Quali materiali sono adatti ai sensori di livello a ultrasuoni? Guida alle applicazioni industriali e alla selezione per evitare le insidie

Indice dei contenuti mostra

Introduzione

Nel campo dell'automazione industriale, i silos, i serbatoi di stoccaggio, le linee di trasporto, le apparecchiature di imballaggio e i sistemi di trattamento delle acque richiedono tutti un controllo preciso di un'informazione fondamentale: dove si trova il materiale in questo momento?

I misuratori di livello per liquidi o materiali tradizionali sono solitamente dotati di intestazioni del display, impostazioni di menu e funzioni di lettura locale; tuttavia, l'attenzione di questo articolo si concentra sul livello inferiore. sensore di livello del serbatoio a ultrasuoni e di misura che sono più facili da integrare nell'automazione. Questi sensori in genere non sono caratterizzati da una visualizzazione in loco, ma emettono segnali principali direttamente a PLC, DCS, gateway IO-Link o controllori, come ad esempio:

  • Uscita di commutazione: PNP / NPN, utilizzati per allarmi di alto livello, basso livello, rilevamento di posizione e anti-tracimazione;
  • Uscita analogica: 4-20mA / 0-10V, utilizzato per il monitoraggio continuo del livello di liquidi o materiali;
  • Uscita di comunicazione digitale: RS485, Modbus, ecc. utilizzati per il collegamento in rete multipunto, l'acquisizione remota dei dati e l'integrazione di dispositivi intelligenti.

Dal punto di vista delle applicazioni ingegneristiche, i sensori a ultrasuoni non sono affatto prodotti che “possono misurare solo l'acqua”. Sono ampiamente applicabili a liquidi, solidi, granuli, polveri e ad alcuni target superficiali complessi. Attualmente, i principali produttori di sensori e strumentazione industriale applicano chiaramente la tecnologia a ultrasuoni a scenari di rilevamento del livello di liquidi, solidi, granuli, polveri e bersagli complessi.

Tuttavia, non sono onnipotenti. Il cuore della stabilità della misurazione a ultrasuoni non dipende dal colore, dalla trasparenza o dalla luminescenza del materiale, ma piuttosto da un fattore più fondamentale: la capacità di riflessione acustica della superficie del materiale e la stabilità del mezzo aereo in loco.

Principio del Core Ranging: perché la “caratteristica acustica” del materiale determina l'applicabilità?

Il principio di base di qualsiasi sensore di livello del serbatoio a ultrasuoni è il TOF (Time of Flight).

La sonda emette un fascio di onde sonore ad alta frequenza. Le onde sonore si propagano nell'aria, si riflettono quando incontrano la superficie del materiale e l'eco viene ricevuto dalla sonda. Il circuito di controllo calcola la distanza in base alla differenza di tempo tra l'emissione e la ricezione delle onde sonore:

Distanza=Velocità del suono×Tempo di andata e ritorno2\´testo{Distanza} = ´frac{testo{Velocità del suono} ´molte volte ´testo{Tempo di percorrenza}}{2}
Tempo di volo

Se l'altezza complessiva dell'installazione del silo o del serbatoio di stoccaggio è nota, il sistema può calcolare ulteriormente l'altezza del livello del liquido, del materiale o dello spazio rimanente.

La misurazione a ultrasuoni si concentra sulla “riflessione acustica”, non sul colore

A differenza dei sensori fotoelettrici, sensori a ultrasuoni si basano principalmente sulla propagazione delle onde sonore e sulla ricezione dell'eco. Pertanto, in genere non sono direttamente influenzati dai seguenti fattori visivi o ottici:

  • La tonalità del colore del materiale;
  • Se la superficie è trasparente;
  • Se la superficie è lucida;
  • L'intensità della luce ambientale;
  • Se il bersaglio è riflettente.
Applicazioni di monitoraggio ambientale per vari schizzi di polvere liquida colorata

Per questo motivo, i sensori a ultrasuoni possono essere ampiamente utilizzati per la misurazione di solidi, liquidi, granuli e polveri e sono completamente liberi dalle limitazioni legate al colore, alla lucentezza e alla trasparenza del target. I sensori di livello a ultrasuoni possono identificare con precisione oggetti trasparenti, scuri, ad alta luminosità o strutturalmente complessi e, in una certa misura, possono penetrare l'interferenza di polvere e nebbia.

Fattori chiave che influenzano la stabilità delle misure

I fattori fondamentali che determinano realmente se un rilevatore di livello a ultrasuoni è adatto includono:

  • Se la superficie può formare echi efficaci: Le superfici piatte, dure e dense sono più inclini a riflettere le onde sonore;
  • Se il materiale assorbe il suono: Materiali morbidi come spugna, schiuma e fibre assorbono facilmente l'energia acustica;
  • Se la superficie fluttua violentemente: Il rotolamento del liquido, l'agitazione e l'impatto del materiale causano un salto del segnale di eco;
  • Se c'è una quantità eccessiva di schiuma, polvere o vapore: Questi fattori assorbono e disperdono le onde sonore o modificano la velocità del suono;
  • Se l'angolo di installazione è corretto: La sonda deve essere il più possibile perpendicolare alla superficie media del bersaglio;
  • Se la portata, la zona cieca e l'angolo del fascio corrispondono: La logica di selezione per le brevi distanze nei piccoli serbatoi e per gli spazi ristretti nei grandi sili è completamente diversa.

In breve, il sensore di livello a ultrasuoni misura gli “echi”. Finché il materiale è in grado di restituire echi stabili e sufficientemente forti, di solito è in grado di fornire risultati di misura altamente affidabili.

I tipi di materiale più adatti ai sensori di livello a ultrasuoni

1. Vari liquidi: Dall'acqua pulita e le acque reflue ad alcuni liquidi chimici

I liquidi sono uno degli obiettivi applicativi più comuni e tecnologicamente maturi per i sensori di livello a ultrasuoni. I liquidi adatti alla misurazione includono:

  • Acqua pulita, acqua pura, acqua circolante;
  • Liquami, acque reflue, acqua piovana;
  • Liquido di raffreddamento, liquido di pulizia;
  • Fango, liquido torbido, livello del liquido della vasca di decantazione;
  • Alcuni liquidi chimici;
  • Oli, oli esausti, fluidi lubrificanti;
  • Livelli di liquido in serbatoi di stoccaggio, vasche e serbatoi d'acqua.

Un sensore di livello a ultrasuoni per serbatoi può essere utilizzato non solo per il rilevamento del livello di liquidi e solidi, ma è anche adatto al monitoraggio del flusso in canali aperti e può adattarsi bene a liquidi trasparenti o torbidi, a superfici relativamente sporche e ad altri obiettivi complessi. I loro scenari applicativi tipici riguardano il monitoraggio del livello dei liquidi industriali, il trattamento delle acque, i prodotti chimici e i serbatoi di petrolio.

Sensore a ultrasuoni per il rilevamento del livello dei liquidi nei serbatoi chimici

Perché i liquidi sono generalmente più adatti? Le superfici della maggior parte dei liquidi sono relativamente piatte e continue e possono formare un'interfaccia di riflessione delle onde sonore molto chiara. A condizione che la superficie del liquido non sia soggetta a violente oscillazioni e che la schiuma non sia spessa, i sensori a ultrasuoni possono solitamente ottenere una misurazione della distanza o un monitoraggio del livello del liquido altamente stabili.

Le applicazioni tipiche includono:

  • Monitoraggio del livello del liquido della piscina di trattamento delle acque;
  • Allarmi per il livello del liquido dei pozzi di scarico e dei pozzi di raccolta;
  • Acquisizione continua del livello del liquido in un serbatoio di stoccaggio chimico;
  • Controllo del livello alto e basso del serbatoio dell'acqua dell'apparecchiatura;
  • Rilevamento del serbatoio dell'olio e del refrigerante;
  • Misura dell'altezza del canale aperto o del canale aperto.

Condizioni liquide da tenere d'occhio: Sebbene i liquidi siano estremamente adatti alla misurazione a ultrasuoni, i seguenti rischi potenziali devono ancora essere valutati nelle applicazioni reali:

  • Se è presente una schiuma eccessivamente spessa sulla superficie;
  • Se c'è un intenso rimescolamento meccanico nel serbatoio;
  • Se l'ambiente è pieno di grandi quantità di vapore ad alta temperatura;
  • Se la superficie della sonda è soggetta a condensa e accumulo di materiale;
  • Se la superficie del liquido presenta evidenti inclinazioni o vortici;
  • Se all'interno del contenitore sono presenti interferenze strutturali come pale di agitazione, scale o tubi.

In generale, se si tratta di misurare senza contatto acqua pulita, acque reflue, olio o liquidi chimici, un sensore di livello a ultrasuoni è di solito una soluzione molto economica e facile da integrare.

2. Materiali solidi regolari e duri: Metallo, vetro, lastre di plastica, ecc.

Oltre ai liquidi, i sensori a ultrasuoni sono molto adatti a rilevare bersagli solidi duri, regolari e relativamente piatti. I materiali tipici includono:

  • Piastre di metallo;
  • Piastre di vetro;
  • Lastre di plastica dura;
  • Tavole di legno;
  • Pile di cartone;
  • Pallet, scatole, pezzi da lavorare;
  • Oggetti piatti di grandi dimensioni;
  • Bloccare i materiali con superfici piane.

Va sottolineato che gli ultrasuoni sono più adatti a rilevare superfici solide “grandi e piatte”, mentre le loro prestazioni di rilevamento su bersagli morbidi o irregolari non sono ideali. Questa caratteristica è fondamentale nella selezione industriale.

Perché le superfici piane e dure funzionano bene? Le superfici dure e piane presentano generalmente due vantaggi acustici:

  1. Forte riflessione del suono: Il materiale della superficie è denso e non tende ad assorbire l'energia acustica;
  2. Direzione di riflessione stabile: Se il sensore è installato verticalmente, l'eco può ritornare alla sonda seguendo il percorso originale.

Pertanto, quando vengono utilizzati come sensori di distanza a ultrasuoni per il rilevamento in posizione, il rilevamento dell'altezza dell'oggetto e il rilevamento dell'altezza di impilamento, questi dispositivi funzionano in modo estremamente stabile.

Altezza di impilamento del carico

Le applicazioni tipiche includono:

  • Rilevamento dell'altezza di impilamento delle schede;
  • Rilevamento della casella in posizione;
  • Rilevamento della distanza dei pallet;
  • Evitazione degli ostacoli da parte dei robot;
  • Monitoraggio della posizione interna del pezzo nelle apparecchiature;
  • Rilevamento dell'altezza o della presenza del cartone sulle linee di confezionamento.

Suggerimenti per l'installazione: Quando si misurano i solidi duri, assicurarsi il più possibile che:

  • Il sensore è rivolto verso la superficie di destinazione;
  • L'area di destinazione è più grande dell'area di copertura del fascio;
  • La superficie non è eccessivamente inclinata;
  • Evitare che bordi, fori o strutture fortemente irregolari siano rivolti verso la sonda;
  • Nel caso di superfici metalliche o di vetro lisce, anche una leggera deviazione angolare può causare la deviazione dell'eco, con conseguente perdita di segnale.

3. Materiali granulari e polveri

I granuli e le polveri sono i tipi di materiali che la maggior parte dei tecnici di prova sperimenta quando progetta un sistema completo di misurazione del livello del contenitore con applicazioni a ultrasuoni.

I sensori a ultrasuoni vengono utilizzati per il rilevamento del livello dei materiali in magazzino

I materiali più comuni includono:

  • Granuli di plastica;
  • Cereali, mais, grano e soia;
  • Pellet per mangimi;
  • Sabbia, pietra, particelle di minerale;
  • Cemento, calce in polvere, polvere minerale;
  • Polveri chimiche;
  • Cippato, pellet;
  • Polveri alimentari, amido, farina.

In scenari quali serbatoi di stoccaggio, silos e autocisterne, come rilevatori di livello affidabili per il monitoraggio dei bidoni, questi sensori sono spesso utilizzati per la misurazione del livello di liquidi, fanghi, gas liquefatti, nonché polveri e granuli solidi.

Perché i granuli e le polveri sono “misurabili ma complessi”? La difficoltà non risiede nell'incapacità degli ultrasuoni di riflettere, ma nel fatto che la morfologia superficiale di questi materiali è solitamente irregolare. Quando si monitora un silo di cereali, i materiali in polvere e granulari formano tipicamente una pila conica dopo la caduta e l'angolo di inclinazione è noto in ingegneria come angolo di riposo. Quando le onde sonore colpiscono questa superficie inclinata del materiale, gli echi si diffondono facilmente e il sensore di livello non riceve un segnale sufficientemente forte.

Inoltre, i materiali in polvere possono causare i seguenti problemi:

  • Generazione di polvere massiccia durante la caduta;
  • Superfici di materiale sciolto che causano l'assorbimento o la dispersione delle onde sonore;
  • Superfici irregolari che generano un'eco instabile;
  • L'accumulo di materiale sulle pareti del silo genera facilmente falsi echi;
  • Strutture complesse di silo, traverse interne o tubi che causano interferenze acustiche;
  • La polvere aderisce alla superficie della sonda del sensore, riducendo l'efficienza di emissione e ricezione.

In quali condizioni i granuli/le polveri sono più adatti agli ultrasuoni? La percentuale di successo della misurazione a ultrasuoni è maggiore quando sono soddisfatte le seguenti condizioni:

  • Il silo non è particolarmente profondo;
  • La polvere non si trova in uno stato di diffusione continua ad alta concentrazione;
  • Le particelle di materiale sono relativamente grandi e la superficie è piuttosto densa;
  • L'altezza del livello cambia lentamente;
  • La posizione di installazione può evitare efficacemente l'ingresso di alimentazione;
  • Il sensore può puntare il più possibile alla superficie media del materiale;
  • Il sensore selezionato ha un angolo di emissione ridotto per ridurre l'interferenza della riflessione della parete;
  • Il sito consente il debug dell'eco o l'elaborazione di filtri.

Quando è necessario essere prudenti? I seguenti scenari richiedono estrema cautela nella selezione e, se necessario, devono essere eseguiti prima dei test a campione:

  • Polveri ultrafini o polveri estremamente leggere e molto soffici;
  • Ambienti a caduta continua accompagnati da polvere elevata;
  • Sili molto alti e molto stretti;
  • L'angolo di riposo della superficie del materiale è troppo grande;
  • All'interno del silo sono presenti componenti strutturali complessi;
  • Ambienti con forti vibrazioni o forti flussi d'aria;
  • accompagnata da vapore ad alta temperatura o gas corrosivi.

Per la misurazione di granuli e polveri, si raccomanda di non limitarsi al “limite superiore della gamma”, ma di considerare in modo completo l'angolo del fascio, la zona cieca, gli algoritmi di elaborazione dell'eco, il grado di protezione dell'involucro, la struttura antipolvere e una posizione di installazione ragionevole.

Quali materiali sono inadatti o soggetti a falsi allarmi?

I consigli di selezione veramente professionali non devono solo indicare “cosa si può misurare”, ma anche specificare chiaramente “quando se ne sconsiglia l'uso”. Questo è uno standard importante per giudicare se un fornitore ha una profonda esperienza ingegneristica.

1. Materiali fonoassorbenti e superfici morbide e irregolari

Schema delle onde sonore del sensore a ultrasuoni assorbite dalla spugna

I seguenti materiali non sono generalmente adatti alla misurazione stabile con i comuni sensori a ultrasuoni:

  • Spugna, cotone espanso, polistirolo spesso;
  • Feltro, cotone, fibre tessili;
  • Polveri estremamente soffici o materiali leggeri con superfici molto sciolte;
  • Superfici irregolari dei sacchi da imballaggio morbidi.

Motivo principale: Questi materiali assorbono o disperdono grandi quantità di energia acustica. Dopo l'emissione dell'onda sonora, non è possibile formare un'eco sufficientemente forte e concentrata, e il sensore è estremamente incline ad avere assenza di segnale, valori saltati o falsi allarmi. In breve, i bersagli morbidi o con superficie estremamente irregolare non sono oggetti ideali per la misurazione acustica.

Se il processo in loco richiede l'individuazione di tali materiali, prendere in considerazione:

  • Aumentare la superficie di riflessione del bersaglio o modificare l'angolo di installazione;
  • Riduzione della distanza di rilevamento effettiva;
  • Utilizzo di sensori con maggiore potenza acustica o frequenze operative specifiche;
  • Devono essere verificati attraverso test effettivi in loco;
  • Se necessario, passare con decisione a metodi di pesatura, radar, finecorsa meccanici o altri principi di rilevamento.

2. Liquidi con schiuma estremamente spessa o fluttuazioni violente sulla superficie

La schiuma è un fattore di interferenza molto tipico e complicato nella misura di livello dei liquidi a ultrasuoni. Una schiuma leggera e sottile può talvolta essere migliorata attraverso il filtraggio algoritmico e l'ottimizzazione dell'installazione, ma se la superficie del liquido è ricoperta da uno spesso strato di schiuma, è molto probabile che gli ultrasuoni vengano completamente assorbiti e dispersi dallo strato di schiuma, con conseguenti violente fluttuazioni dei valori misurati, e il sensore potrebbe addirittura misurare solo la “superficie della schiuma” anziché la vera altezza del livello del liquido.

Gli scenari soggetti a problemi includono:

  • Vasche di fermentazione, vasche di aerazione;
  • Bollitori di reazione fortemente agitati;
  • Serbatoi per la pulizia della schiuma;
  • Liquidi contenenti grandi quantità di tensioattivi;
  • Contenitori in operazioni di riempimento o svuotamento ad alta velocità;
  • Superfici liquide che ruzzolano violentemente nei tini.

Suggerimenti per la risposta: In caso di schiuma, superfici liquide che oscillano violentemente e ambienti polverosi, si raccomanda di adottare le seguenti misure:

  • Installare il sensore in un'area relativamente calma della superficie del liquido, assicurandosi di evitare gli ingressi di alimentazione e il centro di agitazione;
  • Utilizzare un tubo a guida d'onda o un pozzo di calma per isolare fisicamente la schiuma e migliorare la stabilità della superficie del liquido;
  • Impostare tempi di filtraggio ragionevoli nel sistema di controllo;
  • Confermare l'effettivo spessore della schiuma in loco; se la schiuma è costantemente molto spessa, valutare con decisione soluzioni alternative come radar o trasmettitori idrostatici.

3. Ambienti di vuoto e ambienti estremi di vapore/condensa

Le caratteristiche fisiche degli ultrasuoni impongono di affidarsi all'aria o ad altri mezzi gassosi per la propagazione. Senza un mezzo di propagazione, le onde sonore non possono assolutamente raggiungere il bersaglio. Pertanto, i normali sensori di livello a ultrasuoni ad aria non possono assolutamente essere utilizzati all'interno di un serbatoio sottovuoto. Si tratta di una limitazione determinata da principi fisici fondamentali, non di una differenza tecnica tra le marche di sensori.

Inoltre, anche gli ambienti con vapore e condensa ad alta temperatura rappresentano una sfida impegnativa:

  • L'eccesso di vapore altera la densità del mezzo aereo, modificando la velocità del suono e causando una misurazione imprecisa della distanza;
  • Una grande quantità di acqua condensata che aderisce alla superficie della sonda attenua notevolmente il segnale acustico;
  • I gradienti di temperatura all'interno del contenitore causano errori di propagazione delle onde sonore (nota: i nostri prodotti sono dotati di serie di una funzione di compensazione della temperatura per risolvere questo problema);
  • Ambienti ad alta umidità e ad alta temperatura possono compromettere la durata dei componenti elettronici interni (Nota: i nostri prodotti sono sottoposti a rigorosi test di invecchiamento prima di lasciare la fabbrica per garantire la stabilità a lungo termine);
  • I gas corrosivi possono danneggiare le normali custodie o i materiali dei trasduttori (in questo caso, è necessario scegliere le nostre serie di sonde e sensori anticorrosione).

Proprio come i campi di temperatura e pressione applicabili sono enfatizzati in molta documentazione sui misuratori di livello per liquidi, anche i sensori a ultrasuoni hanno i loro limiti fisici distinti. Si raccomanda una scelta prudente soprattutto nei seguenti scenari:

  • Serbatoi sottovuoto o contenitori sigillati ad alta pressione;
  • Serbatoi di vapore ad alta temperatura, ambienti a forte condensazione;
  • Ambienti con gas fortemente corrosivi;
  • Apparecchiature con temperature interne che cambiano violentemente;
  • Condizioni in cui il vapore scorre continuamente nella posizione di installazione della sonda.

Guida all'integrazione industriale: Come selezionare i parametri del sensore a ultrasuoni ISSRSensor in base al materiale?

In qualità di azienda produttrice di sensori, quando assistiamo i clienti nella scelta, non ci fermiamo mai al “si può misurare”, ma ci dedichiamo a tradurre le caratteristiche complesse dei materiali in parametri specifici dei sensori. Per i PLC, i DCS o i sistemi di controllo delle apparecchiature di livello inferiore, la richiesta principale è sempre quella di ottenere un segnale elettrico stabile, ripetibile e facile da integrare.

La serie di sensori industriali a ultrasuoni ISSRSensor è ampiamente utilizzata in scenari quali la misurazione del livello dei liquidi, il livello dei materiali, il rilevamento di materiali trasparenti, il rilevamento di fogli doppi e il rilevamento della correzione della deviazione. Nella scelta, si raccomanda di concentrarsi sulla valutazione dei seguenti parametri:

1. Gittata e zona cieca: Evitare di essere “avidi di grande portata”.”

I sensori a ultrasuoni presentano solitamente un'area non misurabile a distanza ravvicinata, nota come “zona cieca”. All'interno della zona cieca, dopo che il sensore ha appena emesso un'onda sonora, il trasduttore è ancora nella fase di recupero dell'anello e non può ricevere in modo affidabile gli echi a distanze estremamente ravvicinate.

Pertanto, al momento della scelta, è necessario verificare contemporaneamente: la distanza minima di rilevamento, la distanza massima di rilevamento, l'altezza di installazione, i punti di livello più alto/basso, la struttura interna del serbatoio e la capacità di riflessione della superficie del target. La portata, la zona cieca e il campo di misura effettivo sono parametri fondamentali che si condizionano a vicenda.

Logica di selezione:

  • Distanza ridotta/contenitori piccoli/pezzi piccoli: Preferire sensori ad alta frequenza, a piccolo raggio e con zona cieca ridotta;
  • Serbatoi di stoccaggio di medie dimensioni o serbatoi d'acqua: Scegliere una gamma media, dotata di modelli con uscite analogiche stabili;
  • Grandi silos/grandi spazi: Scegliere modelli a bassa frequenza, a grande portata e con angoli di emissione più stretti;
  • Polvere o materiali granulari: Privilegiare la potenza del segnale, l'angolo del fascio e l'angolo di installazione corretto;
  • Contenitori stretti: È necessario selezionare un angolo di emissione stretto per evitare che il raggio sonoro colpisca le pareti del silo e generi falsi echi.

Non cercate mai di ottenere una gamma extra-large solo per “sicurezza”. Una portata eccessiva non solo comporta una zona cieca più ampia, ma anche un fascio più ampio, una risoluzione più bassa e l'introduzione di ulteriori interferenze in loco difficili da gestire. L'approccio corretto è: è sufficiente un intervallo che copra la distanza di rilevamento effettiva e lasci un margine tecnico ragionevole.

2. Frequenza e angolo del fascio: Bilanciare la penetrazione, la risoluzione e l'anti-interferenza

Le frequenze operative dei sensori a ultrasuoni variano tipicamente da decine di kHz a centinaia di kHz, con frequenze diverse corrispondenti a caratteristiche acustiche distinte:

  • Ultrasuoni a bassa frequenza: Propaga più lontano ed è estremamente insensibile all'attenuazione dell'aria, il che lo rende più adatto a silos di grandi dimensioni e superfici ruvide; ma il suo fascio è solitamente più ampio e la sua risoluzione è relativamente più bassa.
  • Ultrasuoni ad alta frequenza: Fascio altamente concentrato, risoluzione estremamente elevata e zona cieca ridotta, che lo rendono molto adatto al rilevamento di precisione a breve distanza; lo svantaggio è la notevole attenuazione del segnale sulle lunghe distanze.

Per i materiali in polvere e granulari, la scelta di un angolo del fascio più stretto può aggirare efficacemente le riflessioni delle pareti e le interferenze dei componenti strutturali interni. Per le superfici liquide piane di grandi dimensioni, i requisiti per l'angolo del fascio di luce sono relativamente deboli, ma occorre comunque prestare attenzione a evitare ingressi di alimentazione, palette di agitazione o tubi di caduta.

3. Segnale di uscita: corrispondenza con le esigenze di controllo di PLC/DCS

Il formato di uscita del sensore di livello a ultrasuoni determina direttamente il modo in cui si integrerà nell'architettura di automazione.

  • Uscita di commutazione (PNP / NPN)
    • Scenari applicabili: Allarmi di livello alto/basso, protezione da traboccamento, rilevamento del silo vuoto, rilevamento della presenza e della posizione del pezzo.
    • Logica: Quando il materiale raggiunge la soglia impostata, emette direttamente un segnale ON/OFF al PLC. Molto adatto per un semplice rilevamento in posizione su apparecchiature di imballaggio o per allarmi di serbatoio dell'acqua pieno.
  • Uscita analogica (4-20mA / 0-10V)
    • Scenari applicabili: Monitoraggio continuo del livello di liquidi/materiali, stima dell'indennità del serbatoio di stoccaggio, registrazione dei trend del DCS.
    • Logica: Lo standard industriale 4-20mA ha capacità anti-interferenza eccezionalmente forti ed è adatto per la trasmissione a lunga distanza; 0-10V ha un cablaggio semplice ed è adatto per distanze più brevi o per l'integrazione interna nelle scatole di controllo elettrico delle apparecchiature.
  • Uscita di comunicazione digitale (RS485 / Modbus, ecc.)
    • Scenari applicabili: Monitoraggio centralizzato di più serbatoi, comunicazione in rete a distanza, collegamento con gateway intelligenti e integrazione di piattaforme IoT.
    • Vantaggio: Può non solo leggere le distanze, ma anche acquisire lo stato di funzionamento e le informazioni diagnostiche del sensore.

La chiave per la scelta non è che più funzioni ci sono meglio è, ma che il formato di uscita deve adattarsi perfettamente al sistema di controllo esistente del cliente.

4. Materiale dell'involucro, grado di protezione e ambiente in loco

Il fatto che un materiale sia teoricamente adatto alla misurazione a ultrasuoni non significa che un sensore di qualsiasi forma esterna sia in grado di sopportare i rigori dell'ambiente in loco. Al momento della scelta, è necessario verificare se il sito presenta le seguenti sfide:

  • È necessario un grado di protezione IP67 o addirittura superiore?
  • Sarà esposto a lungo a vapore acqueo, alte concentrazioni di polvere o macchie di olio?
  • In loco sono presenti gas chimici corrosivi e sono necessarie sonde anticorrosione (come il materiale PTFE)?
  • Ci sono ambienti ad alta e bassa temperatura o impatti meccanici estremi?
  • Lo spazio di installazione delle apparecchiature è limitato e richiede una struttura compatta?
  • Quali sono gli standard di installazione specifici per flange, filettature o staffe in loco?

Esempi di scenari: L'industria del trattamento delle acque attribuisce maggiore importanza all'impermeabilità e all'anticorrosione; i sili per polveri attribuiscono grande importanza all'impermeabilità alla polvere e all'antiaderenza; le attrezzature per l'imballaggio richiedono velocità di risposta, zone cieche ridotte e facilità di installazione compatta.

5. Rilevamento esteso di processi specifici: Materiali trasparenti, fogli doppi e correzione delle deviazioni

Il limite tecnico dei sensori a ultrasuoni va ben oltre la misurazione del livello del materiale. Poiché fisicamente non si basano affatto sulle caratteristiche ottiche, in scenari molto difficili in cui i sensori fotoelettrici tendono a fallire, gli ultrasuoni sono spesso l'unica soluzione affidabile.

La serie di sensori industriali a ultrasuoni ISSR non solo è in grado di completare la misurazione della distanza e il monitoraggio del livello, ma è anche ampiamente utilizzata per la misurazione del livello:

  • Rilevamento preciso di pellicole trasparenti/etichette completamente trasparenti;
  • Rilevamento di fogli doppi o sovrapposizioni di carta, fogli metallici e pellicole di plastica;
  • Correzione della deviazione ad alta precisione dei bordi del materiale di imballaggio;
  • Feedback a distanza in tempo reale su linee di produzione automatizzate.

Nei settori della produzione della carta, delle batterie al litio, delle pellicole altamente riflettenti e della stampa di alta gamma, gli ultrasuoni hanno utilizzato le differenze di trasmissione, riflessione e attenuazione acustica per ottenere una stabilità di gran lunga superiore a quella dei principi fotoelettrici. Pertanto, nella moderna automazione industriale, i sensori a ultrasuoni non devono essere considerati semplicemente come “misuratori di livello dei liquidi”; sono infatti componenti fondamentali di rilevamento acustico senza contatto in grado di emettere diversi segnali di controllo.

Tabella di giudizio rapido: Quali materiali sono adatti ai sensori di livello a ultrasuoni?

Tipo di materiale Applicabilità Motivo principale Suggerimenti per la selezione e l'installazione
Acqua pulita, acque reflue, refrigerante Alto La superficie del liquido è continua e piatta e l'eco è chiara e stabile. Fare attenzione ad evitare zone di fluttuazione violenta e di schiuma e verificare l'altezza di installazione.
Oli, oli esausti Alto La superficie può solitamente formare una riflessione speculare stabile Valutare la nebbia d'olio, la concentrazione di vapore e la temperatura ambiente in loco.
Liquidi chimici Medio-alto La stragrande maggioranza dei liquidi può formare riflessioni efficaci Deve confermare la corrosività, selezionare sonde anticorrosione come appropriato.
Fango, liquidi torbidi Medio-alto La propagazione delle onde sonore non è influenzata dal colore e dalla torbidità del liquido. Prestare attenzione a prevenire l'eccessivo deposito del fondo, la fluttuazione della superficie del liquido e la formazione di schiuma superficiale.
Piastre di metallo, piastre di vetro, plastica dura Alto I materiali duri e piatti sono densi e l'eco acustico è estremamente forte. Deve assicurarsi che il sensore sia installato verticalmente rispetto alla superficie di destinazione.
Scatole, pallet, pile di cartone Alto Ampia area di riflessione del bersaglio, segnale stabile e affidabile Evitare che i bordi del pezzo o le superfici inclinate siano rivolti verso la sonda.
Grani, granuli di plastica Medio-alto Le dimensioni delle particelle sono sufficientemente grandi per formare una superficie di riflessione acustica efficace Valutare l'angolo di riposo del materiale ed evitare l'area polverosa della bocca di alimentazione.
Cemento, polveri minerali, polveri chimiche Medio Le superfici irregolari provocano facilmente la dispersione e la polvere assorbe l'energia acustica. Si consiglia vivamente di effettuare test in loco; sono da preferire i modelli a fascio stretto e ad alta potenza.
Spugna, schiuma, cotone e altri materiali morbidi Basso I materiali morbidi assorbono fortemente le onde sonore e l'eco è estremamente debole. È altamente sconsigliato utilizzare direttamente gli ultrasuoni normali; è necessario prendere in considerazione soluzioni alternative.
Superfici liquide ricoperte di schiuma spessa Basso Lo strato di schiuma assorbe e disperde completamente le onde sonore. Considerare l'installazione di un tubo a guida d'onda o passare a un'apparecchiatura con principio radar/idrostatico.
Serbatoi a vuoto interni Non applicabile In mancanza di un mezzo aereo, il suono non può assolutamente propagarsi nel vuoto. Appartiene a una limitazione fisica; è necessario scegliere misuratori di livello per liquidi basati su altri principi.
Ambienti con vapore ad alta temperatura Medio-basso Il vapore altera la velocità del suono nel mezzo e l'adesione della condensa influisce sulla sonda. Deve essere dotato di funzione di compensazione della temperatura, per confermare il rischio di formazione di condensa.

Conclusione: Per giudicare se può essere misurato, il nucleo risiede nella “riflettività acustica” e nel “mezzo ambientale”.”

In sintesi, il sensore di livello a ultrasuoni per serbatoi è una soluzione di misura senza contatto con un campo di applicazione estremamente ampio, un'economicità eccezionalmente elevata e una grande facilità di integrazione nei sistemi PLC/DCS. Le sue prestazioni sono eccezionali nei seguenti scenari:

  • Livelli di liquidi in vari contenitori (trattamento delle acque, acque reflue, serbatoi di olio, serbatoi di stoccaggio di sostanze chimiche);
  • Rilevamento di solidi piatti duri (controllo della distanza di scatole, lastre, pallet, pezzi);
  • Monitoraggio delle quote di materiali granulari e di alcuni sili per polveri;
  • Riconoscimento preciso senza contatto di bersagli trasparenti, scuri e altamente riflettenti.

Tuttavia, il rigore ingegneristico e la cautela devono essere mantenuti quando si affrontano le seguenti condizioni estreme:

  • Materiali morbidi fortemente fonoassorbenti e polveri leggere estremamente soffici;
  • Liquidi con superfici ricoperte di schiuma densa o che ruzzolano violentemente;
  • Ambienti sotto vuoto, vapore ad alta temperatura o ambienti con forte condensazione;
  • Silo di polvere con strutture interne anormalmente complesse.

Per la selezione degli ingegneri dell'automazione, il metodo più affidabile non è mai quello di limitarsi a leggere i titoli promozionali dei prodotti, ma di formulare un giudizio completo che combini le caratteristiche acustiche proprie del materiale, lo spazio di installazione in loco, il grado di corrispondenza tra portata e zona cieca, la dimensione dell'angolo di emissione, il segnale di uscita richiesto e le condizioni ambientali effettive del mezzo.

Se siete alla ricerca di sensori di livello/portata a ultrasuoni stabili e affidabili per silos, serbatoi di stoccaggio, serbatoi d'acqua, impianti di confezionamento o linee di produzione automatizzate, siete invitati a visitare il sito industriale ISSRSensor. serie di sensori a ultrasuoni oppure contattate ISSRSensor per ottenere un supporto professionale per i test sui campioni e suggerimenti sui parametri di selezione.

FAQ

Q1: Il colore o la trasparenza del materiale di destinazione influiscono sui risultati di misura di un sensore di livello del serbatoio a ultrasuoni?

A1: No, non è così. I sensori a ultrasuoni si basano sul principio della riflessione delle onde sonore (cioè la propagazione e il rimbalzo delle onde sonore), piuttosto che sulle proprietà ottiche. Pertanto, sono in grado di rilevare in modo affidabile e preciso materiali trasparenti, scuri o altamente riflettenti, rappresentando un'alternativa molto affidabile in scenari in cui i sensori fotoelettrici potrebbero fallire.

D2: I sensori di livello a ultrasuoni possono essere utilizzati per misurare materiali granulari e in polvere?

A2: Sì, ma è necessaria una certa cautela nella scelta del modello. Sebbene siano in grado di misurare grani, pellet di plastica e polveri dense, le morfologie superficiali estremamente irregolari (come i forti angoli di riposo) e la polvere pesante trasportata dall'aria possono disperdere o assorbire l'energia delle onde sonore. Per tali applicazioni, si raccomanda vivamente di scegliere un sensore con un angolo del fascio stretto e una potenza di trasmissione sufficiente, e di installarlo lontano dall'ingresso del materiale.

D3: I sensori di livello a ultrasuoni sono adatti a liquidi con uno spesso strato di schiuma che copre la superficie?

A3: In generale, no. Uno strato spesso e continuo di schiuma agisce come un materiale morbido e fonoassorbente che assorbe e disperde completamente le onde ultrasoniche. Ciò si traduce in segnali deboli, letture irregolari o addirittura il sensore misura solo la “parte superiore della schiuma” anziché il livello effettivo del liquido. Per i liquidi che presentano una schiuma significativa, si consiglia di utilizzare un sistema di misurazione assistito da guida d'onda o di passare a sensori radar o idrostatici.

D4: Perché i sensori a ultrasuoni non possono essere utilizzati in un ambiente sotto vuoto?

A4: Ciò è dovuto a una limitazione fisica fondamentale. I sensori a ultrasuoni funzionano misurando il “tempo di volo” (TOF) delle onde sonore. La propagazione del suono richiede un mezzo fisico (come l'aria o altri gas). Nel vuoto, l'assenza di un mezzo che trasporti le onde sonore avanti e indietro tra il sensore e l'oggetto bersaglio rende la misurazione del tutto impossibile.

D5: Che cos'è la “zona cieca” di un sensore a ultrasuoni? Perché non dovrei semplicemente scegliere un sensore con il campo di misura più ampio possibile?

A5: La zona cieca si riferisce all'area immediatamente antistante il sensore; all'interno di questa zona, il sensore non può ricevere in modo affidabile i segnali di eco perché il trasduttore è ancora nella sua “fase di recupero” subito dopo la trasmissione di un impulso sonoro. I sensori con un campo di misura massimo più ampio sono in genere caratterizzati da una zona cieca più estesa, da un angolo del fascio più ampio e da una risoluzione relativamente più bassa. Pertanto, è necessario scegliere un sensore il cui campo di misura copra esattamente la distanza di rilevamento effettiva (pur consentendo un margine tecnico ragionevole) per evitare interferenze inutili.

D6: I sensori a ultrasuoni possono misurare materiali morbidi come spugne, cotone o feltro?

A6: Questo è fortemente sconsigliato. I materiali morbidi, porosi o soffici tendono ad assorbire quantità significative di energia acustica. Quando le onde sonore colpiscono queste superfici, non riescono a generare un'eco sufficientemente forte e focalizzata da riflettere verso la sonda del sensore; ciò spesso comporta una perdita di segnale o false letture.

D7: In che modo il vapore ad alta temperatura e la condensazione influenzano le misure ad ultrasuoni?

A7: Gli ambienti con vapore estremo alterano la densità del mezzo aereo, modificando la velocità del suono e portando a calcoli imprecisi della distanza. Inoltre, l'accumulo di condensa significativa sulla sonda del sensore può attenuare gravemente il segnale a ultrasuoni. Per questi ambienti, è necessario scegliere sensori dotati di compensazione della temperatura e di sistemi anticondensa integrati.

D8: Quali tipi di segnali di uscita forniscono in genere i sensori di livello industriali a ultrasuoni per facilitare l'integrazione dell'automazione?

A8: In genere offrono tre tipi principali di segnali di uscita per soddisfare i requisiti dei sistemi di controllo PLC/DCS: uscite discrete (PNP/NPN), utilizzate per semplici allarmi di livello alto/basso o per il rilevamento della posizione; uscite analogiche (4-20mA / 0-10V), utilizzate per il monitoraggio continuo dei livelli di liquidi o materiali; e uscite di comunicazione digitale (RS485 / Modbus), utilizzate per il collegamento in rete multipunto e l'integrazione di dispositivi intelligenti.

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