معرفی
سنسورهای سطح اولتراسونیک، سنسورهایی هستند که از ویژگی‌های انتشار امواج اولتراسونیک برای محاسبه ارتفاع سطح مایع استفاده می‌کنند. این کار با اندازه‌گیری زمان لازم برای بازتاب پالس اولتراسونیک ارسال شده از سطح مایع انجام می‌شود. سنسور پالس‌های اولتراسونیک را ارسال می‌کند و زمانی که به سطح مایع می‌رسند بازتاب می‌شوند. سنسور پالس‌های بازتاب‌شده را دریافت کرده و بر اساس زمان انتشار پالس و سرعت صوت، ارتفاع سطح مایع را محاسبه می‌کند. پالس‌های اولتراسونیک معمولاً دارای فرکانسی بین 20 کیلوهرتز تا 100 کیلوهرتز و طول موجی بین 1 تا 10 سانتی‌متر هستند.
مزایای سنسورهای اولتراسونیک
- عدم تماس مستقیم و غیرتهاجمی بودن: برخی نمونه‌های سنسور اولتراسونیک با مایع تماس مستقیم ندارد و به همین دلیل جریان مایع را مختل نمی‌کند. این ویژگی به‌ویژه برای اندازه‌گیری مایعاتی که به‌راحتی آلودگی پیدا می‌کنند یا حاوی ذرات جامد هستند، بسیار مفید است.
- قابلیت اطمینان بالا: سنسورهای اولتراسونیک تحت تأثیر آلودگی‌های مایع قرار نمی‌گیرند و به همین دلیل از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار هستند. این مزیت به‌ویژه برای اندازه‌گیری مایعاتی که در محیط‌های سخت و چالش‌برانگیز قرار دارند، اهمیت زیادی دارد.
- دامنه اندازه‌گیری وسیع: سنسورهای اولتراسونیک قادرند عمق یا ارتفاع مایعات را در محدوده‌ای تا چندین ده متر اندازه‌گیری کنند. این ویژگی برای اندازه‌گیری سطح مایعات در مخازن بزرگ بسیار مناسب و کارآمد است.
اجزا سنسور سطح اولتراسونیک
سنسور سطح اولتراسونیک از اجزای زیر تشکیل شده است:
- فرستنده: برای ارسال پالس‌های اولتراسونیک
- گیرنده: برای دریافت موج بازتابی پالس اولتراسونیک
- پردازشگر سیگنال: برای محاسبه ارتفاع سطح مایع
انواع مختلف سنسورهای سطح اولتراسونیک
سنسورهای سطح اولتراسونیک از دیدگاه تعداد فرستنده و گیرنده به دو نوع زیر تقسیم می‌شوند:
- نوع فرستنده و گیرنده تکی: این نوع سنسور تنها یک فرستنده و یک گیرنده دارد. فرستنده پالس‌های اولتراسونیک ارسال می‌کند و گیرنده امواج بازتابی پالس‌ها را دریافت می‌کند. بر اساس زمان انتشار پالس و سرعت صوت، ارتفاع سطح مایع محاسبه می‌شود. این نوع سنسور ساختار ساده و هزینه کمتری دارد. اما دقت اندازه‌گیری آن کمتر است و بیشتر تحت تأثیر نوسانات مایع قرار می‌گیرد.
- نوع چند فرستنده و چند گیرنده: این نوع سنسور دارای چندین فرستنده و گیرنده است. فرستنده‌ها به ترتیب پالس‌های اولتراسونیک را ارسال کرده و گیرنده‌ها نیز امواج بازتابی پالس‌ها را به ترتیب دریافت می‌کنند. بر اساس زمان انتشار پالس‌ها و سرعت صوت، ارتفاع سطح مایع محاسبه می‌شود. این نوع سنسورها دقت اندازه‌گیری بالاتری دارند و کمتر تحت تأثیر نوسانات سطح مایع قرار می‌گیرند. با این حال، ساختار پیچیده‌تر و هزینه بالاتری دارند.
همچنین سنسورهای سطح اولتراسونیک با توجه به اصل اندازه‌گیری و ویژگی‌های ساختاری به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:
- سنسور سطح اولتراسونیک غیرتماسی: این نوع سنسور بدون تماس مستقیم با مایع، ارتفاع سطح مایع را با اندازه‌گیری زمان انتشار امواج اولتراسونیک تعیین می‌کند. مزایای این سنسور شامل غیرتماسی بودن، غیرتهاجمی بودن و قابلیت اطمینان بالا است.
- سنسور سطح اولتراسونیک تماسی: در این نوع سنسور، پروب سنسور به‌طور مستقیم با سطح مایع تماس دارد و با اندازه‌گیری زمان انتشار امواج اولتراسونیک در مایع، ارتفاع سطح مایع را تعیین می‌کند. سنسورهای تماسی را می‌توان بر اساس شکل پروب آن‌ها به دو دسته زیر تقسیم کرد:
- نوع پروب استوانه‌ای: این نوع پروب دامنه اندازه‌گیری بالایی دارد و برای اندازه‌گیری سطح مایع در مخازن بزرگ مناسب است.
- نوع پروب صفحه‌ای: این نوع پروب دقت اندازه‌گیری بالایی دارد و برای اندازه‌گیری سطح مایع در ظروف کوچک مناسب است.
انتخاب نوع سنسور سطح اولتراسونیک
برای انتخاب سنسور مناسب، باید به عوامل زیر توجه کرد:
دامنه اندازه‌گیری: برای اندازه‌گیری سطح مایع در مخازن بزرگ باید سنسوری با دامنه اندازه‌گیری بزرگ انتخاب کنید؛ در حالی که برای مخازن کوچک، سنسوری با دامنه کمتر مناسب است.
دقت اندازه‌گیری: دقت سنسور به عملکرد فرستنده و گیرنده بستگی دارد. در کاربردهای حساس لازم است سنسورهای با دقت بالا انتخاب شوند.
شرایط محیطی: محیط کاری سنسور بر عملکرد آن تأثیر می‌گذارد. برای محیط‌های سخت باید سنسورهایی با قابلیت اطمینان بالا انتخاب شوند.
کاربرد
صنایع تولیدی
در صنعت تولید، سنسورهای سطح اولتراسونیک در موارد زیر کاربرد دارند:
- نظارت و کنترل سطح مایع در مخازن، تانک‌ها، لوله‌ها و سایر ظروف
- اندازه‌گیری جریان مایع در خطوط تولید
- تحلیل ترکیبات مایعات در صنایع شیمیایی و متالورژی
به‌عنوان مثال، در صنایع نفت و شیمیایی، از سنسورهای سطح اولتراسونیک برای اندازه‌گیری سطح مایعات در مخازن و راکتورهای شیمیایی استفاده می‌شود تا ایمنی تولید تضمین گردد. همچنین در صنعت خودروسازی، این سنسورها می‌توانند برای اندازه‌گیری جریان مایعات در خطوط تولید به‌کار گرفته شوند و به افزایش بهره‌وری تولید کمک کنند.
صنعت تصفیه آب
در صنعت تصفیه آب، کاربردهای سنسورهای سطح اولتراسونیک شامل موارد زیر می‌باشد:
- اندازه‌گیری غلظت لجن در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب
- نظارت بر سطح مایعات در مخازن، آبگیرها و سایر منابع آب
- اندازه‌گیری جریان مایعات در سیستم‌های تصفیه آب شرب
به‌عنوان مثال، در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب، از سنسورهای سطح اولتراسونیک برای اندازه‌گیری غلظت لجن استفاده می‌شود تا اثر تصفیه لجن کنترل شود. همچنین، نظارت بر سطح مایعات در مخازن و منابع آب مانند آبگیرها جهت تضمین ایمنی تأمین آب از دیگر کاربردهای این سنسورها است.
کشاورزی
در کشاورزی، کاربردهای سنسورهای سطح اولتراسونیک شامل موارد زیر می‌باشد:
- نظارت بر سطح مایع در سیستم‌های آبیاری کشاورزی
- تأمین مایعات خوراک در صنعت دامداری
- نظارت بر سطح آب در صنعت آبزی‌پروری
به‌عنوان مثال، در سیستم‌های آبیاری مزارع، از این سنسورها برای نظارت بر سطح مایعات استفاده می‌شود تا اطمینان حاصل شود که آب به‌طور یکنواخت تأمین می‌شود. همچنین در صنعت دامداری، سنسورهای سطح اولتراسونیک می‌توانند برای تأمین مایعات خوراک به‌کار گرفته شوند تا بهره‌وری مصرف خوراک بهبود یابد.
محدودیت‌های سنسورهای سطح اولتراسونیک
- گرد و غبار، کف و بخار: ذرات معلق در هوا مانند گرد و غبار و حباب‌ها می‌توانند امواج صوتی را جذب یا پراکنده کنند و در نتیجه به قرائت‌های نادرست یا غیرمعتبر منجر شوند. مایعات کف‌دار نیز چالش‌های مشابهی را به وجود می‌آورند، در حالی که بخارهای غلیظ برخی از مواد شیمیایی می‌توانند سیگنال را به طور کامل مسدود کنند.
- تغییرات دما و فشار: دماهای شدید و نوسانات فشار می‌توانند بر سرعت صوت تأثیر بگذارند و دقت اندازه‌گیری فاصله را تحت تأثیر قرار دهند. این موضوع به‌خصوص در کاربردهای بیرونی با تغییرات قابل توجه جوی مهم است.
- مایعات متلاطم و شرایط سطح: مایعات متلاطم و سطوح ناهموار می‌توانند موجب انعکاس امواج صوتی در زوایای مختلف شوند و شناسایی سطح واقعی را دشوار کنند. همزن‌ها، امواج و حتی باد بر روی سطح مایع می‌توانند قرائت‌ها را پیچیده‌تر کنند.
- ملاحظات نصب: هم‌راستایی سنسور و فاصله از مواد هدف برای قرائت‌های دقیق بسیار مهم است. هندسه‌های غیرقابل دسترس یا نامناسب مخازن می‌توانند این جنبه‌ها را چالش‌برانگیز کنند.
نتیجه گیری
سنسورهای سطح اولتراسونیک به‌عنوان یک عنصر کلیدی در صنعت مدرن با اندازه‌گیری غیرمستقیم، دقت بالا و قابلیت‌های وسیع، تبدیل شده‌اند. این سنسورها با توانایی نظارت دقیق بر فاصله و سطح مایعات یا جامدات، به بهبود بهره‌وری و ایمنی کمک کرده و نقش مهمی در بسیاری از زمینه‌ها مانند تولید، پزشکی و حفاظت از محیط‌زیست ایفا می‌کنند و پشتیبانی مهمی برای فرآیندهای خودکار و نوآوری‌های فناوری فراهم می‌آورند.