوق عموما تاثیری در اندازه گیری نمیگذارد.
*اوضاع محیطی:
از انجایی که سیگنال فراصوتی باید از هوا عبور کند، باید وضعیت و فاکتورهایی مثل غبار،بخار، فشار، دما و گاز بررسی شود.
*نویزهای صوتی:
شکل رایج نویز صوتی هنگام تخلیه سنگ معدن از کامین یا بارکش به مخازن و قیف ایجاد میشود. نویز تولید شده از انتخاب کانیها میتواند برسیگنال بزگشتنی تاثیرگذاشته و کیفیت ان را کاهش دهد.
*فشار:
عموما سیستم های اندازه گیری فراصئتی تحت تاثیر فشار قرار نمیگیرند. محدودیت های این حالت بخاطر محدودیت های مکانیکی تجهیزات در توانایی ارسال انرژی صوتی است. یک محدودیت در مخازن تحت فشار این است که به دلیل بسته بودن کامل انها امکان ایجاد مشکل در اثر انعکاس های چند دفعه ای موج وجود دارد.
*دما:
تغییرات دما برسرعت موج صوتی و درنتیجه در زمان رفت و برگشت ان موثر است. در این حالت استفاده از سنسور دما امکان تصحیح خطا را میسر میسازد. اشتبا درمواردی رخ میدهد که در فاصله اندازه گیری شده گرادیان دما متغیر باشد.
کاربرد تجهیزات فراصوتی با دمای 170 درجه با رفع محدودیت های اعمالی در ساخت بدنه مبدل امکان پذیر است.
توصیه اصلی در مورد اندازه گیری با تکنولوژی فراصوتی بررسی استفاده از سنسورهای مجزای دما است. به خصوص در مواردی که تغیرات زیاد دما باعث تغییر دمای مایعات از گرم به داغ میشود.
*گاز:
این نوع اندازه گیری به سرعت صوت وابسته است.سرعت صوت فقط با تغییر دما تغییر نمیکند بلکه با تغییر در محیط انتقال و واسطها نیز تغییر میکند.بنابراین سرعت صوت در گازها و بخارهای مختلف متفاوت است.
*نصب:
از انجایی تجهیز فراصوتی برای اندازه گیری سطح استفاده میشود باید مسیر اندازه گیری مسدود نباشد تا اطمینان حاصل شود که سیگنال بازگشتی نشان دهنده سطح واقعی است. باید سطح کف مخزن دارای زاویه ای باشد که سیگنال بازگشتی از ان مستقیما به فرستنده برگردد، در این صورت اندازه گیری صحیح است. اگر زاویه کف مخزن به صورتی باشد که سیگنال بازگشتی پس از چندین برخورد با دیواره به سمت تجهیز اندازه گیری شده اشتباه است.
پرتوی فراصوتی نمیتواند باریک باشد اما میتوان از مخروطی های کانونی کننده استفاده شود.
تمام سنسورها دارای ناحیه مرده یا فاصله خالی هستند که در این ناحیه نمیتوانند هیچ موج صوتی را حس کنند. این فاصله مطابق با طول موج سیگنال فرستاده شده است و این کار مانع از اشکار شدن سیگنال ارسالی به عنوان سیگنال بازگشتی میشود.
*خود تمیز کننده:
در مواردی که امکان ترشح و لکه دارشدن وجود دارد پروبهای خود تمیزکننده لازم است. در این حالت مایع یا غبار در تماس با سطح فعال مبدل اصطلاحا اتمیزه میشود و به ذرات بسیار ریزی تبدیل میشود.
این ویژگی، پروبهای خود تمیز کننده را نسبت به جمع شدن مواد مقاوم کرده و باعث کاهش نیاز به فعالیت های تعمیر و نگه داری میشود.
تکنیک های نصب:
اگر در هنگام اندازه گیری در هوا غبار وجود داشته باشد سیگنال ارسالی تغصیف زیادی داشته و بخش اشکار کننده در مشخص کردن ارتفاع و سطح دچار مشکل میشود. توان سیگنال و فرکانس ان دو عنصر اصلی سیگنال فراصوتی میباشد اگرچه فرکانس های پایین تر صوتی کمتر به وسیله غبار تضعیف میشوند. ولی باعث ایجاد طنین و پیچیدن داخل مخزن شده و اکوی تولیدی انها کوچک میشود.
یک راه حل در اندازه گیری سطح در این نوع فرایند استفاده از سیگنال فرکانس بالا با قدرت اکوستیک بالا است.
یک راه حل رایج برای رفع مشکلات سنسور فراصوتی جابه جایی موقعیت ان میباشد.
مزایا
*نداشتن تماس با مواد
*مناسب برای طیف وسیعی از مایعات و مواد توده ای
*کارایی قابل اطمینان در سرویس های سخت
*نداشتن قسمت متحرک
*اندازه گیری بدون تماس فیزیکی
*قرار نگرفتن تحت تاثیر چگالی، رطوبت و رسانایی
*دقت 0.25 درصد با تخمین دما و خوده کالیبره کردن.
معایب
*مواد باید به خوبی موج صوتی را بازگرداند و جاذب ان نباشد
*مواد باید لایه ای کاملا مجزا برای اندازه گیری داشته باشد و این لایه نباید شامل کف، پف یا قلق کردن سیال باشد.
*برای فشارهای بالا و خلا مناسب نیستند
*به کابلهای مخصوص بین مبدل و تجهیزات الکترونیکی نیاز است.
*دما به 170 درجه محدود است.