ما هي المواد المناسبة لمستشعرات المستوى بالموجات فوق الصوتية؟ دليل تجنب المزالق في التطبيقات الصناعية والاختيار الصناعي

جدول المحتويات عرض

مقدمة

في مجال الأتمتة الصناعية، تتطلب الصوامع وصهاريج التخزين وخطوط النقل ومعدات التعبئة والتغليف وأنظمة معالجة المياه جميعها تحكمًا دقيقًا في معلومة أساسية واحدة: أين توجد المواد الآن؟

عادةً ما تأتي أجهزة قياس مستوى السائل التقليدية أو أجهزة قياس مستوى المواد مزودة برؤوس عرض وإعدادات قائمة ووظائف قراءة محلية؛ ومع ذلك، ينصب تركيز هذه المقالة على المستوى الأدنى مستشعر مستوى الخزان بالموجات فوق الصوتية وأجهزة تحديد المدى التي يسهل دمجها في الأتمتة. لا تشدد هذه المستشعرات عادةً على العرض في الموقع ولكن بدلاً من ذلك تخرج الإشارات الأساسية مباشرةً إلى أجهزة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLCs) أو أنظمة التحكم الموزعة (DCS) أو بوابات IO-Link أو وحدات التحكم، مثل:

  • تبديل الإخراج: PNP / NPN، تُستخدم للإنذارات عالية المستوى، ومنخفضة المستوى، والكشف عن الوضع، والإنذارات المضادة للتجاوز;
  • مخرج تناظري: 4-20mA / 0-10V، تُستخدم للمراقبة المستمرة لارتفاع مستوى السائل أو المواد;
  • مخرج الاتصال الرقمي: RS485, مودبوس, إلخ، تُستخدم للشبكات متعددة النقاط، والحصول على البيانات عن بُعد، وتكامل الأجهزة الذكية.

من من منظور التطبيقات الهندسية، فإن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية ليست بأي حال من الأحوال منتجات “يمكنها قياس الماء فقط”. فهي قابلة للتطبيق على نطاق واسع على السوائل والمواد الصلبة والحبيبات والمساحيق وبعض الأهداف السطحية المعقدة. في الوقت الحالي، تطبق كبرى الشركات المصنعة في صناعة أجهزة الاستشعار والأجهزة الصناعية بوضوح تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية على سيناريوهات الكشف عن مستوى السوائل ومستوى المواد الصلبة والحبيبات والمساحيق والأهداف المعقدة.

ومع ذلك، فهي ليست كلية القدرة. فجوهر ثبات القياس بالموجات فوق الصوتية لا يعتمد على لون المادة أو شفافيتها أو تلألؤها بل يعتمد على عامل أكثر جوهرية: قدرة الانعكاس الصوتي لسطح المادة وثبات وسط الهواء في الموقع.

مبدأ النطاق الأساسي: لماذا تحدد “الخاصية الصوتية” للمادة قابلية التطبيق؟

المبدأ الأساسي لأي مستشعر لمستوى الخزان بالموجات فوق الصوتية هو TOF (زمن التحليق).

يبعث مسبار الاستشعار حزمة من الموجات الصوتية عالية التردد. وتنتشر الموجات الصوتية عبر الهواء، وتنعكس عند مواجهة سطح المادة، ويستقبل المسبار الأصداء. تحسب دائرة التحكم المسافة بناءً على الفرق الزمني بين انبعاث الموجات الصوتية واستقبالها:

المسافة=سرعة الصوت×وقت الرحلة ذهاباً وإياباً2\\نص{المسافة} = \frac{\نص{سرعة الصوت} \أضعاف \نص{زمن الرحلة}}{2}
وقت الرحلة

إذا كان ارتفاع التركيب الكلي للصومعة أو صهريج التخزين معروفًا، يمكن للنظام أيضًا حساب ارتفاع مستوى السائل أو مستوى المواد أو المساحة المتبقية.

يركز القياس بالموجات فوق الصوتية على “الانعكاس الصوتي” وليس اللون

على عكس المستشعرات الكهروضوئية, أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية تعتمد بشكل أساسي على انتشار الموجات الصوتية واستقبال الصدى. ولذلك، فإنها لا تتأثر عادةً بشكل مباشر بالعوامل البصرية أو الضوئية التالية:

  • درجة لون المادة;
  • ما إذا كان السطح شفافاً أم لا;
  • سواء كان السطح لامعاً أم لا;
  • شدة الإضاءة المحيطة;
  • ما إذا كان الهدف عاكساً أم لا.
تطبيقات المراقبة البيئية لبقع الغبار السائل الملون المختلفة

لهذا السبب، يمكن استخدام أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لقياس المواد الصلبة والسوائل والحبيبات والمساحيق، وهي خالية تمامًا من قيود لون الهدف واللمعان والشفافية. يمكن لأجهزة استشعار المستوى بالموجات فوق الصوتية أن تحدد بدقة الأجسام الشفافة أو الداكنة أو عالية السطوع أو المعقدة هيكليًا، ويمكنها إلى حد ما اختراق تداخل الغبار والضباب.

العوامل الرئيسية التي تؤثر على استقرار القياس

العوامل الأساسية التي تحدد حقًا ما إذا كان كاشف المستوى بالموجات فوق الصوتية مناسبة تشمل:

  • ما إذا كان السطح يمكن أن يشكل أصداء فعالة: الأسطح المسطحة والصلبة والكثيفة أكثر عرضة لعكس الموجات الصوتية;
  • ما إذا كانت المادة تمتص الصوت أم لا: المواد اللينة مثل الإسفنج والرغوة والألياف تمتص الطاقة الصوتية بسهولة;
  • ما إذا كان السطح يتذبذب بعنف: سيؤدي تعثر السائل، والتحريك، وتأثير المادة إلى قفز إشارة الصدى;
  • سواء كان هناك كمية زائدة من الرغوة أو الغبار أو البخار: تعمل هذه العوامل على امتصاص الموجات الصوتية وتشتتها أو تغيير سرعة الصوت;
  • ما إذا كانت زاوية التركيب صحيحة أم لا: يجب أن يكون المسبار عموديًا على متوسط سطح الهدف قدر الإمكان;
  • ما إذا كان المدى، والمنطقة العمياء، وزاوية الشعاع متطابقة: منطق الاختيار للمسافات القصيرة في الخزانات الصغيرة والمساحات الضيقة في الصوامع الكبيرة مختلف تمامًا.

باختصار، يقيس مستشعر المستوى بالموجات فوق الصوتية “الأصداء”. وطالما أن المادة يمكن أن تصدر أصداء مستقرة وقوية بما فيه الكفاية من المواد، فيمكنها عادةً توفير نتائج قياس موثوقة للغاية.

أنواع المواد الأكثر ملاءمة لمستشعرات المستوى بالموجات فوق الصوتية

1. سوائل مختلفة: من المياه النظيفة ومياه الصرف الصحي إلى سوائل كيميائية معينة

السوائل هي واحدة من أكثر أهداف التطبيقات شيوعًا ونضجًا من الناحية التكنولوجية لأجهزة استشعار المستوى بالموجات فوق الصوتية. وتشمل السوائل المناسبة للقياس ما يلي:

  • مياه نظيفة، مياه نقية، مياه متداولة;
  • مياه الصرف الصحي، ومياه الصرف الصحي، ومياه الأمطار;
  • سائل التبريد، سائل التنظيف;
  • طين، سائل عكر، مستوى سائل خزان الترسيب;
  • سوائل كيميائية معينة;
  • الزيوت، وزيت النفايات، وسوائل التشحيم;
  • مستويات السوائل في صهاريج التخزين والأحواض وخزانات المياه.

لا يمكن استخدام مستشعر مستوى الخزان بالموجات فوق الصوتية للكشف عن مستوى السائل والصلب فحسب، بل إنه مناسب أيضًا لمراقبة تدفق القناة المفتوحة، ويمكن أن يتكيف بشكل جيد مع السوائل الشفافة أو العكرة، والأسطح المتسخة نسبيًا، والأهداف المعقدة الأخرى. تغطي سيناريوهات التطبيق النموذجية مراقبة مستوى السائل الصناعي ومعالجة المياه والمواد الكيميائية وخزانات النفط.

جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية للكشف عن مستوى السائل في الأوعية الكيميائية

لماذا تعتبر السوائل أكثر ملاءمة بشكل عام؟ تكون أسطح معظم السوائل مسطحة ومستمرة نسبيًا، والتي يمكن أن تشكل واجهة انعكاس موجات صوتية واضحة جدًا. وطالما أن السطح السائل لا يهبط بعنف والرغوة ليست سميكة، يمكن لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية عادةً أن تحقق قياس مسافة مستقرة للغاية أو مراقبة مستوى السائل.

تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

  • مراقبة مستوى السوائل في حوض معالجة المياه;
  • إنذارات مستوى سوائل آبار الصرف الصحي وآبار التجميع;
  • صهريج تخزين المواد الكيميائية الحصول المستمر على مستوى السائل;
  • التحكم في ارتفاع وانخفاض مستوى خزان المياه في المعدات;
  • الكشف عن بدل خزان الزيت وخزان سائل التبريد;
  • قياس ارتفاع القناة المفتوحة أو المجرى المفتوح.

الظروف السائلة التي يجب الانتباه لها: على الرغم من أن السوائل مناسبة للغاية للقياس بالموجات فوق الصوتية، إلا أن المخاطر المحتملة التالية لا تزال بحاجة إلى تقييمها في التطبيقات الفعلية:

  • ما إذا كانت هناك رغوة سميكة للغاية على السطح;
  • ما إذا كان هناك تقليب ميكانيكي شديد في الخزان;
  • ما إذا كانت البيئة مليئة بكميات كبيرة من البخار عالي الحرارة;
  • ما إذا كان سطح المسبار عرضة للتكثيف وتراكم المواد;
  • ما إذا كان سطح السائل يحتوي على إمالة واضحة أو دوامات;
  • ما إذا كانت هناك تداخلات هيكلية مثل مجاديف التحريك أو السلالم أو الأنابيب داخل الحاوية.

بشكل عام، إذا كان الأمر مجرد قياس غير تلامسي للمياه النظيفة العادية أو مياه الصرف الصحي أو الزيت أو السوائل الكيميائية، فإن مستشعر المستوى بالموجات فوق الصوتية عادةً ما يكون حلاً مفضلاً اقتصاديًا للغاية وسهل التكامل.

2. المواد الصلبة الصلبة العادية: المعادن والزجاج والألواح البلاستيكية وغيرها.

بالإضافة إلى السوائل، فإن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية مناسبة جدًا أيضًا للكشف عن الأهداف الصلبة الصلبة والمنتظمة والمسطحة نسبيًا. وتشمل المواد النموذجية ما يلي:

  • ألواح معدنية;
  • ألواح زجاجية;
  • صفائح بلاستيكية صلبة;
  • ألواح خشبية;
  • أكوام من الورق المقوى;
  • المنصات، والصناديق، وقطع العمل;
  • أجسام مسطحة كبيرة الحجم;
  • مواد البلوك ذات الأسطح المستوية.

يجب التأكيد على أن الموجات فوق الصوتية مناسبة بشكل أفضل للكشف عن الأسطح الصلبة “الكبيرة والمسطحة”، في حين أن أداء الكشف على الأهداف اللينة أو غير المنتظمة ليس مثاليًا. هذه الخاصية حاسمة في الاختيار الصناعي.

لماذا تعمل الأسطح المستوية الصلبة بشكل جيد؟ تمتلك الأسطح المستوية الصلبة بشكل عام ميزتين صوتيتين رئيسيتين:

  1. انعكاس صوتي قوي: مادة السطح كثيفة وغير معرضة لامتصاص الطاقة الصوتية;
  2. اتجاه الانعكاس المستقر: إذا تم تركيب المستشعر عموديًا، يمكن أن يعود الصدى إلى المسبار على طول المسار الأصلي إلى أقصى حد.

ولذلك، عند استخدام هذه الأجهزة كمستشعر مسافة بالموجات فوق الصوتية للكشف عن الموقع، والكشف عن ارتفاع الجسم، والكشف عن ارتفاع التكديس، فإن أداء هذه الأجهزة يكون مستقرًا للغاية.

ارتفاع تكديس الحمولة

تشمل التطبيقات النموذجية ما يلي:

  • كشف ارتفاع تكديس اللوح;
  • اكتشاف الصندوق في موضعه;
  • كشف مسافة المنصة النقالة;
  • تجنب الروبوت للعقبات التي تعترض الروبوت;
  • مراقبة موضع قطعة العمل الداخلية في المعدات;
  • ارتفاع الكرتون أو كشف الوجود على خطوط التعبئة والتغليف.

اقتراحات التثبيت: عند قياس المواد الصلبة الصلبة، تأكد قدر الإمكان من أن:

  • يواجه المستشعر السطح المستهدف بشكل مباشر;
  • مساحة الهدف أكبر من مساحة تغطية الشعاع;
  • السطح غير مائل بشكل مفرط;
  • تجنب أن تكون الحواف أو الثقوب أو الهياكل غير المنتظمة بشدة في مواجهة المسبار بشكل مباشر;
  • بالنسبة للأسطح المعدنية أو الزجاجية الملساء، يمكن حتى للانحراف الزاوي الطفيف أن يتسبب في انحراف الصدى، مما يؤدي إلى فقدان الإشارة.

3. المواد الحبيبية والمساحيق

الحبيبات والمساحيق هي نوع المواد التي يختبرها معظم مهندسي الاختبار عند تصميم نظام قياس مستوى الحاوية الكامل مع تطبيقات الموجات فوق الصوتية.

تستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية للكشف عن مستوى المواد في المستودعات

تشمل المواد الشائعة ما يلي:

  • حبيبات بلاستيكية;
  • الحبوب والذرة والقمح وفول الصويا;
  • كريات العلف;
  • الرمل والحجر وجزيئات الخام;
  • الأسمنت ومسحوق الجير والمسحوق المعدني;
  • مساحيق كيميائية;
  • رقائق الخشب، وقود الحبيبات;
  • مساحيق الطعام والنشا والدقيق.

في سيناريوهات مثل صهاريج التخزين والصوامع والشاحنات الصهريجية، التي تعمل ككاشف موثوق به لمستوى مراقبة الحاويات، غالبًا ما تستخدم هذه المستشعرات لقياس مستوى السوائل والعجائن والغازات المسيلة وكذلك المساحيق الصلبة والحبيبات.

لماذا تعتبر الحبيبات والمساحيق “قابلة للقياس ولكنها معقدة”؟ لا تكمن الصعوبة في عدم قدرة الموجات فوق الصوتية على الانعكاس، ولكن في حقيقة أن التشكل السطحي لهذه المواد عادة ما يكون غير منتظم. عند مراقبة صومعة الحبوب، عادةً ما تشكل المساحيق والمواد الحبيبية كومة مخروطية بعد سقوطها، وتُعرف زاوية ميلها في الهندسة باسم زاوية الميل. عندما تصطدم الموجات الصوتية بسطح هذه المادة المائلة، تنعكس الأصداء بسهولة وتنتشر الأصداء مما يؤدي إلى عدم تلقي مستشعر المستوى إشارة قوية بما فيه الكفاية.

علاوة على ذلك، يمكن أن تسبب مواد المسحوق أيضًا المشاكل التالية:

  • توليد غبار هائل أثناء السقوط;
  • أسطح المواد الرخوة التي تتسبب في امتصاص الموجات الصوتية أو تشتيتها;
  • أسطح غير مستوية تؤدي إلى أصداء غير مستقرة;
  • يؤدي تراكم المواد على جدران الصومعة إلى توليد أصداء كاذبة بسهولة;
  • هياكل صوامع معقدة أو عوارض عرضية داخلية أو أنابيب تسبب تداخلًا صوتيًا;
  • التصاق الغبار بسطح مسبار المستشعر، مما يقلل من كفاءة الانبعاث والاستقبال.

تحت أي ظروف تكون الحبيبات/المساحيق أكثر ملاءمة للموجات فوق الصوتية؟ يكون معدل نجاح القياس بالموجات فوق الصوتية أعلى عند استيفاء الشروط التالية:

  • الصومعة ليست عميقة بشكل خاص;
  • لا يكون الغبار في حالة انتشار عالية التركيز بشكل مستمر;
  • جزيئات المادة كبيرة نسبيًا والسطح كثيف جدًا;
  • يتغير ارتفاع المستوى ببطء;
  • يمكن لموضع التركيب أن يتجنب مدخل التغذية بشكل فعال;
  • يمكن للمستشعر أن يستهدف سطح المادة المتوسطة قدر الإمكان;
  • يحتوي المستشعر المحدد على زاوية شعاع صغيرة لتقليل تداخل انعكاس الجدار;
  • يسمح الموقع بتصحيح الصدى أو معالجة التصفية.

متى يجب أن تكون حذراً؟ تتطلب السيناريوهات التالية الحذر الشديد أثناء الاختيار، ويجب إجراء اختبار العينة أولاً إذا لزم الأمر:

  • مساحيق متناهية الصغر أو مساحيق خفيفة للغاية ورقيقة للغاية;
  • بيئات السقوط المستمر المصحوب بغبار مرتفع;
  • صوامع عالية للغاية وضيقة للغاية;
  • زاوية استناد سطح المادة كبيرة جداً;
  • توجد مكونات هيكلية معقدة داخل الصومعة;
  • بيئات ذات اهتزازات قوية أو تدفق هواء قوي;
  • مصحوبة ببخار ملحوظ بدرجة حرارة عالية أو غازات أكالة.

بالنسبة لقياس الحبيبات والمساحيق، يوصى بعدم النظر فقط إلى “الحد الأعلى للنطاق”، ولكن يوصى بالنظر بشكل شامل إلى زاوية الشعاع والمنطقة العمياء وخوارزميات معالجة الصدى وتصنيف حماية الضميمة والهيكل المقاوم للغبار وموضع التركيب المعقول.

ما هي المواد غير المناسبة أو المعرضة للإنذارات الكاذبة؟

يجب ألا تقتصر مشورة الاختيار الاحترافية حقًا على ذكر “ما يمكن قياسه” فحسب، بل يجب أن تحدد بوضوح أيضًا “عندما لا يوصى باستخدامه”. وهذا معيار مهم للحكم على ما إذا كان المورد لديه خبرة هندسية عميقة.

1. المواد الممتصة للصوت والأسطح اللينة غير المنتظمة

رسم تخطيطي للموجات الصوتية للاستشعار بالموجات فوق الصوتية التي يمتصها الإسفنج

المواد التالية غير مناسبة بشكل عام للقياس المستقر باستخدام مجسات الموجات فوق الصوتية العادية:

  • إسفنج، قطن إسفنجي، قطن رغوي، ستايروفوم سميك;
  • اللباد، والقطن، وألياف النسيج;
  • مساحيق رقيقة للغاية أو مواد خفيفة الوزن ذات أسطح رخوة للغاية;
  • أسطح أكياس التغليف الناعمة غير المنتظمة.

السبب الأساسي: هذه المواد تمتص أو تبعثر كميات كبيرة من الطاقة الصوتية. بعد انبعاث الموجة الصوتية، لا يمكن تكوين صدى قوي ومركّز بما فيه الكفاية بعد انبعاث الموجة الصوتية، ويكون المستشعر عرضة لعدم وجود إشارة أو قفز قيم أو إنذارات كاذبة. باختصار، الأهداف اللينة أو غير المنتظمة السطح للغاية ليست أجسامًا مثالية للقياس الصوتي.

إذا كانت العملية في الموقع تتطلب الكشف عن مثل هذه المواد، فضع في اعتبارك:

  • زيادة سطح الانعكاس المستهدف أو تغيير زاوية التركيب;
  • تقصير مسافة الكشف الفعلي;
  • استخدام مستشعرات ذات طاقة صوتية أكبر أو ترددات تشغيل محددة;
  • يجب التحقق من ذلك من خلال الاختبار الفعلي في الموقع;
  • إذا لزم الأمر، قم بالتبديل بشكل حاسم إلى طرق الوزن أو الرادار أو مفاتيح الحد الميكانيكية أو مبادئ الكشف الأخرى.

2. سوائل ذات رغوة سميكة للغاية أو تقلبات عنيفة على السطح

الرغوة هي عامل تداخل نموذجي وصعب للغاية في قياس مستوى السائل بالموجات فوق الصوتية. يمكن في بعض الأحيان تحسين الرغوة الرقيقة الطفيفة والرقيقة من خلال التصفية الخوارزمية وتحسين التركيب، ولكن إذا كان سطح السائل مغطى بطبقة سميكة من الرغوة، فمن المحتمل جدًا أن يتم امتصاص الموجات فوق الصوتية وتشتتها بالكامل بواسطة طبقة الرغوة، مما يؤدي إلى تقلبات عنيفة في القيم المقاسة، وقد يقيس المستشعر “سطح الرغوة” فقط بدلاً من الارتفاع الحقيقي لمستوى السائل.

تتضمن السيناريوهات المعرضة للمشاكل ما يلي:

  • خزانات التخمير وخزانات التهوية;
  • غلايات التفاعل المقلبة بقوة;
  • خزانات تنظيف الرغوة;
  • السوائل التي تحتوي على كميات كبيرة من المواد الخافضة للتوتر السطحي;
  • حاويات في عمليات التعبئة أو التصريف عالية السرعة;
  • أسطح السوائل المتقلبة بعنف في الأحواض.

اقتراحات الاستجابة: بالنسبة للرغوة، والأسطح السائلة المتقلبة بعنف، وبيئات الغبار، يوصى بالتدابير التالية:

  • قم بتركيب المستشعر في منطقة هادئة نسبيًا من سطح السائل، مع التأكد من تجنب مداخل التغذية ومركز التحريك;
  • استخدم أنبوب موجه موجي أو بئر ساكن لعزل الرغوة ماديًا وتحسين استقرار سطح السائل;
  • تعيين أوقات تصفية معقولة في نظام التحكم;
  • التأكد من السُمك الفعلي للرغوة في الموقع؛ إذا كانت الرغوة سميكة للغاية باستمرار، قم بتقييم الحلول البديلة بشكل حاسم مثل أجهزة الإرسال الرادارية أو الهيدروستاتيكية.

3. البيئات الفراغية وبيئات البخار الشديد/التكثيف الشديد

تملي الخصائص الفيزيائية للموجات فوق الصوتية أنها يجب أن تعتمد على الهواء أو الوسائط الغازية الأخرى للانتشار. فبدون وسيط الانتشار، لا يمكن للموجات الصوتية الوصول إلى الهدف على الإطلاق. ولذلك، لا يمكن على الإطلاق استخدام أجهزة استشعار مستوى الهواء العادية بالموجات فوق الصوتية داخل خزان تفريغ الهواء. هذا قيد تحدده المبادئ الفيزيائية الأساسية، وليس اختلافًا تقنيًا بين العلامات التجارية لأجهزة الاستشعار.

وعلاوة على ذلك، تشكل بيئات البخار والتكثيف ذات درجات الحرارة العالية جداً تحديات شديدة أيضاً:

  • يؤدي البخار الزائد إلى تغيير كثافة وسط الهواء، وبالتالي تغيير سرعة الصوت والتسبب في عدم دقة قياس المسافة;
  • ستؤدي كمية كبيرة من الماء المتكثف الملتصق بسطح المجس إلى إضعاف الإشارة الصوتية بشدة;
  • سوف تتسبب تدرجات درجة الحرارة داخل الحاوية في حدوث أخطاء في انتشار الموجات الصوتية (ملاحظة: منتجاتنا مجهزة بشكل قياسي بوظيفة تعويض درجة الحرارة لمعالجة هذه المشكلة);
  • قد تؤثر البيئات ذات الرطوبة العالية ودرجات الحرارة المرتفعة على المدى الطويل على عمر المكونات الإلكترونية الداخلية (ملاحظة: تخضع منتجاتنا لاختبارات تقادم صارمة قبل مغادرة المصنع لضمان ثباتها على المدى الطويل);
  • قد تتسبب الغازات المسببة للتآكل في تلف العبوات العادية أو مواد محول الطاقة (في هذه الحالة، يجب اختيار سلسلة المجسات والحساسات المضادة للتآكل).

تمامًا كما يتم التأكيد على نطاقات درجة الحرارة والضغط المطبقة في الكثير من وثائق أجهزة قياس مستوى السائل، فإن أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لها أيضًا حدودها المادية المميزة. يوصى بالاختيار الحذر بشكل خاص في السيناريوهات التالية:

  • صهاريج تفريغ الهواء أو حاويات محكمة الغلق عالية الضغط;
  • خزانات بخار ذات درجة حرارة عالية، وبيئات التكثيف القوية;
  • بيئات الغازات المسببة للتآكل الشديد;
  • المعدات ذات درجات الحرارة الداخلية المتغيرة بعنف;
  • الظروف التي يجوب فيها البخار باستمرار موضع تركيب المسبار.

دليل التكامل الصناعي: كيفية تحديد معلمات جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية ISSRSensor بناءً على المادة؟

وبصفتنا مصنعًا لتصنيع أجهزة الاستشعار الأساسية، فعند مساعدة العملاء في الاختيار، لا نتوقف أبدًا عند مجرد “هل يمكن قياسه”، بل نكرس جهودنا لترجمة خصائص المواد المعقدة إلى معلمات استشعار محددة. بالنسبة لوحدات التحكم المنطقي القابلة للبرمجة، أو أنظمة التحكم الموزعة أو أنظمة التحكم في المعدات ذات المستوى الأدنى، فإن الطلب الأساسي دائمًا هو الحصول على إشارة كهربائية مستقرة وقابلة للتكرار وسهلة الدمج.

تُستخدم سلسلة أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية الصناعية ISSRSensor على نطاق واسع في سيناريوهات مثل تحديد المدى، ومستوى السائل، ومستوى المواد، والكشف عن المواد الشفافة، والكشف عن الصفائح المزدوجة، والكشف عن تصحيح الانحراف. عند الاختيار، يوصى بالتركيز على تقييم المعلمات التالية:

1. المدى والمنطقة العمياء: تجنب “الجشع إلى المدى الكبير”

عادةً ما يكون لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية منطقة قريبة المدى غير قابلة للقياس، تُعرف باسم “المنطقة العمياء”. داخل المنطقة العمياء، بعد أن يكون المستشعر قد أصدر موجة صوتية للتو، يكون محول الطاقة لا يزال في مرحلة استعادة الرنين ولا يمكنه استقبال الأصداء بشكل موثوق على مسافات قريبة للغاية.

لذلك، عند الاختيار، يجب التأكد في نفس الوقت من: الحد الأدنى لمسافة الكشف، والحد الأقصى لمسافة الكشف، وارتفاع التركيب، وأعلى/أسفل نقاط المستوى، والهيكل الداخلي للخزان، وقدرة السطح المستهدف على الانعكاس. يعد المدى والمنطقة العمياء ونطاق القياس الفعلي معلمات أساسية تقيد بعضها البعض.

منطق الاختيار:

  • مسافة قصيرة/حاويات صغيرة/قطع عمل صغيرة: تفضيل المستشعرات ذات الترددات العالية والمدى الصغير والمنطقة العمياء الصغيرة;
  • صهاريج تخزين متوسطة أو صهاريج مياه: اختر نطاقاً متوسطاً، مزوداً بنماذج ذات مخرجات تناظرية مستقرة;
  • صوامع كبيرة/مساحات كبيرة: اختر الموديلات ذات التردد المنخفض والمدى الكبير مع زوايا شعاع أضيق;
  • الغبار أو المواد الحبيبية: إعطاء الأولوية لقوة الإشارة وزاوية الشعاع وزاوية التثبيت الصحيحة;
  • حاويات ضيقة: يجب اختيار زاوية شعاع ضيقة لمنع شعاع الصوت من الاصطدام بجدران الصومعة وتوليد أصداء كاذبة.

لا تتبع أبدًا نطاقًا كبيرًا للغاية بشكل أعمى فقط “لتكون في الجانب الآمن”. فالنطاق الكبير لا يجلب منطقة عمياء أكبر فحسب، بل يؤدي أيضًا إلى شعاع أوسع، ودقة أقل، ويقدم المزيد من التداخلات في الموقع التي يصعب التعامل معها. النهج الصحيح هو: النطاق الذي يغطي فقط مسافة الكشف الفعلية ويترك هامشًا هندسيًا معقولاً كافٍ.

2. التردد وزاوية الشعاع: تحقيق التوازن بين الاختراق والدقة ومقاومة التداخل

تتراوح ترددات تشغيل أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية عادةً من عشرات كيلو هرتز إلى مئات كيلو هرتز، مع ترددات مختلفة تتوافق مع خصائص صوتية مميزة:

  • الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد: ينتشر أبعد من ذلك وهو غير حساس للغاية لتوهين الهواء، مما يجعله أكثر ملاءمة للصوامع الكبيرة والأسطح الخشنة؛ ولكن شعاعه عادة ما يكون أوسع، ودقته أقل نسبيًا.
  • الموجات فوق الصوتية عالية التردد: شعاع عالي التركيز، ودقة وضوح عالية للغاية، ومنطقة عمياء أصغر، مما يجعله مناسبًا جدًا للكشف الدقيق للمسافات القصيرة؛ أما العيب فهو توهين الإشارة الملحوظ على المسافات الطويلة.

بالنسبة للمساحيق والمواد الحبيبية، يمكن أن يؤدي اختيار زاوية شعاع أضيق إلى التحايل بفعالية على انعكاسات الجدران وتداخل المكونات الهيكلية الداخلية. بالنسبة للأسطح السائلة المسطحة الكبيرة، تكون متطلبات زاوية الشعاع فضفاضة نسبيًا، ولكن لا يزال يجب الانتباه إلى تجنب مداخل التغذية أو مجاذيف التقليب أو أنابيب السقوط.

3. إشارة الإخراج: مطابقة احتياجات التحكم PLC/DCS عن قرب

يحدد تنسيق إخراج مستشعر المستوى بالموجات فوق الصوتية مباشرةً كيفية اندماجه في بنية الأتمتة لديك.

  • تبديل الإخراج (PNP / NPN)
    • سيناريوهات قابلة للتطبيق: إنذارات عالية/منخفضة المستوى، والحماية من التدفق الزائد، واكتشاف الصوامع الفارغة، واكتشاف الشغل في موضعه واكتشاف التواجد.
    • المنطق: عندما تصل المادة إلى العتبة المحددة، تقوم بإخراج إشارة تشغيل/إيقاف مباشرةً إلى PLC. مناسب جدًا للكشف البسيط في الموضع في معدات التغليف أو إنذارات امتلاء خزان المياه.
  • الإخراج التناظري (4-20mA / 0-10V)
    • سيناريوهات قابلة للتطبيق: المراقبة المستمرة لمستوى السوائل/المواد، وتقدير بدل التخزين، وتسجيل اتجاهات نظام التحكم الموزع.
    • المنطق: يتميز المعيار الصناعي 4-20mA بقدرات قوية للغاية ضد التداخل ومناسبة للإرسال لمسافات طويلة؛ أما المعيار الصناعي 0-10 فولت فيتميز بأسلاك بسيطة ومناسبة للمسافات الأقصر أو للتكامل الداخلي داخل صناديق التحكم الكهربائية للمعدات.
  • مخرج الاتصالات الرقمية (RS485 / مودبوس، إلخ)
    • سيناريوهات قابلة للتطبيق: المراقبة المركزية لخزانات متعددة، والاتصال الشبكي عن بُعد، والربط مع البوابات الذكية، وتكامل منصة إنترنت الأشياء.
    • الميزة: لا يمكنه قراءة المسافات فحسب، بل يمكنه أيضًا الحصول على حالة التشغيل ومعلومات التشخيص الخاصة بالمستشعر.

لا يكمن مفتاح الاختيار في أنه كلما زادت الوظائف كلما كان ذلك أفضل، ولكن يجب أن يتطابق تنسيق الإخراج تمامًا مع نظام التحكم الحالي للعميل.

4. مادة الضميمة، وتصنيف الحماية، والبيئة في الموقع

أن تكون المادة مناسبة نظريًا للقياس بالموجات فوق الصوتية لا يعني أن المستشعر من أي شكل خارجي يمكن أن يتحمل قسوة البيئة في الموقع. عند الاختيار، يجب التأكد مما إذا كان الموقع يواجه التحديات التالية:

  • هل تصنيف الحماية IP67 أو حتى أعلى من ذلك مطلوب؟
  • هل ستتعرض لبخار الماء أو تركيزات عالية من الغبار أو بقع الزيت لفترة طويلة؟
  • هل توجد غازات كيميائية مسببة للتآكل في الموقع، وهل هناك حاجة إلى مجسات مضادة للتآكل (مثل مادة PTFE)؟
  • هل هناك بيئات شديدة الارتفاع والانخفاض في درجات الحرارة أو تأثيرات ميكانيكية؟
  • هل مساحة تركيب المعدات محدودة، مما يتطلب بنية مدمجة؟
  • ما هي معايير التركيب المحددة للفلنجات أو الخيوط أو الأقواس في الموقع؟

أمثلة على السيناريو: تقدر صناعة معالجة المياه قيمة العزل المائي ومقاومة التآكل بشكل أكبر؛ وتقدر صوامع المسحوق قيمة مقاومة الغبار ومقاومة التآكل بشكل كبير؛ وتتطلب معدات التعبئة والتغليف سرعة استجابة سريعة ومناطق عمياء صغيرة وسهولة التركيب المدمج.

5. الكشف الموسع للعملية المحددة: المواد الشفافة والصفائح المزدوجة وتصحيح الانحراف

تتجاوز الحدود التقنية لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية حدود القياس على مستوى المواد. ولأنها لا تعتمد فيزيائيًا على الخصائص البصرية على الإطلاق، ففي السيناريوهات الصعبة للغاية حيث تميل أجهزة الاستشعار الكهروضوئية إلى الفشل، غالبًا ما تكون الموجات فوق الصوتية هي الحل الوحيد الموثوق به.

سلسلة أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية الصناعية ISSR لا تتفوق فقط في إكمال قياس المسافة ومراقبة المستوى، ولكنها تُستخدم أيضًا على نطاق واسع في:

  • كشف دقيق للأفلام الشفافة/الملصقات الشفافة تمامًا;
  • الكشف عن الورق والرقائق المعدنية والأغشية البلاستيكية المزدوجة أو المتداخلة;
  • تصحيح الانحراف عالي الدقة لحواف مواد التعبئة والتغليف;
  • التغذية الراجعة عن بُعد في الوقت الحقيقي على خطوط الإنتاج الآلية.

في صناعات صناعة الورق وبطاريات الليثيوم والأفلام العاكسة للغاية وصناعات الطباعة المتطورة، استخدمت الموجات فوق الصوتية فروق الإرسال الصوتي والانعكاس والتوهين لتحقيق استقرار يتجاوز بكثير استقرار المبادئ الكهروضوئية. ولذلك، في الأتمتة الصناعية الحديثة، لا ينبغي النظر إلى أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية على أنها مجرد “مقاييس لمستوى السائل”؛ فهي في الواقع مكونات أساسية للكشف الصوتي غير المتصل قادرة على إخراج إشارات تحكم متنوعة.

جدول الحكم السريع: ما هي المواد المناسبة لمستشعرات المستوى بالموجات فوق الصوتية؟

نوع المادة قابلية التطبيق السبب الرئيسي اقتراحات الاختيار والتركيب
المياه النظيفة، ومياه الصرف الصحي، والمبرد عالية السطح السائل متصل ومستوٍ، وصدى الصوت واضح ومستقر احرص على تجنب المناطق المتذبذبة والرغوية بعنف، وتأكد من ارتفاع التركيب
الزيوت، نفايات الزيوت عالية يمكن أن يشكل السطح عادةً انعكاسًا مستقرًا يشبه المرآة تقييم رذاذ الزيت في الموقع، وتركيز البخار، ودرجة الحرارة المحيطة
السوائل الكيميائية متوسط-عالي يمكن أن تشكل الغالبية العظمى من السوائل انعكاسات فعالة يجب التأكد من التآكل، واختيار المجسات المضادة للتآكل حسب الاقتضاء
الطين، السوائل العكرة متوسط-عالي لا يتأثر انتشار الموجات الصوتية تمامًا بلون السائل والعكارة الانتباه إلى منع الترسب الزائد في القاع، وتقلب سطح السائل، ورغوة السطح
الألواح المعدنية، والألواح الزجاجية، والبلاستيك الصلب عالية المواد المسطحة الصلبة كثيفة، والصدى الصوتي قوي للغاية يجب التأكد من تثبيت المستشعر عمودياً بشكل مربع على السطح المستهدف
الصناديق والمنصات النقالة وأكوام الورق المقوى عالية مساحة انعكاس كبيرة للهدف، وإشارة مستقرة وموثوقة تجنب وجود ميزات حافة الشُّغْلَة أو الأسطح المائلة في مواجهة المسبار
الحبوب والحبيبات البلاستيكية متوسط-عالي حجم الجسيمات كبير بما يكفي لتكوين سطح انعكاس صوتي فعال التركيز على تقييم زاوية استراحة المادة، وتجنب منطقة الغبار في مدخل التغذية
الأسمنت، المسحوق المعدني، المسحوق الكيميائي متوسط تؤدي الأسطح غير المنتظمة بسهولة إلى التشتت، ويمتص الغبار الطاقة الصوتية يوصى بشدة بإجراء الاختبار في الموقع؛ ويفضل استخدام الموديلات ذات الشعاع الضيق والطاقة العالية
الإسفنج والإسفنج والقطن والمواد الناعمة الأخرى منخفضة تمتص المواد اللينة الموجات الصوتية بشدة، وتكون الأصداء ضعيفة للغاية لا يُنصح بشدة استخدام الموجات فوق الصوتية العادية مباشرةً؛ وينبغي النظر في حلول بديلة
أسطح سائلة مغطاة برغوة سميكة منخفضة سوف تمتص طبقة الرغوة الموجات الصوتية وتشتت الموجات الصوتية بالكامل النظر في تركيب أنبوب موجه موجي، أو التحول إلى معدات مبدأ الرادار/المبدأ الهيدروستاتيكي
داخل صهاريج التفريغ غير قابل للتطبيق في حالة عدم وجود وسط هوائي، لا يمكن للصوت أن ينتشر في الفراغ على الإطلاق ينتمي إلى القيد المادي؛ يجب اختيار عدادات مستوى السائل القائمة على مبادئ أخرى
بيئات البخار ذات درجات الحرارة العالية منخفضة-متوسطة يعمل البخار على تغيير سرعة الصوت في الوسط، ويؤثر التصاق التكثيف على المسبار يجب أن يكون مزودًا بوظيفة تعويض درجة الحرارة، لتأكيد خطر تراكم التكثيف

الاستنتاج: للحكم على مدى إمكانية قياسه، يكمن الأساس في “الانعكاسية الصوتية” و “الوسط البيئي”

وباختصار، فإن مستشعر مستوى الخزان بالموجات فوق الصوتية هو حل قياس غير تلامسي مع نطاق تطبيق واسع للغاية، وفعالية عالية للغاية من حيث التكلفة، وسهولة كبيرة في التكامل في أنظمة PLC/DCS. يعمل بشكل جيد للغاية في السيناريوهات التالية:

  • مستويات السوائل في الحاويات المختلفة (معالجة المياه، والصرف الصحي، وخزانات النفط، وخزانات تخزين المواد الكيميائية);
  • الكشف عن المواد الصلبة المسطحة الصلبة (التحكم في مسافة الصناديق والألواح والمنصات النقالة وقطع العمل);
  • مراقبة مخصصات المواد الحبيبية وبعض صوامع المسحوق;
  • التعرف الدقيق بدون تلامس على الأهداف الشفافة والمظلمة والعاكسة للغاية.

ومع ذلك، يجب الحفاظ على الدقة والحذر الهندسي عند مواجهة الظروف القاسية التالية:

  • مواد ناعمة ممتصة للصوت بقوة ومساحيق خفيفة الوزن ورقيقة للغاية;
  • سوائل ذات أسطح مغطاة برغوة سميكة أو تتدحرج بعنف;
  • بيئات التفريغ، أو البخار عالي الحرارة، أو بيئات التكثيف القوية;
  • صوامع غبار ذات هياكل داخلية معقدة بشكل غير طبيعي.

بالنسبة للاختيار الهندسي لمهندسي الأتمتة، فإن الطريقة الأكثر موثوقية لا تتمثل أبدًا في مجرد قراءة العناوين الترويجية للمنتج، ولكن في إصدار حكم شامل يجمع بين الخصائص الصوتية الخاصة بالمادة، ومساحة التركيب في الموقع، ودرجة مطابقة النطاق والمنطقة العمياء، وحجم زاوية الشعاع، وإشارة الخرج المطلوبة، والظروف البيئية المتوسطة الفعلية.

إذا كنت تبحث عن مستشعرات مستوى/مستشعرات فوق صوتية مستقرة وموثوقة للصوامع أو صهاريج التخزين أو خزانات المياه أو معدات التعبئة والتغليف أو خطوط الإنتاج الآلية، فنحن نرحب بك لزيارة مستشعر ISSRS Sensor الصناعي سلسلة أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية الصفحة، أو اتصل ب ISSRSensor للحصول على دعم احترافي لاختبار العينات واقتراحات معلمات الاختيار.

الأسئلة الشائعة

س 1: هل يؤثر لون أو شفافية المادة المستهدفة على نتائج قياس مستشعر مستوى الخزان بالموجات فوق الصوتية؟

A1: لا، ليس كذلك. تعتمد أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية على مبدأ انعكاس الموجات الصوتية (أي انتشار الموجات الصوتية وارتدادها)، بدلاً من الخصائص البصرية. ولذلك، يمكنها الكشف بشكل موثوق ودقيق عن المواد الشفافة أو المظلمة أو العاكسة للغاية، مما يجعلها بديلاً يمكن الاعتماد عليه بشكل كبير في السيناريوهات التي قد تفشل فيها أجهزة الاستشعار الكهروضوئية.

س2: هل يمكن استخدام مستشعرات المستوى بالموجات فوق الصوتية لقياس المواد الحبيبية والمساحيق؟

A2: نعم، ولكن يجب توخي الحذر عند اختيار نموذج. في حين أنها قادرة على قياس الحبيبات والكريات البلاستيكية والمساحيق الكثيفة، إلا أن الأشكال السطحية غير المنتظمة للغاية (مثل زوايا الارتداد الحادة) والغبار الثقيل المحمول في الهواء يمكن أن تشتت أو تمتص طاقة الموجات الصوتية. بالنسبة لمثل هذه التطبيقات، يوصى بشدة باختيار مستشعر بزاوية شعاع ضيقة وقوة إرسال كافية، وتثبيته بعيدًا عن مدخل المادة.

س3: هل أجهزة استشعار المستوى بالموجات فوق الصوتية مناسبة للسوائل ذات الطبقة السميكة من الرغوة التي تغطي السطح؟

A3: بشكل عام، لا. تعمل طبقة سميكة ومتصلة من الرغوة كمادة ناعمة ممتصة للصوت تمتص الموجات فوق الصوتية وتشتت الموجات فوق الصوتية تمامًا. وينتج عن ذلك إشارات ضعيفة، أو قراءات غير منتظمة، أو حتى يقيس المستشعر “قمة الرغوة” فقط بدلاً من مستوى السائل الفعلي. بالنسبة للسوائل ذات الرغوة الكبيرة، يوصى باستخدام نظام قياس بمساعدة الدليل الموجي أو التحول إلى أجهزة الاستشعار الرادارية أو الهيدروستاتيكية بدلاً من ذلك.

س4: لماذا لا يمكن استخدام أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية في بيئة مفرغة؟

A4: ويرجع ذلك إلى قيد فيزيائي أساسي. تعمل أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية على أساس قياس “زمن تحليق” الموجات الصوتية (TOF). يتطلب انتشار الصوت وجود وسيط فيزيائي (مثل الهواء أو الغازات الأخرى). في الفراغ، فإن عدم وجود وسيط لنقل الموجات الصوتية ذهابًا وإيابًا بين المستشعر والجسم المستهدف يجعل القياس مستحيلًا تمامًا.

س5: ما هي “المنطقة العمياء” لجهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية؟ لماذا لا ينبغي لي ببساطة اختيار جهاز استشعار بأكبر نطاق قياس ممكن؟

A5: تشير المنطقة العمياء إلى المنطقة المباشرة أمام المستشعر مباشرةً؛ وداخل هذه المنطقة، لا يمكن للمستشعر استقبال إشارات الصدى بشكل موثوق لأن محول الطاقة لا يزال في “مرحلة الاسترداد” مباشرةً بعد إرسال نبضة صوتية. تتميز أجهزة الاستشعار ذات نطاق القياس الأقصى الأكبر عادةً بمنطقة عمياء أكبر، وزاوية شعاع أوسع، ودقة أقل نسبيًا. لذلك، يجب عليك اختيار مستشعر يغطي نطاق قياسه بدقة مسافة الكشف الفعلية (مع السماح بهامش هندسي معقول) لتجنب التداخل غير الضروري.

س6: هل يمكن لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية قياس المواد اللينة مثل الإسفنج أو القطن أو اللباد؟

A6: لا يُنصح بذلك بشدة. تميل المواد اللينة أو المسامية أو الرقيقة إلى امتصاص كميات كبيرة من الطاقة الصوتية. عندما تصطدم الموجات الصوتية بهذه الأسطح، فإنها تفشل في توليد صدى قوي ومركّز بما فيه الكفاية للانعكاس إلى مسبار المستشعر؛ وغالبًا ما يؤدي ذلك إلى فقدان الإشارة أو قراءات خاطئة.

س7: كيف يؤثر البخار عالي الحرارة والتكثيف على القياسات بالموجات فوق الصوتية؟

A7: تغير البيئات البخارية الشديدة كثافة وسط الهواء، وبالتالي تغير سرعة الصوت وتؤدي إلى حسابات غير دقيقة للمسافة. وعلاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي تراكم التكثيف الكبير على مسبار المستشعر إلى إضعاف الإشارة فوق الصوتية بشدة. بالنسبة لمثل هذه البيئات، من الضروري اختيار أجهزة استشعار مزودة بتصميمات مدمجة لتعويض درجة الحرارة ومضادة للتكثيف.

س 8: ما أنواع إشارات الخرج التي توفرها عادةً مستشعرات المستوى بالموجات فوق الصوتية الصناعية لتسهيل تكامل الأتمتة؟

A8: وهي عادةً ما تقدم ثلاثة أنواع رئيسية من إشارات الخرج لتلبية متطلبات أنظمة التحكم PLC/DCS: المخرجات المنفصلة (PNP/NPN)، وتستخدم للإنذارات البسيطة ذات المستوى العالي/المنخفض أو الكشف عن الموقع؛ والمخرجات التناظرية (4-20mA / 0-10V)، وتستخدم للمراقبة المستمرة لمستويات السوائل أو المواد؛ ومخرجات الاتصالات الرقمية (RS485 / Modbus)، وتستخدم للشبكات متعددة النقاط ودمج الأجهزة الذكية.

المنتجات ذات الصلة

تواصل معنا

اترك ردّاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *