Cảm biến mức siêu âm, còn được gọi là máy đo mức chất lỏng siêu âm, là-thiết bị đo mức không tiếp xúc. Chúng có độ chính xác cao, cài đặt dễ dàng và bảo trì tối thiểu. Thường được sử dụng để đo mức chất lỏng trong các thùng chứa khác nhau, cũng như mực nước trong kênh, hồ, hồ chứa, sông, hồ và biển, chúng cũng có thể đo mức độ giao diện và chênh lệch mức độ. Chúng đặc biệt thích hợp cho môi trường nước thải và ăn mòn. Khi được sử dụng cùng với bể chứa và đập để tạo thành đồng hồ đo lưu lượng kênh hở, chúng cũng có thể đo tốc độ dòng chảy. Vì vậy, chúng ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành, lĩnh vực như thép, hóa dầu, xử lý nước, thủy lợi.
Nguyên lý đo của cảm biến đo mức siêu âm
Được lắp đặt ở phần trên của thùng chứa, máy đo mức siêu âm, dưới sự điều khiển của một bộ phận điện tử, sẽ phát ra một chùm xung siêu âm về phía vật thể được đo. Các sóng âm thanh được phản xạ bởi bề mặt của vật thể và một phần tiếng vang phản xạ được đầu dò nhận và chuyển thành tín hiệu điện. Thời gian từ khi phát sóng siêu âm đến khi thu được sóng siêu âm tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa đầu dò và vật thể được đo. Bộ phận điện tử phát hiện thời gian này và tính toán khoảng cách đo được dựa trên tốc độ âm thanh đã biết. Khoảng cách từ đầu dò đến đáy bể trừ đi khoảng cách từ đầu dò đến mức chất lỏng bằng mức chất lỏng thực tế hoặc chiều cao của mực. Điều này được sử dụng để chuyển đổi chiều cao mức chất lỏng thành tín hiệu dòng điện 4 ~ 20 mA hoặc tín hiệu điện áp 1 ~ 5 V cho đầu ra. Ngoài ra, nó có thể được truyền đến trung tâm điều khiển thông qua giao tiếp RS485, HART hoặc GPRS. Vì nhiệt độ có tác động đáng kể đến tốc độ âm thanh nên thiết bị phải đo nhiệt độ môi trường xung quanh để điều chỉnh tốc độ âm thanh.
Ưu điểm và nhược điểm của máy đo mức siêu âm
So với các loại máy đo mức khác, cảm biến đo mức siêu âm có những ưu điểm sau:
(1) Đo không tiếp xúc: Đầu dò siêu âm được lắp phía trên bề mặt chất lỏng và không tiếp xúc với môi trường đo. Điều này cho phép đo thuận tiện các chất lỏng ăn mòn, nhớt hoặc độc hại, tránh ăn mòn hoặc nhiễm bẩn bởi chất lỏng được đo và loại bỏ các yêu cầu bảo trì.
(2) Tính linh hoạt tốt: Máy đo mức có thể đo mức chất lỏng trong các kênh hở cũng như trong các bể chứa lớn.
Dễ dàng cài đặt và tháo gỡ.
(3) Khả năng thích ứng mạnh: Nó có nhiều ứng dụng và không bị ảnh hưởng bởi mật độ, hằng số điện môi hoặc độ dẫn điện của môi trường. Nó có khả năng thích ứng cao với các tính chất hóa lý của chất lỏng đo được. (4) Thích hợp để đo mức chất lỏng độc hại, ăn mòn và có độ nhớt-cao, khắc phục những thiếu sót của các máy đo mức khác trong môi trường đo khắc nghiệt như vậy.
(5) Hầu như không có bộ phận cơ khí chuyển động, không bị mài mòn, tuổi thọ cao và trọng lượng nhẹ. Phần tử áp điện bên trong đầu dò dao động ở tần số âm, có biên độ nhỏ, tuổi thọ cao và độ ổn định tốt.
Nhược điểm chủ yếu bao gồm: khi chất lỏng đo được dễ bay hơi, mật độ không khí không đồng đều trên bề mặt chất lỏng có thể dẫn đến sai số đo lớn hơn; khi bề mặt chất lỏng đo có độ gợn sóng lớn dễ gây ra hiện tượng phản xạ sóng âm hỗn loạn, dẫn đến sai số. Ngoài ra, máy đo mức siêu âm không thể tránh khỏi các vùng mù khi đo mức chất lỏng, khiến việc đo khoảng cách ngắn trở nên khó khăn.
Sự khác biệt giữa máy đo mức siêu âm loại tích hợp và loại tách rời
Máy đo mức siêu âm tích hợp tích hợp đầu dò siêu âm, bộ xử lý tín hiệu, màn hình hiển thị, v.v. vào một thiết bị. Tất cả các chức năng đo lường và điều khiển được hoàn thành trong cùng một vỏ.
Lắp đặt dễ dàng: Do cấu trúc nhỏ gọn nên chỉ cần cố định một thiết bị trong quá trình lắp đặt, loại bỏ các quy trình đi dây và lắp đặt phức tạp. Chức năng toàn diện: Thích hợp cho môi trường công nghiệp khắc nghiệt, với mức bảo vệ lên tới IP66/IP67. Có nhiều mẫu, chẳng hạn như loại chống ăn mòn và chống cháy nổ-.
Hiệu chuẩn đơn giản: Thiết kế tích hợp giúp đơn giản hóa và đơn giản hóa quy trình hiệu chuẩn, thường yêu cầu hiệu chuẩn toàn bộ hệ thống thay vì nhiều thành phần riêng biệt.
Máy đo mức siêu âm tích hợp thường được sử dụng trong bể chứa, xử lý nước thải công nghiệp, bình phản ứng hóa học và bể nước nông.
Máy đo mức siêu âm loại-phân tách: Máy đo mức siêu âm loại-phân chia bao gồm một đầu dò và bộ xử lý tín hiệu riêng biệt. Đầu dò được lắp đặt tại điểm đo, trong khi bộ xử lý tín hiệu có thể được lắp đặt trong phòng điều khiển hoặc vị trí thuận tiện khác cách xa điểm đo. Cả hai được kết nối bằng một dây cáp.
Khả năng chống nhiễu mạnh mẽ: Khi tách rời đầu dò và bộ xử lý tín hiệu, bộ xử lý tín hiệu có thể được đặt cách xa các khu vực có nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc nhiễu điện từ mạnh, nhờ đó cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của phép đo.
Vận hành dễ dàng: Bộ xử lý tín hiệu thường có màn hình hiển thị lớn hơn và nhiều giao diện vận hành hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho người vận hành điều chỉnh và giám sát.
Khả năng thích ứng cao: Thiết kế tách rời cho phép nó thích ứng với môi trường đo khắc nghiệt, chẳng hạn như môi trường-nhiệt độ cao, khí ăn mòn hoặc chất lỏng. Đầu dò có thể được làm bằng vật liệu đặc biệt để chịu được những điều kiện này.
Máy đo mức siêu âm loại-phân chia phù hợp để đo mức trong các bể chứa lớn, các quy trình phức tạp và môi trường-có nhiệt độ cao hoặc có tính ăn mòn cao. Chúng đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu vận hành từ xa hoặc bảo vệ khỏi sự can thiệp của môi trường.
Thông số kỹ thuật chính của máy đo mức siêu âm
1. Phạm vi đo và vùng chết
Phạm vi đo và vùng chết là hai chỉ số quan trọng của máy đo mức siêu âm.
Phạm vi đo biểu thị phạm vi tối đa mà thước đo mức có thể đo được, phản ánh độ nhạy của đầu dò. Nói cách khác, phạm vi đo càng lớn thì độ nhạy càng cao. Hầu hết các nhà sản xuất chỉ định phạm vi đo cho bề mặt chất lỏng nhẵn, nhưng trong phép đo thực tế, sự dao động của mức chất lỏng, vật nổi trên bề mặt và sự hiện diện của bụi hoặc hơi nước trong vật liệu rắn đo đều có thể khiến phạm vi đo không đạt giá trị danh nghĩa.
Vùng chết hay còn gọi là vùng mù là khoảng cách mà máy đo mức siêu âm không thể đo được do dư chấn của đầu dò siêu âm. Ví dụ, vùng chết 30cm có nghĩa là khi khoảng cách giữa bề mặt chất lỏng và đầu dò nhỏ hơn 30cm thì sẽ không thể đo được. Do đó, đối với các sản phẩm có cùng phạm vi đo, vùng chết nhỏ hơn cho thấy thiết kế đầu dò tốt hơn; nó cũng giúp việc lắp đặt dễ dàng hơn cho các phép đo trong bể kín hoặc với phạm vi đo ngắn.
2. Nhiệt độ và độ chính xác
Phạm vi nhiệt độ chủ yếu được chỉ định là -20~60 độ. Bởi vì hầu hết các máy đo mức sử dụng màn hình LCD đều có phạm vi nhiệt độ hoạt động được giới hạn ở một giới hạn nhất định đối với màn hình LCD; vượt quá phạm vi này sẽ gây ra trục trặc. Nếu bỏ qua các giới hạn của màn hình LCD, phạm vi nhiệt độ hoạt động thường là -40 đến 80 độ. Trong trường hợp bình thường, nhiệt độ hoạt động của đầu dò siêu âm hiếm khi vượt quá 150 độ: vượt quá 150 độ có thể dễ dàng làm hỏng gốm áp điện bên trong, do đó 150 độ có thể được coi là nhiệt độ phá hủy tuyệt đối. Hơn nữa, một số vật liệu được sử dụng trong quá trình sản xuất đầu dò siêu âm không thể hoạt động trong thời gian dài ở nhiệt độ trên 100 độ; do đó, giới hạn nhiệt độ tối đa cho hầu hết các đầu dò là 100 độ.
Tại sao phải xem xét độ chính xác và nhiệt độ cùng nhau? Vì trong không khí, sai số đo nhiệt độ 1 độ sẽ ảnh hưởng đến tốc độ âm thanh 0,6 m/s. Ở 20 độ và 1 atm, tốc độ âm thanh xấp xỉ 340 m/s. Vì vậy, tác động đến sai số đo được tính toán là 0,17%; nếu sai số đo nhiệt độ vượt quá 3 độ, sai số đo mức sẽ vượt quá phạm vi danh nghĩa là 0,5% đối với hầu hết các nhà sản xuất. Trong thực tế, độ chính xác 0,5% là đối với điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường. Ở nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn, độ chính xác của phép đo có thể vượt quá 0,5%. Sai số đo cũng tăng lên trong môi trường có độ dốc nhiệt độ hoặc thay đổi nhiệt độ nhanh. Hơn nữa, thành phần khí có tác động lớn nhất đến độ chính xác của phép đo. Ví dụ, khi có chất lỏng dễ bay hơi, sự bay hơi của chất lỏng làm thay đổi thành phần không khí, từ đó làm thay đổi vận tốc âm thanh của khí, cuối cùng gây ra sai số đo.
3. Áp lực
Dưới áp suất âm, phép đo siêu âm thường không được khuyến khích vì sự lan truyền siêu âm được thực hiện thông qua chất khí. Áp suất âm có nghĩa là không khí bên trong bị loãng đi. Sự lan truyền siêu âm trong không khí loãng gây ra hai vấn đề: thứ nhất, tốc độ âm thanh thay đổi, gây ra sai số đo; thứ hai, sự suy giảm sóng âm tăng lên trong không khí loãng, dẫn đến phạm vi đo bị giảm hoặc thậm chí ngăn cản việc đo hoàn toàn.
4. Ăn mòn
Độ ăn mòn của máy đo mức chủ yếu kiểm tra vật liệu của đầu dò. Trong môi trường axit hoặc kiềm yếu chỉ cần vỏ nhựa thông thường là đủ. Vỏ Polytetrafluoroethylene (PTFE) có thể chịu được hầu hết các axit và kiềm mạnh. Điều đáng lưu ý là nếu chất cần đo có tính ăn mòn và dễ bay hơi cao thì tốt nhất nên bôi keo lên bảng mạch khi sử dụng thước đo mức tích hợp. Điều này là do hầu hết vỏ chống nước không có khả năng chống khí-; khi khí lọt vào thiết bị sẽ ăn mòn bảng mạch.
