سطح سنج اولتراسونیک چیست؟

در زبان انگلیسی، به طور معمول به صدایی که می‌شنویم سونیک (Sonic) می‌گویند. به همین ترتیب، اولتراسونیک (Ultrasonic) صدایی با فرکانس بالاتر از محدوده شنوایی انسان است. انسان حداکثر می‌تواند تا فرکانس 20 کیلوهرتز را بشنود، بنابراین فرکانس آلتراسونیک بالای 20 کیلوهرتز است. اما همین امواج غیرقابل ردیابی توسط گوش‌های ما، در صنعت اندازه گیری دقیق کاربردهای گسترده‌ای دارند. یکی از این کاربردها، برای اندازه گیری سطح مایعات است. در واقع امواج التراسونیک برای اندازه گیری سطح مایعات و اجسام جامد در صنایع استفاده می‌شوند. اندازه گیری سطح به روش آلتراسونیک بدون هیچ نوع تماس فیزیکی انجام می‌شود و برای اندازه گیری سطح مایعات داغ، خورنده و در حال جوش مناسب است. محدوده فرکانس معمولی مورد استفاده برای اندازه گیری سطح اولتراسونیک در محدوده 40 تا 200 کیلوهرتز است. اکنون بیایید ببینیم سطح سنج اولتراسونیک چیست و چه اصولی دارد؟

اصول اولیه کارکرد سطح سنج اولتراسونیک چیست؟

امواج آلتراسونیک یک شی را به همان روشی که رادارها انجام می‌دهند، شناسایی می‌کنند. تنها تفاوت این دو روش در این است که اولتراسونیک از امواج صوتی و رادار از امواج رادیویی استفاده می‌کند. هنگامی که سیگنال پالس اولتراسونیک به سمت یک شی ارسال شده و با آن برخورد می‌کند، توسط جسم منعکس می‌شود و این “اکو” به فرستنده باز می‌گردد. سپس زمان طی شده توسط پالس التراسونیک توسط دستگاه مادر محاسبه شده و فاصله جسم پیدا می‌شود. در طبعیت، خفاش‌ها شناخته شده‌ترین حیواناتی هستند که برای اندازه گیری فاصله در حین سفر از این روش استفاده می‌کنند. همچنین، ماهی‌ها برای یافتن موقعیت خود در اقیانوس، زیردریایی‌ها در زیر سطح آب، و غواص‌ها در دریا هم به نوعی از اصل سطح سنج اولتراسونیک برای یافتن فاصله خود با سایر اجسام استفاده می‌کنند.

اما در صنعت اندازه گیری دقیق، با استفاده از شکل بالا تلاش می‌کنیم تا نکات فنی فرستنده سطح اولتراسونیک (ultrasonic level transmitter) را درک کنیم. یک ترنسمیتر سطح اولتراسونیک در بالای یک مخزن که نیمی از آن پر از مایع است ثابت می‌شود. سطح مرجع برای همه اندازه گیری‌ها کف مخزن است. سطحی که باید تشخیص داده شود به عنوان “C” مشخص می‌شود و “B” فاصله سنسور اولتراسونیک از سطح مایع است. سیگنال‌های پالس اولتراسونیک از فرستنده ارسال می‌شوند و پس از برخورد به هدف، به سنسور منعکس می‌شوند. سپس زمان سفر پالس اولتراسونیک از سنسور به هدف و سپس برگشت آن محاسبه می‌شود. سطح “C” را می‌توان با ضرب نصف این زمان در سرعت صوت در هوا پیدا کرد (زیرا هم مسیر رفت و هم برگشت پالس در زمان به دست آمده وجود دارند). نتیجه نهایی می‌تواند با واحد اندازه گیری سانتی متر، فوت، اینچ و غیره بیان شود.
⦁ سطح = سرعت صدا در هوا x تاخیر زمانی تقسیم بر دو

مشکلات طراحی سیستم سطح سنج اولتراسونیک

اصل اندازه گیری فوق فقط در تئوری کاملاً ساده و درست به نظر می‌رسد! اما در عمل، برخی از مشکلات فنی وجود دارند که باید برای به دست آوردن سطح صحیح مورد توجه قرار گیرند:
⦁ سرعت صوت به دلیل تغییر دمای هوا تغییر می‌کند. بنابراین از یک سنسور دمای یکپارچه (integrated temperature sensor) برای جبران تغییرات سرعت صوت به دلیل تغییرات دما استفاده می‌شود.
⦁ در این روش، برخی از اکوهای تداخلی توسط لبه‌ها و اتصالات جوش داده شده و غیره ایجاد می‌شوند. این تداخلات باید توسط نرم افزار ترنسمیتر به خوبی تجزیه و تحلیل شوند. به این کار مهار اکو تداخلی (interference echo suppression) می‌گویند.
⦁ کالیبراسیون فرستنده بسیار مهم است و دقت اندازه گیری به دقت کالیبراسیون بستگی دارد. فاصله خالی “A” و فاصله اندازه گیری “D” باید به درستی برای درج در کالیبراسیون فرستنده مشخص شوند.
⦁ مشخصه‌های گذرای سنسور، همانگونه که در شکل نشان داده شده است، یک فاصله انسدادی ایجاد می‌کنند. در سطح سنج اولتراسونیک ، دهانه “D” هرگز نباید تا فاصله مسدود کردن (blocking distance) گسترش یابد.

ساختار اصلی یک مبدل (Transducer) آلتراسونیک

سنسور اولتراسونیک قلب یک ابزار سطح سنج اولتراسونیک است. این حسگر انرژی الکتریکی را به امواج اولتراسوند تبدیل می‌کند که برای این فرآیند تبدیل، از کریستال‌های پیزوالکتریک استفاده می‌شود. وقتی در فرکانس‌های بالا انرژی الکتریکی به کریستال‌های پیزوالکتریک اعمال می‌شود، این کریستال‌ها شروع به نوسان می‌کنند. البته برعکس آن هم درست است، یعنی این کریستال‌های پیزوالکتریک سیگنال‌های الکتریکی را هنگام دریافت اولتراسوند تولید می‌کنند. این حسگرها قادر به ارسال اولتراسوند به یک جسم و دریافت پژواک ایجاد شده توسط آن جسم هستند. این پژواک یا اکو برای پردازش بعدی توسط مدار کنترل به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. پس در واقع به طور خلاصه، ابتدا با دریافت انرژی الکتریکی، کریستال‌ها با نوسان خود امواج آلتراسوند تولید می‌کنند و سنسور آن را به سمت هدف می‌فرستد، سپس امواج آلتراسوند بازگشتی به سنسور برگشته و در آنجا برای پردازش به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شوند.

بلوک دیاگرام عملکردی یک فرستنده سطح اولتراسونیک معمولی:

برای روشن شدن ساختار فیزیکی یک ترنسمیتر سطح اولتراسونیک (Ultrasonic Level Transmitter) به نمودار بلوک عملکردی زیر مراجعه می‌کنیم.

یک مدار کنترل مبتنی بر میکروکنترلر تمام فعالیت‌های ترنسمیتر سطح التراسونیک را نظارت می‌کند. دو مدار انتقال پالس وجود دارد، یکی برای پالس فرستنده و دیگری برای پالس گیرنده. پالس تولید شده توسط پالس فرستنده توسط سنسور آلتراسونیک (فرستنده) به پالس‌های اولتراسوند تبدیل می‌شود و به سمت جسمِ هدف ارسال می‌گردد.
این پالس اولتراسوند به عنوان یک پالس اکو به حسگر اولتراسونیک (گیرنده) منعکس می‌شود. گیرنده این پالس التراسونیک را از طریق مولد پالس به یک پالس سیگنال الکتریکی تبدیل می‌کند. زمان سپری شده یا زمان بازتاب توسط شمارنده (counter) اندازه گیری می‌شود. این زمان سپری شده با سطحی که باید اندازه گیری شود، ارتباط دارد. در واقع همانطور که در ابتدای این مطلب گفتیم، این زمان سپری شده توسط مدار کنترل به “سطح” تبدیل می‌شود. یک مدار Timing Generator هم وجود دارد که برای همگام سازی تمام عملکردها در سیستم اندازه گیری سطح آلتراسونیک استفاده می‌شود.
و در نهایت، “سطح” به سیگنال 4-20 میلی آمپر تبدیل می‌شود. 4 میلی آمپر سطح 0٪ و 20 میلی آمپر سطح 100٪ است (شکل 1 را ببینید). این سیگنال خروجی 4-20 میلی آمپری که داده‌های سطح را حمل می‌کند، می‌تواند به ابزارهای کنترل فرآیند به مسافت‌های طولانی منتقل شود.

مزایای سطح سنج اولتراسونیک

ترنسمیتر سطح اولتراسونیک هیچ قسمت متحرکی ندارد و می‌تواند بدون تماس فیزیکی با جسم، سطح را اندازه گیری کند. این مشخصه برای اندازه گیری سطوح در مخازن حاوی مواد شیمیایی خورنده، جوشان و خطرناک مفید است. دقت قرائت سطح سنج اولتراسونیک حتی پس از تغییر در ترکیب شیمیایی یا ثابت دی الکتریک مواد موجود در سیالات فرآیند، بی‌تأثیر باقی می‌ماند.

محدودیت‌های ترانسمیتر سطح اولتراسونیک

ترانسمیترهای سطح اولتراسونیک بهترین دستگاه‌های اندازه گیری سطح موجود در جهان هستند، زیرا اکوی دریافتی از امواج فراصوت از کیفیت قابل قبولی برخوردار است. اما اگر عمق مخزن خیلی زیاد باشد یا سیگنال برگشتی (اکو) جذب یا پراکنده شود، ممکن است عملکرد ترانسمیتر سطح اولتراسونیک دچار مشکل شود. همچنین برای عملکرد دقیق، جسم نباید از نوع جاذب صدا باشد، چون هیچ سیگنالی از سمت آن به ترنسمیتر برنمی‌گردد. سطح سنج اولتراسونیک همچنین برای مخازن دارای دود زیاد یا رطوبت با چگالی بالا نامناسب است.

سخن نهایی
شرکت فراسنج ابزار با سابقه‌ای بیش از 30 سال، شرکت دارای چندین ثبت اختراع در زمینه‌های فلومتر آلتراسونیک، سیستم‌های دریافت و ارسال اطلاعات، ضخامت‌سنج آلتراسونیک و فلومتر کانال‌باز بوده و نیز موفق به کسب نشان دانش‌بنیان شده است. در حال حاضر، سطح سنج اولتراسونیک ساخت فراسنج ابزار یکی از بهترین نمونه‌های موجود در بازار جهان است که با پشتیبانی صد در صدی توسط متخصصان و مهندسان ما به مشتریان عرضه می‌شود. برای اطلاع از مشخصات این محصول و دریافت مشاوره رایگان، از طریق راه‌های ارتباطی موجود در پایین صفحه با ما تماس بگیرید.

منابع:
https://www.coulton.com/beginners_guide_to_ultrasonic_level_transmitters.html
https://www.keyence.co.in/ss/products/sensor/sensorbasics/ultrasonic/info/#:~:text=As%20the%20name%20indicates%2C%20ultrasonic,between%20the%20emission%20and%20reception.