Какие материалы подходят для ультразвуковых датчиков уровня? Руководство по промышленному применению и выбору

Традиционные измерители уровня жидкости или материала обычно поставляются с заголовками на дисплее, настройками меню и функциями локального считывания; однако основное внимание в этой статье уделено нижнему уровню ультразвуковой датчик уровня воды в баке и дальномерные устройства, которые легче интегрировать в систему автоматизации. Эти датчики, как правило, не имеют дисплея на месте установки, а выводят основные сигналы непосредственно на ПЛК, DCS, шлюзы IO-Link или контроллеры, такие как:

• Коммутационный выход: PNP / NPN, используется для сигнализации высокого уровня, низкого уровня, обнаружения положения и защиты от переполнения;
• Аналоговый выход: 4-20 мА / 0-10 В, используется для непрерывного контроля высоты уровня жидкости или материала;
• Цифровой коммуникационный выход: RS485, Modbus, и т.д., используемые для создания многоточечных сетей, удаленного сбора данных и интеграции интеллектуальных устройств.

В отличие от фотоэлектрических датчиков, ультразвуковые датчики в основном основаны на распространении звуковых волн и приеме эха. Поэтому на них, как правило, не оказывают прямого воздействия следующие визуальные или оптические факторы:

• Оттенок цвета материала;
• Прозрачна ли поверхность;
• Глянцевая ли поверхность;
• Интенсивность окружающего света;
• Является ли цель отражающей.

Основные факторы, которые действительно определяют, является ли ультразвуковой детектор уровня подходит, в том числе:

• Может ли поверхность формировать эффективное эхо: Плоские, твердые и плотные поверхности более склонны к отражению звуковых волн;
• Поглощает ли материал звук: Мягкие материалы, такие как губка, поролон и волокна, легко поглощают акустическую энергию;
• Сильно ли колеблется поверхность: Перекатывание жидкости, перемешивание и удары материала вызывают скачки эхо-сигнала;
• Нет ли чрезмерного количества пены, пыли или пара: Эти факторы поглощают и рассеивают звуковые волны или изменяют скорость звука;
• Правильно ли выбран угол установки: Зонд должен быть максимально перпендикулярен к средней поверхности мишени;
• Совпадают ли дальность, слепая зона и угол луча: Логика выбора для коротких расстояний в маленьких резервуарах и узких пространств в больших силосах совершенно иная.

Жидкости являются одним из наиболее распространенных и технологически совершенных объектов применения ультразвуковых датчиков уровня. Подходящими для измерения жидкостями являются:

• Чистая вода, чистая вода, циркулирующая вода;
• Канализация, сточные воды, дождевая вода;
• Охлаждающая жидкость, жидкость для очистки;
• Грязь, мутная жидкость, уровень жидкости в отстойнике;
• Некоторые химические жидкости;
• Масла, отработанное масло, смазочные материалы;
• Уровни жидкости в резервуарах, чанах и емкостях для воды.

Типичные области применения включают:

• Контроль уровня жидкости в бассейне водоподготовки;
• Сигнализаторы уровня жидкости в канализационных и коллекторных колодцах;
• Непрерывный контроль уровня жидкости в резервуаре для хранения химикатов;
• Контроль высокого и низкого уровня воды в баке оборудования;
• Обнаружение припусков в масляном баке и баке охлаждающей жидкости;
• Измерение высоты открытого канала или открытого водоема.

Жидкие условия, за которыми нужно следить: Несмотря на то, что жидкости чрезвычайно подходят для ультразвуковых измерений, в реальных условиях применения необходимо оценить следующие потенциальные риски:

• Нет ли на поверхности слишком густой пены;
• Имеет ли место интенсивное механическое перемешивание в резервуаре;
• Наполнена ли среда большим количеством высокотемпературного пара;
• Не подвержена ли поверхность зонда образованию конденсата и налипанию материала;
• Имеет ли поверхность жидкости явные наклоны или вихри;
• Имеются ли внутри контейнера конструктивные помехи, такие как лопасти для перемешивания, лестницы или трубы.

Помимо жидкостей, ультразвуковые датчики также хорошо подходят для обнаружения твердых, обычных и относительно плоских твердых целей. К типичным материалам относятся:

• Металлические пластины;
• Стеклянные пластины;
• Жесткие пластиковые листы;
• Деревянные доски;
• Картонные стопки;
• Поддоны, коробки, заготовки;
• Крупногабаритные плоские предметы;
• Блокируйте материалы с плоской поверхностью.

Почему твердые плоские поверхности хорошо работают? Твердые плоские поверхности, как правило, обладают двумя основными акустическими преимуществами:

1. Сильное отражение звука: Материал поверхности плотный и не склонен к поглощению акустической энергии;
2. Стабильное направление отражения: Если датчик установлен вертикально, эхо может вернуться к датчику по первоначальному пути в наибольшей степени.

Типичные области применения включают:

• Определение высоты укладки плат;
• Обнаружение ящика в положении;
• Определение расстояния до поддона;
• Обход препятствий роботами;
• Контроль внутреннего положения заготовки в оборудовании;
• Определение высоты или наличия коробок на упаковочных линиях.

Предложения по установке: При измерении твердых частиц необходимо обеспечить максимально возможное количество твердых частиц:

• Датчик направлен прямо на поверхность цели;
• Площадь цели больше, чем зона действия луча;
• Поверхность не сильно наклонена;
• Не допускайте, чтобы края, отверстия или сильно неровные структуры располагались под углом к зонду;
• Для гладких металлических или стеклянных поверхностей даже небольшое угловое отклонение может вызвать отклонение эхосигнала, что приведет к потере сигнала.

К распространенным материалам относятся:

• Пластиковые гранулы;
• Зерновые, кукуруза, пшеница и соевые бобы;
• Кормовые гранулы;
• Песок, камень, частицы руды;
• Цемент, известковый порошок, минеральный порошок;
• Химические порошки;
• Древесная щепа, пеллетное топливо;
• Пищевые порошки, крахмал, мука.

Кроме того, порошковые материалы могут стать причиной следующих проблем:

• При падении образуется большое количество пыли;
• Неплотные поверхности материала, из-за которых звуковые волны поглощаются или рассеиваются;
• Неровные поверхности приводят к неустойчивому эху;
• Скопления материала на стенках бункера легко вызывают ложные эхо-сигналы;
• Сложные конструкции силосов, внутренние поперечные балки или трубы, создающие акустические помехи;
• Пыль прилипает к поверхности зонда датчика, снижая эффективность излучения и приема.

При каких условиях гранулы/порошки лучше подходят для ультразвука? Успешность ультразвуковых измерений выше при соблюдении следующих условий:

• Бункер не очень глубокий;
• Пыль не находится в постоянно высококонцентрированном диффузном состоянии;
• Частицы материала относительно крупные, а поверхность довольно плотная;
• Высота уровня меняется медленно;
• Место установки позволяет эффективно избегать входного отверстия;
• Датчик может быть направлен на среднюю поверхность материала, насколько это возможно;
• Выбранный датчик имеет небольшой угол наклона луча, чтобы уменьшить помехи от отражения от стен;
• Сайт позволяет отлаживать эхо или фильтровать обработку.

Когда следует проявлять осторожность? Следующие сценарии требуют особой осторожности при выборе, и при необходимости сначала следует провести тестирование образцов:

• Ультратонкие порошки или очень легкие, очень пушистые порошки;
• Постоянное падение в условиях сильной запыленности;
• Очень высокие и узкие силосы;
• Угол откоса поверхности материала слишком велик;
• Внутри бункера имеются сложные структурные компоненты;
• Среды с сильной вибрацией или сильным воздушным потоком;
• Сопровождается заметным высокотемпературным паром или коррозийными газами.

Следующие материалы, как правило, не подходят для стабильного измерения с помощью обычных ультразвуковых датчиков:

• Губка, поролон, толстый пенополистирол;
• Войлок, хлопок, текстильные волокна;
• Очень пушистые порошки или легкие материалы с очень рыхлой поверхностью;
• Неровные поверхности мягких упаковочных мешков.

Если процесс на объекте требует обнаружения таких материалов, рассмотрите этот вопрос:

• Увеличение поверхности отражения цели или изменение угла установки;
• Сокращение фактического расстояния обнаружения;
• Использование датчиков с большей акустической мощностью или особыми рабочими частотами;
• Должно быть подтверждено фактическими испытаниями на месте;
• При необходимости решительно переключитесь на методы взвешивания, радар, механические концевые выключатели или другие принципы обнаружения.

Сценарии, в которых могут возникнуть проблемы, включают:

• Ферментационные емкости, аэротенки;
• Реакционные чайники с сильным перемешиванием;
• Емкости для очистки пены;
• Жидкости, содержащие большое количество поверхностно-активных веществ;
• Контейнеры при высокоскоростных операциях наполнения или слива;
• Сильное перемешивание поверхностей жидкости в чанах.

Предложения по реагированию: При работе с пеной, сильно колеблющимися жидкими поверхностями и пылью рекомендуются следующие меры:

• Установите датчик в относительно спокойном месте на поверхности жидкости, стараясь избегать входных отверстий и центра перемешивания;
• Используйте волноводную трубку или успокоительный колодец, чтобы физически изолировать пену и повысить стабильность поверхности жидкости;
• Установите разумное время фильтрации в системе управления;
• Проверьте фактическую толщину пены на месте; если пена постоянно очень толстая, решительно оцените альтернативные решения, такие как радар или гидростатические датчики.

Кроме того, серьезные проблемы возникают в условиях экстремально высокой температуры пара и конденсата:

• Избыток пара изменяет плотность воздушной среды, тем самым изменяя скорость звука и вызывая неточность измерения расстояния;
• Большое количество конденсата, прилипшего к поверхности зонда, сильно ослабляет акустический сигнал;
• Температурные градиенты внутри контейнера приведут к ошибкам в распространении звуковых волн (Примечание: наши продукты стандартно оснащены функцией температурной компенсации для решения этой проблемы);
• Длительное пребывание в условиях повышенной влажности и высокой температуры может повлиять на срок службы внутренних электронных компонентов (Примечание: наши продукты проходят строгие испытания на старение перед тем, как покинуть завод, чтобы обеспечить долгосрочную стабильность);
• Коррозийные газы могут повредить обычные корпуса или материалы датчиков (в этом случае следует выбирать наши антикоррозийные серии датчиков и сенсоров).

Подобно тому, как в документации на уровнемеры жидкости подчеркиваются применимые диапазоны температуры и давления, ультразвуковые датчики также имеют свои четкие физические границы. Осторожный выбор особенно рекомендуется в следующих сценариях:

• Вакуумные емкости или герметичные контейнеры высокого давления;
• Высокотемпературные паровые резервуары, среда с сильной конденсацией;
• Сильно коррозийные газовые среды;
• Оборудование с резко меняющейся внутренней температурой;
• Условия, при которых пар непрерывно обдувает место установки зонда.

Логика выбора:

• Небольшое расстояние/малые контейнеры/малые заготовки: Предпочтительны высокочастотные датчики с малым радиусом действия и малой зоной ослепления;
• Средние резервуары или емкости для воды: Выбирайте средний диапазон, оснащенный моделями со стабильными аналоговыми выходами;
• Большие бункеры/большие пространства: Выбирайте низкочастотные модели с большим радиусом действия и более узким углом излучения;
• Пыль или гранулированные материалы: Приоритетными являются сила сигнала, угол луча и правильный угол установки;
• Узкие контейнеры: Чтобы звуковой луч не ударялся о стенки бункера и не генерировал ложные эхо-сигналы, необходимо выбрать узкий угол луча.

Рабочие частоты ультразвуковых датчиков обычно составляют от десятков кГц до сотен кГц, причем разные частоты соответствуют различным акустическим характеристикам:

• Низкочастотный ультразвук: Распространяется дальше и крайне нечувствителен к затуханию воздуха, что делает его более подходящим для больших бункеров и шероховатых поверхностей; но его луч обычно шире, а разрешение относительно ниже.
• Высокочастотный ультразвук: Высококонцентрированный луч, чрезвычайно высокое разрешение и меньшая слепая зона, что делает его очень подходящим для точного обнаружения на коротких расстояниях; недостатком является заметное ослабление сигнала на больших расстояниях.

Формат выходного сигнала ультразвукового датчика уровня напрямую определяет, как он будет интегрирован в вашу архитектуру автоматизации.

• Коммутирующий выход (PNP / NPN)
  • Применимые сценарии: Сигнализация высокого/низкого уровня, защита от переполнения, обнаружение пустого бункера, определение положения и присутствия заготовки.
  • Логика: Когда материал достигает установленного порога, он напрямую выдает сигнал ON/OFF на ПЛК. Очень хорошо подходит для простого определения положения упаковочного оборудования или сигнализации полного бака воды.
• Аналоговый выход (4-20 мА / 0-10 В)
  • Применимые сценарии: Непрерывный мониторинг уровня жидкости/материала, оценка припуска резервуара, регистрация трендов DCS.
  • Логика: Промышленный стандарт 4-20 мА обладает исключительно сильными антипомеховыми свойствами и подходит для передачи данных на большие расстояния; 0-10 В имеет простую схему подключения и подходит для коротких расстояний или внутренней интеграции в электрические блоки управления оборудованием.
• Цифровой коммуникационный выход (RS485 / Modbus и т.д.)
  • Применимые сценарии: Централизованный мониторинг нескольких резервуаров, удаленная сетевая связь, сопряжение с интеллектуальными шлюзами и интеграция IoT-платформы.
  • Преимущество: Он может не только считывать расстояния, но и получать информацию о состоянии работы и диагностическую информацию датчика.

Ключевым моментом при выборе является не то, что чем больше функций, тем лучше, а то, что формат вывода должен идеально соответствовать существующей системе управления заказчика.

То, что материал теоретически подходит для ультразвуковых измерений, еще не означает, что датчик любой внешней формы сможет выдержать жесткие условия эксплуатации на объекте. При выборе необходимо убедиться, что на объекте имеются следующие проблемы:

• Требуется ли степень защиты IP67 или даже выше?
• Будет ли он долгое время подвергаться воздействию водяного пара, высокой концентрации пыли или масляных пятен?
• Присутствуют ли на объекте агрессивные химические газы, и нужны ли антикоррозийные зонды (например, из материала PTFE)?
• Существуют ли экстремальные высоко- и низкотемпературные условия или механические воздействия?
• Пространство для установки оборудования ограничено, поэтому требуется компактная конструкция?
• Каковы особые стандарты установки фланцев, резьбы или кронштейнов на объекте?

Примеры сценариев: В водоподготовительной промышленности большее значение имеют гидроизоляция и антикоррозийная защита; в порошковых силосах большое значение имеют пылезащита и антиадгезия; упаковочное оборудование требует быстрой скорости реакции, малых "слепых" зон и простоты компактной установки.

Промышленные ультразвуковые датчики серии ISSR не только отлично справляются с измерением расстояния и контролем уровня, но и широко используются в..:

• Точное обнаружение прозрачных пленок/полностью прозрачных этикеток;
• Обнаружение двойного листа или перекрытия бумаги, металлической фольги и пластиковой пленки;
• Высокоточная коррекция отклонений краев упаковочного материала;
• Обратная связь в реальном времени по расстоянию на автоматизированных производственных линиях.

Таким образом, ультразвуковой датчик уровня воды в резервуаре представляет собой бесконтактное измерительное решение с чрезвычайно широким диапазоном применения, исключительно высокой экономической эффективностью и простотой интеграции в системы ПЛК/ПЛК. Он исключительно хорошо работает в следующих сценариях:

• Уровни жидкости в различных емкостях (водоочистка, канализация, нефтяные резервуары, емкости для хранения химикатов);
• Обнаружение твердых плоских тел (контроль расстояния до коробок, плит, паллет, заготовок);
• Контроль разрешения на использование гранулированных материалов и некоторых порошковых силосов;
• Бесконтактное точное распознавание прозрачных, темных и сильно отражающих целей.

Однако при работе в следующих экстремальных условиях необходимо соблюдать инженерную строгость и осторожность:

• Сильно звукопоглощающие мягкие материалы и чрезвычайно пушистые легкие порошки;
• Жидкости, поверхности которых покрыты густой пеной или сильно кувыркаются;
• Вакуумные среды, высокотемпературный пар или сильная конденсация;
• Пылевые бункеры с ненормально сложной внутренней структурой.