Principe de fonctionnement du compteur de niveau à ultrasons

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Principe de fonctionnement du compteur de niveau à ultrasons: résolution complète de la caractérisation des ondes sonores au calcul du niveau

Propriétés de base des ultrasons: Pourquoi choisir les ultrasons?

• Forte directivité: la longueur d'onde de l'onde ultrasonore à haute fréquence est courte (par exemple, la longueur d'onde de l'onde sonore de 20 kHz est d'environ 1,7 cm, la longueur d'onde de 200 kHz est d'environ 1,7 mm), l'angle de divergence est faible lors de la propagation, peut orienter la focalisation sur le niveau du liquide et réduire les interférences de réflexion parasites.

• Dépendance des médias de propagation: les ultrasons doivent se propager à travers un milieu élastique (par exemple, air, liquide, solide) et ne peuvent pas se propager dans le vide, ce qui explique pourquoi leurs mesures dépendent du milieu atmosphérique.

• Propriétés de réflexion: lorsqu'une onde ultrasonore passe d'un milieu à un autre (par exemple air → liquide), en raison de la grande différence d'impédance acoustique (densité du milieu × vitesse du son) entre les deux milieux, une réflexion importante (réflectivité pouvant atteindre plus de 90%) se produit, qui est la source du signal d'écho liquide.

• Vitesse de propagation stable: la vitesse de propagation des ultrasons dans l'air est d'environ 340 m / s à pression atmosphérique standard et la vitesse est linéaire par rapport à la température (augmentation de la vitesse du son d'environ 0,6 m / s pour chaque augmentation de 1°C de la température), l'écart peut être corrigé par compensation de température.

II. Principe de mesure de base: processus complet de télémétrie d'écho

1. Emission ultrasonique: du signal électrique à l'onde mécanique

• Du compteur de niveauCircuit de contrôle principal(généralement un microprocesseur) génère un signal d'impulsion électrique à haute fréquence (fréquence 20Khz ~ 200khz, selon la sélection de l'échelle: petite échelle avec haute fréquence, réduire la divergence; Large gamme de basse fréquence, atténuation réduite), transmission àTransducteur (sonde)- Oui.

• Le transducteur est le composant central et fonctionne sur la base de « l’effet piézoélectrique »: le cristal piézoélectrique à l’intérieur de celui - ci, tel qu’une céramique piézoélectrique, subit des vibrations mécaniques excitées par des impulsions électriques, transformant l’énergie électrique en énergie mécanique ultrasonique, émettant de manière directionnelle vers le niveau du liquide testé.

Propagation des ondes sonores: chemin et atténuation dans l'air

• Les ultrasons partent de la sonde et se propagent en ligne droite dans l'air, la vitesse de propagation étant influencée par des facteurs environnementaux:

• température: facteur d'influence central, comme mentionné précédemment, la vitesse du son varie significativement avec la température (formule: v = 331,4 + 0607 × T, où t est la température ambiante ℃).

• Pression d'air: impact faible, négligeable à la pression atmosphérique standard, réglage fin nécessaire uniquement dans les environnements à basse pression tels que les plateaux.

• humidité: l'augmentation de l'humidité modifie légèrement la densité de l'air, ce qui entraîne un écart d'environ 0,1% de la vitesse du son, généralement négligeable.

• Au cours de la propagation, les ultrasons seront atténués par l'absorption de l'air, la diffusion (par exemple, la poussière, la vapeur d'eau), et plus la gamme est grande, plus la fréquence est élevée, plus l'atténuation est prononcée (de sorte qu'un grand nombre de compteurs de niveau de gamme utilisent plus d'ondes sonores à basse fréquence).

3. Réflexion de niveau liquide: génération du signal d'écho

• Lorsque les ondes ultrasonores atteignent la surface du liquide, les ondes sonores se produisent en raison de la grande différence entre l'impédance acoustique de l'air (impédance acoustique d'environ 415 rayl) et celle du liquide (impédance acoustique de l'eau d'environ 1,48 × 10 ⁶ rayl).Réflexion miroirFormer un écho.

• La présence de mousse, de vagues ou de matières en suspension au niveau du liquide peut entraîner une baisse de la réflectivité (la réflectivité de la mousse peut être inférieure à 30%) et un affaiblissement du signal d'écho, qui doit être optimisé par un algorithme de réglage du gain de la sonde ou de filtrage.

4. Réception d'écho: de l'onde mécanique au signal électrique

• Les échos réfléchis sont captés par le même transducteur (ou transducteur récepteur indépendant) et les cristaux piézoélectriques transforment les vibrations mécaniques en signaux électriques faibles qui, après amplification par un préamplificateur, filtrage (suppression du bruit ambiant), sont transmis au circuit de commande principal.

• Le circuit de commande principal doit faire la distinction entre « écho efficace» et « écho perturbateur» (par exemple, réflexion sur la paroi du récipient, réflexion sur les bulles), généralement par:

• paramétrageZone aveugle: l'écho dans une certaine distance (par exemple 0,3 ~ 1m) sous la sonde n'est pas reconnu, évitez les interférences de réflexion forte à proximité.

• Analyse des caractéristiques de l'écho: l'amplitude, la fréquence de l'écho efficace coïncide avec l'onde émise, tandis que l'écho perturbateur est généralement de faible amplitude et de perturbation de la fréquence.

5. Calcul de niveau: conversion de la différence de temps à la hauteur

• Le circuit de commande principal enregistre la différence de temps entre l '« instant d'émission » de l'onde ultrasonore et l' « instant d'écho de réception » (i.e.Temps de propagation aller - retour t).

• Calcul de la distance verticale (d) de la sonde au niveau du liquide: du fait de la propagation aller - retour des ondes acoustiques, la distance aller simple réelle est la moitié du produit de la vitesse du son (v) par le temps (t), soit:

• Calculer la hauteur réelle du niveau (h): la hauteur de montage de la sonde (h, c'est - à - dire la distance verticale de la sonde au fond du récipient) doit être connue, la hauteur du niveau est alors:

• En fin de compte, le compteur de niveau produit des résultats de mesure via un signal de courant de 4 ~ 20ma, une communication RS485 ou un affichage numérique, etc.

Iii. Composants clés: matériel de base pour assurer l'atterrissage du principe

1. Transducteur (sonde)

• Polytétrafluoroéthylène: résistant aux acides et aux alcalis, adapté à la scène chimique;

• Acier inoxydable: résistant à l'usure et à l'abrasion, adapté aux environnements poussiéreux et granulaires;

• Polypropylène: léger et peu coûteux, idéal pour l'eau claire, scène d'égout.

• Fonction: réaliser la conversion bidirectionnelle du signal électrique avec les ultrasons, divisé en "émission / réception de type un corps" (faible coût, adapté à la plupart des scénarios) et "séparé" (forte résistance aux interférences, adapté aux situations de travail complexes).

• Matériel: la surface de la sonde doit être résistante à la corrosion environnementale, les matériaux courants comprennent:

2. Circuit de contrôle principal

• Le noyau est un microprocesseur (par exemple, MCU, DSP) qui est responsable de la génération du signal émis, de la capture du temps d'écho, de l'exécution d'algorithmes de compensation de température, du calcul du niveau de liquide et de la sortie des données.

• Performances clés: précision de la mesure du temps (doit atteindre l'ordre de la nanoseconde, par exemple, une précision de 1 NS correspond à une erreur de distance d'environ 0,17 mm), capacité d'anti - interférence (obtenue par blindage électromagnétique, circuit de filtrage).

3. Capteur de température

• La thermistance NTC intégrée ou le capteur pt1000, qui surveille la température ambiante en temps réel pour corriger la vitesse du son (v), est le principal moyen de compensation pour garantir la précision de la mesure (sans compensation de température, un changement de température de 10 ℃ peut entraîner une erreur de ± 3%).

4. Modules d'alimentation et de sortie

• Alimentation: prend généralement en charge l'alimentation industrielle 24V DC, certains modèles sont compatibles avec 110 ~ 220v AC.

• Sortie: quantité analogique (4 ~ 20ma), quantité numérique (RS485 / Modbus), quantité de commutateur de relais (pour alarme de niveau haut et Bas), pour répondre aux différents besoins du système de contrôle.

Source d'erreur et compensation: techniques clés pour améliorer la précision

1. Erreur de température

• Sans compensation, chaque écart de température de 10 ° C, l'écart de vitesse du son d'environ 6 m / s, l'erreur de niveau de liquide correspondant à une échelle de 10 m peut atteindre ± 8,8 cm.

• Méthode de compensation: la température est acquise en temps réel par le capteur de température intégré, la formule de vitesse acoustique intercalaire (V = 331,4 + 0607 × t) est corrigée pour contrôler l'erreur à ± 0,1%.

2. Erreur de fluctuation du niveau liquide

• Une forte secousse du niveau du liquide peut provoquer une instabilité du signal d'écho et une fluctuation de la différence de temps (t).

• Méthode de compensation: utilisez "plusieurs mesures pour faire la moyenne" (par exemple, 10 mesures pour faire la moyenne), réglez le "coefficient d'amortissement" (pour retarder la vitesse de variation de la sortie) ou utilisez un tube guide d'ondes (pour limiter la plage de fluctuation du niveau du liquide).

3. Erreur de perturbation environnementale

• Sélectionnez "sonde haute température" (résistance supérieure à 150 ° c) pour faire face à l'environnement de vapeur;

• Augmenter la puissance de la sonde (augmenter l'amplitude des ondes acoustiques émises) contre l'atténuation;

• L'installation d'un capot anti - poussière, d'un capot anti - éclaboussures réduit les perturbations physiques.

• La vapeur, la poussière, les courants d'air forts peuvent provoquer la diffusion ou l'atténuation des ondes sonores, l'affaiblissement ou même la perte du signal d'écho.

• La manière d'optimiser:

4. Erreur d'installation

• Le montage incliné de la sonde entraîne une déviation de la distance de mesure (d) qui est « oblique » plutôt que verticale.

• Méthode d'évitement: lors de l'installation, assurez - vous que la sonde est perpendiculaire au niveau du liquide (angle d'inclinaison ≤ 3°) et éloignée de la paroi du récipient (distance ≥ 1 / 6 du diamètre du récipient), réduisant ainsi les interférences de réflexion de la paroi.

V. limites du principe: limites du scénario applicable

• Ne peut pas être utilisé dans un environnement de vide ou de gaz inerte: ultrasons ont besoin d'air moyen propagation, aucun signal sous vide.

• Ne convient pas aux milieux à haute viscosité ou à cristallisation facile: si le liquide est recouvert d'une couche épaisse cristallisée, l'écho réfléchi sera absorbé, ce qui entraînera une défaillance de la mesure (nécessaire avec un dispositif de nettoyage).

• Portée limitée: l'atténuation ultrasonique dans l'air est plus rapide, les modèles conventionnels ont une portée maximale d'environ 50 m (sonde basse fréquence), bien au - delà de cette plage, il faut choisir un indicateur de niveau radar.

• Précision inférieure à celle des instruments de contact: la précision du compteur de niveau à ultrasons de qualité industrielle conventionnelle est ± 0,5% ~ ± 1% FS, inférieure au compteur de niveau d'entrée (± 0,1% FS), ne convient pas aux scénarios de métrologie de haute précision.

résumé