Principio de funcionamiento del medidor de nivel ultrasónico

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Principio de funcionamiento del medidor de nivel ultrasónico: análisis completo desde las características acústicas hasta el cálculo del nivel

¿I. características básicas de la ecografía: ¿ por qué se elige la ecografía?

• Fuerte direccionalidad: la longitud de onda de la onda ultrasónica de alta frecuencia es corta (por ejemplo, la longitud de onda acústica de 20khz es de aproximadamente 1,7 cm, la longitud de onda de 200khz es de aproximadamente 1,7 mm), y el ángulo de divergencia es pequeño cuando se propaga, lo que puede centrarse en la superficie del líquido y reducir la interferencia de reflexión dispersa.

• Dependencia de los medios de comunicación: la ecografía necesita propagarse a través de medios elásticos (como aire, líquido, sólido) y no puede propagarse en el vacío, por lo que su medición depende de los medios de aire.

• Características de reflexión: cuando el ultrasonido entra de un medio a otro (por ejemplo, aire → líquido), se produce un reflejo significativo (la reflectividad puede alcanzar más del 90%) debido a la gran diferencia en la resistencia acústica (densidad media x velocidad del sonido) entre los dos medios, que es la fuente de la señal de eco de la superficie.

• Velocidad de propagación estable: a la presión atmosférica estándar, la velocidad de propagación de la onda ultrasónica en el aire es de unos 340 M / s, y la velocidad es lineal a la temperatura (por cada aumento de la temperatura de 1 ° c, la velocidad del sonido aumenta en unos 0,6 m / s), lo que puede corregir la desviación mediante compensación de temperatura.

2. principio de medición central: proceso completo del método de medición de distancia de eco

1. emisiones ultrasónicas: de señales eléctricas a ondas mecánicas

• Medidor de nivelCircuito de control principal(generalmente un procesador) genera una señal de pulso eléctrico de alta frecuencia (frecuencia de 20 kHz a 200 khz, de acuerdo con la elección del rango: el rango pequeño se utiliza con alta frecuencia, reduciendo la divergencia; Gran alcance con baja frecuencia, menos atenuación), transmitido aSensor (sonda).

• El sensor es el componente central y funciona sobre la base del "efecto piezoeléctrico": los cristales piezoeléctricos (como la cerámica piezoeléctrica) en su interior vibran mecánicamente bajo la excitación de impulsos eléctricos, convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica ultrasónica y emitiéndola direccionalmente a la superficie medida.

2. propagación de ondas sonoras: trayectoria y atenuación en el aire

• La ecografía sale de la sonda y se propaga en línea recta en el aire, y la velocidad de propagación se ve afectada por factores ambientales:

• temperatura: factor de influencia central, como se mencionó anteriormente, la velocidad del sonido cambia significativamente con la temperatura (fórmula: v = 331,4 + 0607 × t, de los cuales t es la temperatura ambiente ℃).

• presión atmosférica: el impacto es menor, se puede ignorar a la presión atmosférica estándar, y solo se necesita ajustar en entornos de baja presión como la meseta.

• humedad: el aumento de la humedad puede hacer que la densidad del aire cambie ligeramente, lo que resulta en una desviación de la velocidad del sonido de alrededor del 0,1%, generalmente insignificante.

• Durante la propagación, la ecografía se atenuará debido a la absorción y dispersión del aire (como polvo y vapor de agua), y cuanto mayor sea el rango y la frecuencia, más obvia será la atenuación (por lo que los medidores de nivel de gran alcance utilizan ondas acústicas de baja frecuencia).

3. reflexión de la superficie: generación de señales de eco

• Cuando el ultrasonido llega a la superficie del líquido, las ondas sonoras ocurren debido a la gran diferencia entre la resistencia acústica del aire (la resistencia acústica del agua es de aproximadamente 415 rayl) y la del líquido (como la del agua es de aproximadamente 1,48 × 10 ⁶ rayl).Reflejo espejo, formando eco.

• Si hay espuma, olas o materia suspendida en la superficie, se producirá una disminución de la reflectividad (la reflectividad de la espuma puede ser tan baja como menos del 30%) y la señal de eco se debilitará, lo que debe optimizarse mediante el ajuste de la ganancia de la sonda o algoritmos de filtrado.

4. recepción de eco: de ondas mecánicas a señales eléctricas

• El eco reflejado es capturado por el mismo sensor (o sensor receptor independiente), y el cristal piezoeléctrico convierte la vibración mecánica en una señal eléctrica débil, que se amplifica y filtra por un preamplificador (eliminando el ruido ambiental) y se transmite al circuito de control principal.

• El circuito de control principal debe distinguir entre "eco efectivo" y "eco de interferencia" (como el reflejo de la pared del recipiente, el reflejo de la burbuja), generalmente de las siguientes maneras:

• ConfiguraciónZona ciega: los ecos dentro de una cierta distancia debajo de la sonda (por ejemplo, 0,3 a 1 m) no se reconocen para evitar la interferencia de reflexión fuerte a corta distancia.

• Análisis de las características del eco: la amplitud y la frecuencia del eco efectivo son consistentes con la onda emitida, mientras que el eco de interferencia suele tener una amplitud baja y una frecuencia desordenada.

5. cálculo del nivel: conversión de la diferencia de tiempo a la altura

• El circuito de control principal registra la diferencia de tiempo entre el "momento de emisión" y el "momento de recepción de eco" de la ecografía (es decirTiempo de transmisión de ida y vuelta t).

• Calcular la distancia vertical de la sonda a la superficie (d): debido a la propagación de ondas acústicas de ida y vuelta, la distancia real de ida y vuelta es la mitad del producto de la velocidad del sonido (v) y el tiempo (t), es decir:

• Calcular la altura real del nivel de líquido (h): si se necesita conocer la altura de instalación de la sonda (h, es decir, la distancia vertical entre la sonda y la parte inferior del recipiente), la altura del nivel de líquido es:

• Finalmente, El medidor de nivel produce los resultados de la medición a través de señales de corriente de 4 a 20 ma, comunicación rs485 o visualización digital.

III. componentes clave: hardware central para garantizar el aterrizaje de los principios

1. Sensor (sonda)

• Ptfe: resistente al ácido y álcali, adecuado para escenarios químicos;

• Acero inoxidable: resistente al desgaste, adecuado para el ambiente de polvo y partículas;

• Polipropileno: ligero y de bajo costo, adecuado para escenarios de agua limpia y aguas residuales.

• Función: realizar la conversión bidireccional de señales eléctricas y ultrasonido, divididas en "todo el cuerpo de transmisión / recepción" (bajo costo, adecuado para la mayoría de los escenarios) y "tipo separado" (fuerte antiinterferencia, adecuado para condiciones de trabajo complejas).

• Material: la superficie de la sonda debe ser resistente a la corrosión ambiental, y los materiales comunes incluyen:

2. Circuito de control principal

• El núcleo es el procesador (como mcu, dsp), que se encarga de generar la señal de transmisión, capturar el tiempo de eco, realizar algoritmos de compensación de temperatura, calcular el nivel de líquido y exportar datos.

• Rendimiento clave: precisión de medición de tiempo (necesidad de alcanzar el nivel nanosegundo, como la precisión de 1ns corresponde a un error de distancia de unos 0,17 mm), capacidad antiinterferencia (a través del blindaje electromagnético, circuito de filtro).

3. Sensor de temperatura

• El Termistor NTC incorporado o sensor pt1000, que monitorea la temperatura ambiente en tiempo real para corregir la velocidad del sonido (v), es el medio central de compensación para garantizar la precisión de la medición (cuando no hay compensación de temperatura, el cambio de temperatura de 10 ° C puede causar un error de ± 3%).

4. Módulo de alimentación y salida

• Fuente de alimentación: por lo general, admite una fuente de alimentación industrial de 24v dc, y algunos modelos son compatibles con 110 a 220V AC.

• Salida: analógico (4 a 20ma), digital (rs485 / modbus), interruptor de relé (para alarmas de nivel alto y bajo), para satisfacer las necesidades de diferentes sistemas de control.

IV. fuentes de error y compensación: tecnologías clave para mejorar la precisión

1. Error de temperatura

• Sin compensación, la desviación de la velocidad del sonido es de unos 6 m / s por cada desviación de 10 ° c, y el error de nivel correspondiente al rango de 10 m puede alcanzar ± 8,8 cm.

• Método de compensación: la temperatura se recoge en tiempo real a través de un sensor de temperatura incorporado y se sustituye por la fórmula de velocidad del sonido (v = 331,4 + 0607 × t) para corregir y controlar el error dentro de ± 0,1%.

2. Error de fluctuación de la superficie

• El temblor severo de la superficie del líquido puede causar inestabilidad en la señal de eco y fluctuación de la diferencia de tiempo (t).

• Método de compensación: utilizar "medición múltiple para tomar el promedio" (como la media de 10 mediciones), establecer el "coeficiente de amortiguación" (retrasar la velocidad de cambio de salida), o combinar el tubo guía de ondas (limitar el rango de fluctuación de la superficie).

3. Error de interferencia ambiental

• Elija una "sonda de alta temperatura" (resistencia a más de 150 ° c) para hacer frente al ambiente de vapor;

• Aumentar la Potencia de la sonda (aumentar la amplitud de las ondas sonoras emitidas) contra la atenuación;

• Instalar escudos de polvo y protección contra salpicaduras para reducir la interferencia física.

• El vapor, el polvo y el fuerte flujo de aire pueden causar dispersión o atenuación de las ondas sonoras, y la señal de eco se debilita o incluso se pierde.

• Formas de optimización:

4. Error de instalación

• La instalación inclinada de la sonda hará que la distancia de medición (d) sea una "distancia oblicua" en lugar de una distancia vertical, lo que producirá una desviación.

• Método de elusión: asegúrese de que la sonda sea vertical a la superficie del líquido (ángulo de inclinación ≤ 3 °) al instalarse y lejos de la pared del recipiente (distancia ≥ 1 / 6 del diámetro del recipiente), reduciendo la interferencia de reflexión de la pared.

V. limitaciones de principio: límites de los escenarios aplicables

• No se puede usar en ambientes de vacío o gas inerte: la ecografía necesita ser transmitida por medio de aire y no hay señal en un ambiente de vacío.

• No adecuado para medios de alta viscosidad o fáciles de cristalizar: si la superficie del líquido cubre la cristalización de la capa gruesa, el eco reflejado se absorberá, lo que dará lugar a un fallo de medición (es necesario combinar con un dispositivo de limpieza).

• Rango limitado: la atenuación ultrasónica en el aire es rápida, el rango máximo de los modelos convencionales es de unos 50 m (sonda de baja frecuencia), mucho más allá de este rango debe elegir un medidor de nivel de radar.

• La precisión es inferior a la del instrumento de contacto.: El medidor de nivel ultrasónico convencional de grado industrial tiene una precisión de ± 0,5% ~ ± 1% fs, que es inferior al medidor de nivel de entrada (+ 0,1% fs), y no es adecuado para escenarios de medición de alta precisión.

resumen