Arbeitsprinzip des Ultraschallspiegelmeters

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Funktionsprinzip des Ultraschallspiegelmeters: Vollständige Analyse von Schallwelleneigenschaften bis zur Spiegelberechnung

1. Die grundlegenden Eigenschaften von Ultraschall: Warum wählen Sie Ultraschall?

• Starke RichtungDie kurze Wellenlänge von Hochfrequenz-Ultraschall (z. B. 20 kHz Schallwellenlänge von etwa 1,7 cm, 200 kHz Wellenlänge von etwa 1,7 mm), die Diffusionswinkel bei der Verbreitung ist klein, kann sich auf die Flüssigkeitsoberfläche konzentrieren und die Dispersionsreflexionsstörungen reduzieren.

• MedienabhängigkeitUltraschall muss durch elastische Medien (wie Luft, Flüssigkeiten, Feststoffe) verbreitet werden und kann nicht im Vakuum verbreitet werden, weshalb seine Messung von dem Luftmedium abhängig ist.

• ReflexionseigenschaftenWenn Ultraschall von einem Medium in ein anderes (z. B. Luft → Flüssigkeit) gelangt, tritt eine offensichtliche Reflexion auf (Reflexivität bis zu mehr als 90%) aufgrund der großen Unterschiede in der Schallimpedance beider Medien (Mediendichte × Schallgeschwindigkeit), die die Quelle des flüssigen Echosignals ist.

• Stabile VerbreitungsgeschwindigkeitUnter normalem Atmosphärendruck beträgt die Verbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschall in der Luft etwa 340 m/s und die Geschwindigkeit ist linear in Bezug auf die Temperatur (je 1 ° C erhöhte Temperatur erhöht sich die Schallgeschwindigkeit um etwa 0,6 m/s), die Abweichung kann durch Temperaturkompensation korrigiert werden.

2. Kernmessprinzip: Der gesamte Prozess der Echo-Distanzmessung

Ultraschall: Von elektrischen Signalen bis hin zu mechanischen Wellen

• FlüssigkeitsspiegelmesserHauptschaltung(in der Regel für den Mikroprozessor) erzeugen Sie hochfrequente elektrische Impulssignale (Frequenz 20kHz ~ 200kHz, je nach Auswahl des Umfangs: kleine Umfang mit hoher Frequenz, Verringerung der Diffusion; Große Reichweite mit niedriger Frequenz, Verringerung der Dämpfung), übertragen zuUmrichter (Sonde).

• Der Transformer ist ein Kernbauteil, der auf dem "piezoelektrischen Effekt" basiert: Seine inneren piezoelektrischen Kristalle (wie z. B. die piezoelektrische Keramik) vibrieren unter elektrischen Impulsen und verwandeln die elektrische Energie in ultraschallmechanische Energie, die auf die gemessene Flüssigkeitsfläche ausgetragen wird.

2. Die Verbreitung von Schallwellen: Pfade und Abbau in der Luft

• Ultraschall geht von der Sonde aus und verbreitet sich entlang einer geraden Linie in der Luft, die Verbreitungsgeschwindigkeit wird von Umweltfaktoren beeinflusst:

• TemperaturKernfaktoren: wie bereits erwähnt, ändert sich die Schallgeschwindigkeit erheblich mit der Temperatur (Formel: v = 331,4 + 0,607 × T, wobei T die Umgebungstemperatur ist).

• LuftdruckDer Einfluss ist geringer, kann unter dem Standarddruck vernachlässigt werden und muss nur in einer niedrigdruckigen Umgebung wie dem Hochland fein eingestellt werden.

• LuftfeuchtigkeitEine erhöhte Luftfeuchtigkeit kann eine leichte Veränderung der Luftdichte verursachen, die zu einer Schallgeschwindigkeitsabweichung von etwa 0,1% führt, die in der Regel vernachlässigt werden kann.

• Während der Verbreitung wird Ultraschall durch Luftabsorption, Streuung (wie Staub, Wasserdampf) abgeschwächt, je größer der Umfang, je höher die Frequenz, desto deutlicher ist der Abbau (daher werden niederfrequente Schallwellen im großen Umfang verwendet).

Flüssigkeitsreflektion: Erzeugung von Echosignalen

• Wenn Ultraschall die Flüssigkeitsoberfläche erreicht, treten Schallwellen auf, da die Schallimpedanz der Luft (etwa 415 Rayl) und der Flüssigkeit (etwa 1,48 x 106 Rayl) sehr unterschiedlich ist.SpiegelreflexionBildung einer Echo.

• Schaumstoffe, Wellen oder Suspensionen auf der Flüssigkeitsoberfläche führen zu einer Abnahme der Reflexivität (Schaumstoffreflexivität kann unter 30% liegen) und einer Schwächung des Echosignals, die durch eine Sondengewinnregelung oder eine Optimierung des Filteralgorithmus erforderlich ist.

Echo-Empfang: Von der mechanischen Welle zum elektrischen Signal

• Nach der Reflexion wird der Echo durch den gleichen Transformer (oder unabhängigen Empfangs-Transformer) erfasst, und der Piezokristall verwandelt die mechanische Vibration in ein schwaches elektrisches Signal, das durch den Vorverstärker verstärkt und gefiltert wird (Entfernung von Umgebungsgeräuschen) an die Hauptschaltung übertragen wird.

• Die Hauptschaltung muss zwischen "effektivem Echo" und "Störungsecho" (z. B. Behälterwandreflektion, Blasenreflektion) unterscheiden, in der Regel auf folgende Weise:

• EinstellungBlinde ZoneDer Echo in einer bestimmten Entfernung unter der Sonde (z. B. 0,3 bis 1 m) wird nicht erkannt, um starke Reflexionsstörungen in der Nähe zu vermeiden.

• Echo-Charakteristikanalyse: Die Amplitude und Frequenz des effektiven Echos stimmen mit der Emissionswelle überein, während das Störungsecho in der Regel niedrig ist und die Frequenz gestört ist.

5. Flüssigkeitsspiegelberechnung: Umsetzung von Zeitunterschied zu Höhe

• Die Hauptschaltung zeichnet den Zeitunterschied zwischen dem Ultraschall "Sendezeit" und dem "Empfangszeit" auf (d.h.Hin- und Rückfahrtzeit t).

• Berechnen Sie den vertikalen Abstand von der Sonde zur Flüssigkeitsoberfläche (d): Aufgrund der Hin- und Rückverbreitung der Schallwellen beträgt der tatsächliche Einwegsabstand die Hälfte des Produkts der Schallgeschwindigkeit (v) und der Zeit (t), d.h.:

• Berechnung der tatsächlichen Flüssigkeitsspiegelhöhe (h): Wenn eine bekannte Installationshöhe der Sonde erforderlich ist (H, d. h. der vertikale Abstand der Sonde zum Boden des Behälters), beträgt die Flüssigkeitsspiegelhöhe:

• Schließlich liefert das Füllstandsmessgerät die Messungen über ein Stromsignal von 4 bis 20 mA, RS485-Kommunikation oder eine digitale Anzeige aus.

Schlüsselkomponenten: Kernhardware, die die Grundsätze sicherstellt

1. Umrichter (Sonde)

• Tetrafluorethylen: Säure-Alkali-beständig, geeignet für chemische Szenarien;

• Edelstahl: Verschleißbeständig, geeignet für Staub und Partikelumgebung;

• Polypropylen: leicht, kostengünstig, geeignet für sauberes Wasser und Abwasser.

• Funktion: Durchführung der bidirektionalen Konvertierung von elektrischen Signalen und Ultraschall, unterteilt in "Sende / Empfang in einem" (niedrige Kosten, geeignet für die meisten Szenarien) und "Trennung" (starke Störungsbeständigkeit, geeignet für komplexe Arbeitsbedingungen).

• Material: Die Sondenoberfläche muss gegen Umweltkorrosion bestanden sein, häufig verwendete Materialien umfassen:

2. Hauptschaltung

• Im Kern stehen Mikroprozessoren (z. B. MCUs, DSPs), die für die Erzeugung von Emissionssignalen, die Erfassung von Echozeiten, die Ausführung von Temperaturkompensationsalgorithmen, die Berechnung des Flüssigkeitsniveaus und die Ausgabe von Daten verantwortlich sind.

• Schlüsseleigenschaften: Zeitmessgenauigkeit (bis zu Nanosekunden, z. B. 1 ns Genauigkeit entspricht einem Entfernungsfehler von etwa 0,17 mm), Störungsbeständigkeit (durch elektromagnetische Abschirmung und Filterkreise erreicht).

3. Temperatursensoren

• Der eingebaute NTC-Thermostor oder PT1000-Sensor, der die Umgebungstemperatur in Echtzeit überwacht und zur Korrektur der Schallgeschwindigkeit (v) verwendet, ist das Kernkompensationsmittel, um die Genauigkeit der Messung zu gewährleisten (ohne Temperaturkompensation kann eine Temperaturänderung von 10 ° C zu einem Fehler von ± 3% führen).

4. Strom- und Ausgangsmodul

• Stromversorgung: Normalerweise unterstützt eine industrielle Stromversorgung von 24V DC, einige Modelle sind mit 110 bis 220V AC kompatibel.

• Ausgang: analoge Menge (4 ~ 20mA), digitale Menge (RS485 / MODBUS), Relaisschalter (für hohe und niedrige Flüssigkeitslarme), um die unterschiedlichen Anforderungen an das Steuersystem zu erfüllen.

Fehlerquellen und -kompensation: Schlüsseltechnologien zur Verbesserung der Genauigkeit

1. Temperaturfehler

• Wenn nicht kompensiert, kann die Temperaturabweichung von 10 ° C, die Schallgeschwindigkeitsabweichung von etwa 6 m / s, die der Flüssigkeitsspiegelfehler von 10 m entspricht, bis zu ± 8,8 cm betragen.

• Kompensationsmethode: Erfassung der Temperatur in Echtzeit durch einen eingebauten Temperatursensor und Korrektur der Schallgeschwindigkeitsformel (v = 331,4 + 0,607 × T), um den Fehler innerhalb von ± 0,1% zu kontrollieren.

2. Flüssigkeitsschwankungsfehler

• Starke Schwingungen der Flüssigkeitsfläche führen zu einer Instabilität des Echosignals und einer Schwankung der Zeitdifferenz (t).

• Kompensationsmethode: Verwenden Sie den „Mehrfachmessdurchschnitt“ (z. B. 10-facher Messdurchschnitt), setzen Sie den „Dämpfungskoeffizient“ (Verzögerung der Geschwindigkeit der Ausgangsänderung) oder kombinieren Sie einen Wellenleiter (Begrenzung des Flüssigkeitsflächenschwankungsbereichs).

3. Umweltstörungsfehler

• Wählen Sie die "Hochtemperatur-Sonde" (widerstandsfähig über 150 ° C), um die Dampfumgebung zu bewältigen;

• Erhöhung der Sondenleistung (Erhöhung der emittierten Schallfrequenz) gegen Dämpfung;

• Die Installation von Staubschutz und Spritzschutz reduziert physische Störungen.

• Dampf, Staub und starke Luftströme können Schallwellen zerstreuen oder dämpfen und Echosignale schwächen oder sogar verloren gehen.

• Optimierungsmethode:

4. Installationsfehler

• Die Schräginstallation der Sonde führt dazu, dass der Messabstand (d) "schräg" und nicht vertikal ist, was eine Abweichung verursacht.

• Vermeidungsmethode: Stellen Sie bei der Installation sicher, dass die Sonde vertikal zur Flüssigkeitsfläche steht (Neigungswinkel ≤ 3 °) und sich von der Behälterwand entfernt (Abstand ≥ 1/6 des Behälterdurchmessers), um Wandreflexionsstörungen zu reduzieren.

Grundsatzbeschränkungen: Grenzen der anwendbaren Szenarien

• Nicht in Vakuum- oder Inertgasumgebung einsetzbarUltraschall erfordert die Verbreitung von Luftmedien, kein Signal unter Vakuumumgebung.

• Nicht geeignet für hochviskose oder kristallisierbare MedienWenn die Flüssigkeitsoberfläche mit dicken Kristallschichten bedeckt ist, wird der Reflex absorbiert, was zu einem Messfehler führt (eine Reinigungseinrichtung erforderlich ist).

• UmfangsbegrenzungDie Ultraschalldämpfung in der Luft ist schneller, die maximale Reichweite des herkömmlichen Modells ist etwa 50 m (niederfrequente Sonde), weit über diesen Bereich hinaus muss ein Radarspiegelmesser ausgewählt werden.

• Genauer als KontaktmessgerätDie herkömmliche industrielle Ultraschallpegelmeter-Genauigkeit beträgt ± 0,5% ~ ± 1% FS, niedriger als das Input-Pegelmesser (± 0,1% FS), nicht geeignet für hochpräzise Messszenarien.

Zusammenfassung