Nguyên tắc làm việc của máy đo mức siêu âm

Máy đo mức siêu âm, Shichen Technology là nhà sản xuất chuyên nghiệp của máy đo mức siêu âm, và máy đo mức siêu âmƯu đãi JLượng lớn tòng ưu! Thiết bị này bao gồm nhiều nghiên cứuZ LợiCông nghệ, sở hữu công nghệ xử lý tín hiệu hoàn toàn mới, với các tính năng an toàn, sạch sẽ, độ chính xác cao, tuổi thọ cao, ổn định và đáng tin cậy, dễ lắp đặt và bảo trì, đọc nhanh và nhanh chóng. Nó được sử dụng rộng rãi trong dầu khí, hóa chất, xử lý nước, bảo tồn nước, thép, khai thác than, điện và chế biến thực phẩm. Nó phù hợp với các lĩnh vực khác nhau như axit, kiềm, muối, chống ăn mòn, nhiệt độ cao và chống cháy nổ. Thiết bị này có thể được kết nối với các hệ thống DCS khác nhau thông qua 4~20mA hoặc RS485 (giao thức Modbus), cho hoạt động tự động của ngành công nghiệp, cung cấp dữ liệu mức chất lỏng theo thời gian thực.

Nguyên tắc làm việc của máy đo mức siêu âm: phân tích đầy đủ từ đặc tính âm thanh đến tính toán mức

I. Các đặc tính cơ bản của siêu âm: Tại sao chọn siêu âm?

• Định hướng mạnh mẽ: Sóng siêu âm tần số cao có bước sóng ngắn (như bước sóng âm thanh 20kHz khoảng 1,7cm, bước sóng 200kHz khoảng 1,7mm), khi truyền đi góc phân kỳ nhỏ, có thể tập trung định hướng vào bề mặt chất lỏng, giảm nhiễu phản xạ đi lạc.

• Truyền thông phụ thuộc: Siêu âm cần được truyền qua môi trường đàn hồi (ví dụ: không khí, chất lỏng, chất rắn) và không thể truyền trong chân không, đó là lý do tại sao nó phụ thuộc vào môi trường không khí để đo lường.

• Đặc tính phản chiếu: Khi siêu âm đi vào một môi trường khác từ một môi trường (chẳng hạn như không khí → chất lỏng), do sự khác biệt lớn về trở kháng âm thanh của hai môi trường (mật độ môi trường × tốc độ âm thanh), phản xạ rõ ràng xảy ra (độ phản xạ lên đến 90%), đây là nguồn của tín hiệu tiếng vang bề mặt lỏng.

• Tốc độ truyền ổn định: Ở áp suất khí quyển tiêu chuẩn, siêu âm di chuyển với tốc độ khoảng 340m/s trong không khí, và tốc độ và nhiệt độ có mối quan hệ tuyến tính (tốc độ âm thanh tăng khoảng 0,6m/s cho mỗi lần tăng nhiệt độ 1 ℃), độ lệch có thể được điều chỉnh bằng cách bù nhiệt độ.

II. Nguyên tắc đo lường cốt lõi: Quy trình hoàn chỉnh của phương pháp đo khoảng cách tiếng vang

1. Phát xạ siêu âm: từ tín hiệu điện đến sóng cơ

• Máy đo mứcMạch điều khiển chính(thường là bộ vi xử lý) tạo ra tín hiệu xung điện tần số cao (tần số 20kHz~200kHz, theo phạm vi lựa chọn: phạm vi nhỏ với tần số cao, giảm sự phân kỳ; Tần số thấp, giảm suy giảm), truyền đếnĐầu dò (Probe)。

• Đầu dò là thành phần cốt lõi và hoạt động dựa trên "hiệu ứng áp điện": các tinh thể áp điện bên trong nó, chẳng hạn như gốm áp điện, trải qua rung động cơ học dưới sự kích thích xung điện, chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học siêu âm, phát xạ theo hướng tới bề mặt được đo.

2. Truyền sóng âm thanh: đường đi và suy giảm trong không khí

• Siêu âm bắt đầu từ đầu dò và đi theo một đường thẳng trong không khí, tốc độ truyền bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường:

• nhiệt độ: Yếu tố ảnh hưởng cốt lõi, như đã đề cập trước đó, tốc độ âm thanh thay đổi đáng kể theo nhiệt độ (công thức: v=331,4+0,607 × T, trong đó T là nhiệt độ môi trường xung quanh ℃).

• Áp suất không khíTác động nhỏ, dưới áp suất khí quyển tiêu chuẩn có thể bỏ qua, chỉ cần điều chỉnh trong môi trường áp suất thấp như cao nguyên.

• Độ ẩmĐộ ẩm tăng có thể làm cho mật độ không khí thay đổi một chút, dẫn đến độ lệch vận tốc âm thanh khoảng 0,1%, thường không đáng kể.

• Trong quá trình truyền bá, sóng siêu âm sẽ bị suy giảm do sự hấp thụ không khí, tán xạ (như bụi, hơi nước), phạm vi càng lớn, tần số càng cao, sự suy giảm càng rõ ràng (do đó, một lượng lớn máy đo mức độ thường sử dụng sóng âm tần số thấp).

3. Phản xạ bề mặt lỏng: tạo ra tín hiệu tiếng vang

• Khi siêu âm đến bề mặt chất lỏng, sóng âm xảy ra do sự khác biệt lớn giữa trở kháng âm thanh của không khí (trở kháng âm thanh khoảng 415 Rayl) và chất lỏng (như trở kháng âm thanh của nước khoảng 1,48 × 10⁶ Rayl).Gương phản chiếuHình thành sóng hồi.

• Nếu có bọt, sóng hoặc chất lơ lửng trên bề mặt chất lỏng, nó sẽ làm giảm độ phản xạ (độ phản xạ bọt có thể thấp hơn 30%), tín hiệu tiếng vang bị suy yếu và cần được điều chỉnh bằng cách điều chỉnh độ tăng đầu dò hoặc tối ưu hóa thuật toán lọc.

4. Tiếp nhận tiếng vang: từ sóng cơ đến tín hiệu điện

• Tiếng vang sau khi phản xạ được bắt bởi cùng một đầu dò (hoặc đầu dò nhận độc lập), và các tinh thể áp điện chuyển đổi rung động cơ học thành tín hiệu điện yếu, được truyền đến mạch điều khiển chính sau khi khuếch đại bằng bộ tiền khuếch đại, lọc (loại bỏ tiếng ồn xung quanh).

• Mạch điều khiển chính cần phân biệt giữa "tiếng vang hiệu quả" và "tiếng vang gây nhiễu" (như phản xạ tường tàu, phản xạ bong bóng), thường bằng cách:

• thiết lậpKhu vực mù: Tiếng vang bên dưới đầu dò trong một khoảng cách nhất định (chẳng hạn như 0,3~1m) không được xác định, tránh nhiễu phản xạ cường độ gần.

• Phân tích chữ ký tiếng vang: biên độ, tần số của tiếng vang hiệu quả phù hợp với sóng phát xạ, trong khi tiếng vang nhiễu thường có biên độ thấp và tần số bị xáo trộn.

5. Tính toán mức: chuyển đổi từ chênh lệch thời gian sang chiều cao

• Mạch điều khiển chính ghi lại sự khác biệt về thời gian giữa siêu âm "thời điểm phát ra" và "thời điểm nhận lại" (tức làThời gian truyền tải khứ hồi t）。

• Tính toán khoảng cách thẳng đứng (d) của đầu dò đến bề mặt chất lỏng: Khoảng cách một chiều thực tế là một nửa tích của vận tốc âm thanh (v) so với thời gian (t) do sóng âm truyền qua lại, tức là:

• Tính toán chiều cao mức thực tế (h): cần biết chiều cao lắp đặt đầu dò (H, tức là khoảng cách thẳng đứng từ đầu dò đến đáy thùng chứa), thì chiều cao mức là:

• Cuối cùng, máy đo mức đầu ra kết quả đo bằng tín hiệu hiện tại 4~20mA, giao tiếp RS485 hoặc hiển thị kỹ thuật số, v.v.

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

1. Đầu dò (Probe)

• PTFE: kháng axit và kiềm, thích hợp cho các tình huống hóa học;

• Thép không gỉ: chống mài mòn, phù hợp với môi trường bụi, hạt;

• Polypropylene: nhẹ, chi phí thấp, thích hợp cho nước sạch, cảnh nước thải.

• Chức năng: Thực hiện chuyển đổi hai chiều của tín hiệu điện và siêu âm, được chia thành "phát/nhận một loại cơ thể" (chi phí thấp, phù hợp với hầu hết các kịch bản) và "tách" (chống nhiễu mạnh, phù hợp với điều kiện làm việc phức tạp).

• Chất liệu: bề mặt đầu dò cần chống ăn mòn môi trường, vật liệu phổ biến bao gồm:

2. Mạch điều khiển chính

• Lõi là các bộ vi xử lý (ví dụ: MCU, DSP) chịu trách nhiệm tạo tín hiệu phát ra, nắm bắt thời gian tiếng vang, thực hiện thuật toán bù nhiệt độ, tính toán mức và xuất dữ liệu.

• Hiệu suất chính: Độ chính xác đo thời gian (cần đạt đến cấp nano giây, chẳng hạn như độ chính xác 1ns tương ứng với lỗi khoảng cách khoảng 0,17mm), khả năng chống nhiễu (đạt được bằng cách che chắn điện từ, mạch lọc).

3. Cảm biến nhiệt độ

• Được xây dựng trong NTC Thermistor hoặc PT1000 cảm biến, theo dõi nhiệt độ môi trường trong thời gian thực, để điều chỉnh tốc độ âm thanh (v), là phương tiện bồi thường cốt lõi để đảm bảo độ chính xác đo lường (khi không có bù nhiệt độ, thay đổi nhiệt độ 10 ℃ có thể dẫn đến lỗi ± 3%).

4. Mô-đun nguồn và đầu ra

• Nguồn điện: Thông thường hỗ trợ nguồn điện công nghiệp 24V DC, một số mô hình tương thích với 110~220V AC.

• Đầu ra: Số lượng tương tự (4~20mA), số lượng kỹ thuật số (RS485/MODBUS), số lượng chuyển đổi rơle (để báo động mức cao và thấp), đáp ứng các yêu cầu hệ thống điều khiển khác nhau.

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2)

1. Lỗi nhiệt độ

• Khi không được bù đắp, nhiệt độ mỗi độ lệch 10 ℃, độ lệch tốc độ âm thanh khoảng 6 m/s, sai số mức tương ứng với phạm vi 10 m có thể đạt ± 8,8 cm.

• Phương pháp bù: thu thập nhiệt độ trong thời gian thực thông qua cảm biến nhiệt độ tích hợp, thay vào đó sửa đổi công thức tốc độ âm thanh (v=331,4+0,607 × T), kiểm soát lỗi trong vòng ± 0,1%.

2. Lỗi biến động bề mặt chất lỏng

• Sự rung lắc dữ dội của bề mặt chất lỏng có thể gây ra tín hiệu tiếng vang không ổn định và chênh lệch thời gian (t) dao động.

• Phương pháp bù: Sử dụng "trung bình nhiều phép đo" (ví dụ: trung bình 10 phép đo), thiết lập "hệ số giảm xóc" (làm chậm tốc độ thay đổi đầu ra), hoặc kết hợp với ống dẫn sóng (giới hạn phạm vi dao động bề mặt chất lỏng).

3. Lỗi nhiễu môi trường

• Chọn "đầu dò nhiệt độ cao" (chịu được hơn 150 ℃) để đối phó với môi trường hơi nước;

• Tăng công suất thăm dò (nâng biên độ sóng âm phát ra) để chống suy giảm;

• Lắp nắp chống bụi, nắp chống giật gân để giảm nhiễu vật lý.

• Hơi nước, bụi, luồng không khí mạnh có thể làm cho sóng âm bị tán xạ hoặc suy giảm và tín hiệu tiếng vang trở nên yếu hoặc thậm chí mất.

• Cách tối ưu hóa:

4. Lỗi cài đặt

• Việc lắp đặt nghiêng đầu dò gây ra khoảng cách đo (d) là "khoảng cách xiên" thay vì khoảng cách thẳng đứng, tạo ra độ lệch.

• Phương pháp tránh: Đảm bảo đầu dò vuông góc với bề mặt chất lỏng (góc nghiêng ≤3 °) khi lắp đặt và cách xa tường container (khoảng cách ≥1/6 đường kính thùng chứa), giảm nhiễu phản xạ bề mặt tường.

V. Giới hạn nguyên tắc: ranh giới của kịch bản áp dụng

• Không thể sử dụng trong môi trường chân không hoặc khí trơ: Sóng siêu âm cần truyền qua môi trường không khí, không có tín hiệu trong môi trường chân không.

• Không phù hợp với môi trường có độ nhớt cao hoặc dễ kết tinh: Nếu bề mặt chất lỏng bao phủ một lớp dày kết tinh, phản xạ sẽ được hấp thụ, dẫn đến thất bại đo lường (cần phải kết hợp với thiết bị làm sạch).

• Phạm vi giới hạn: Sự suy giảm siêu âm trong không khí nhanh hơn, phạm vi tối đa của mô hình thông thường là khoảng 50m (thăm dò tần số thấp), vượt xa phạm vi này cần chọn máy đo mức radar.

• Độ chính xác thấp hơn so với đồng hồ tiếp xúc: Độ chính xác của máy đo mức siêu âm cấp công nghiệp thông thường là ± 0,5%~1% FS, thấp hơn máy đo mức đầu vào (± 0,1% FS), không phù hợp với các tình huống đo lường chính xác cao.

Tóm tắt