سنسور سطح التراسونیک یک دستگاه است که از امواج صوتی برای اندازه‌گیری فاصله یا سطح مواد در یک مخزن یا تانک استفاده میکند. این سنسور امواج فوق‌صوتی با فرکانس بالا ایجاد میکند و زمانی که این امواج بر روی هدف نشت می‌کنند و پس از برخورد با هدف به سنسور برمی‌گردند، زمان تاخیر آنها را اندازه‌گیری میکند. سپس از این تاخیر زمانی برای محاسبه فاصله یا سطح مواد استفاده میشود.
عملکرد سنسورهای سطح التراسونیک
سنسورهای سطح التراسونیک با استفاده از اصل اندازه‌گیری زمان پرواز عمل می‌کنند. ترانسدیوسری که قسمتی از سنسور است، موج‌های فوق صوتی با فرکانس‌های معمولاً در بازه 20 کیلوهرتز تا چند مگاهرتز تولید میکند. این موج‌های صوتی از طریق هوا حرکت کرده و به هدف، مانند سطح یک مایع، جامد یا مواد خرد شده می‌رسند. سپس این موج‌ها به سمت ترانسدیوسر برمی‌گردند، جایی که دریافت و پردازش می‌شوند.
زمانی که موج‌ها به هدف می‌رسند و به سمت برگشت می‌گرند، زمانی که برای آنها طول می‌کشد به صورت مستقیم به فاصله بین ترانسدیوسر و هدف رابطه دارد. با اندازه‌گیری این تاخیر زمانی، سنسور می‌تواند به طور دقیق فاصله یا سطح ماده را محاسبه کند. فرمول زیر برای تعیین فاصله استفاده میشود:
فاصله = (سرعت صدا × تاخیر زمانی) / 2
تقسیم بر 2 به این دلیل است که تاخیر زمانی زمان پرواز دوره ای را اندازه‌گیری میکند، به عبارت دیگر زمانی که برای موج‌های صوتی طول می‌کشد تا به هدف برسند و به سنسور برگردند. سرعت صدا در هوا تقریباً ۳۴۳ متر بر ثانیه است، اما این مقدار ممکن است بسته به عواملی مانند دما، فشار و رطوبت هوا متغیر باشد. سنسورهای سطح فوق صوتی معمولاً این تغییرات را در نظر می‌گیرند تا اندازه‌گیری دقیق را تضمین کنند.
دقت و دامنه اندازه‌گیری یک سنسور سطح التراسونیک بستگی به فرکانس عملکرد و قدرت انتقال آن دارد. سنسورهای با فرکانس بالا می‌توانند رزولوشن بالاتری را ارائه دهند اما دامنه اندازه‌گیری کوچکتری دارند؛ در عوض، سنسورهای با فرکانس پایین دامنه اندازه‌گیری بزرگتری دارند اما رزولوشن کمتری دارند. علاوه بر این، سرعت انتشار موج فوق صوتی در محیط‌های مختلف نیز بر عملکرد سنسور تأثیر می‌گذارد.
انواع سنسورهای سطح التراسونیک
انواع اصلی سنسورهای سطح التراسونیک دو دسته‌ی متمایز را شامل میشود: سنسورهای سطح پیوسته و سنسورهای سطح نقطه‌ای.
1. سنسورهای سطح پیوسته (Continuous Level Sensors):
سنسورهای سطح پیوسته سطح مواد را به صورت زمان واقعی اندازه‌گیری می‌کنند و سیگنال خروجی پیوسته‌ای را ارائه می‌دهند که به فاصله یا سطح ماده وابسته است. این نوع سنسور برای کاربرد‌هایی که نیاز به نظارت و کنترل پیوسته بر سطح مایع یا جامد دارند، مناسب است. برخی از کاربردهای معمول این سنسورها شامل مدیریت موجودی، کنترل فرآیند و نظارت بر سطوح مایع در مخازن یا ظروف هستند.
2. سنسورهای سطح نقطه‌ای (Point Level Sensors):
از سنسورهای سطح نقطه‌ای استفاده میشود هنگامی که فقط نقطه‌ای خاص از ماده را که تعیین شده است تشخیص دهند. آنها به عنوان یک سوئیچ عمل می‌کنند و هنگامی که سطح به سطح مشخصی می‌رسد، یک سیگنال ارسال می‌کنند. سنسورهای سطح نقطه‌ای معمولاً برای حفاظت در برابر سرشاری، هشدارهای سطح پایین یا کنترل پمپ‌ها استفاده می‌شوند.
استفاده از نوع مناسب سنسور سطح فوق صوتی بسته به نیازهای کاربردی خاص و ویژگی‌های محیطی و موادی که قصد اندازه‌گیری آنها باشد، تعیین میشود.
کاربردهای سنسور سطح التراسونیک
سنسورهای سطح التراسونیک در صنعت اینترنت اشیا (IoT) به طور گسترده ای استفاده می شوند و در زمینه های کاربردی زیر به کار می روند:
اندازه‌گیری فاصله:
سنسورهای سطح التراسونیک می توانند برای اندازه‌گیری فاصله بین اشیاء استفاده شوند. به عنوان مثال، در سیستم های مدیریت پارکینگ برای تشخیص فاصله بین خودرو و موانع استفاده می شوند.
نظارت بر سطح:
سنسورهای سطح التراسونیک می توانند برای اندازه‌گیری ارتفاع مایعات مورد استفاده قرار گیرند، مانند در مخازن و مخازن روغن برای نظارت بر تغییرات سطح مایع در زمان واقعی.
اندازه‌گیری جریان: با اندازه‌گیری زمان انتشار موج فوق صوتی در یک مایع، می توان میزان جریان و حجم مایع را محاسبه کرد که در نظارت بر جریان آب، گاز و سایر مایعات به کار می روند.
تشخیص و موقعیت‌یابی اشیاء:
سنسورهای سطح التراسونیک می توانند برای تشخیص حضور و موقعیت اشیاء استفاده شوند. به عنوان مثال، در مدیریت انبارها و صنایع رباتیکی به کار می روند.
نظارت بر سلامت سازه:
سنسورهای سطح التراسونیک می توانند برای تشخیص ترکیدگی، خوردگی و شرایط دیگر در سازه های ساختمانی، خطوط لوله و تجهیزات دیگر استفاده شوند که هشدار زودهنگام از خطرات احتمالی ایجاد می کنند.
موارد کاربردی سنسورهای سطح التراسونیک در اندازه گیری حجم
1. مدیریت آب و فاضلاب: سنسورهای سطح فوق صوتی در صنایع مدیریت آب و فاضلاب برای اندازه‌گیری سطح آب در مخازن، مخازن تخلیه و سدها استفاده می‌شوند. آنها برای کنترل سطح آب، انتقال آب و هشدارهای سطح بالا یا پایین استفاده می‌شوند.
2. پردازش و ذخیره‌سازی مواد شیمیایی: در صنایع شیمیایی، سنسورهای سطح فوق صوتی برای اندازه‌گیری سطح محلول‌ها، مخازن شیمیایی و مخازن ذخیره مواد شیمیایی استفاده می‌شوند. این سنسورها به کنترل سطح، نظارت بر موجودی مواد و ایمنی در برابر سرشاری یا خالی شدن مواد کمک می‌کنند.
3. تولید مواد غذایی و نوشیدنی: در صنعت غذا و نوشیدنی، سنسورهای سطح فوق صوتی برای اندازه‌گیری سطح مایعات مانند شیر و آب در مخازن، ماشین‌آلات تولیدی و خطوط راهبردی استفاده می‌شوند. این سنسورها به کنترل پر کردن، خالی شدن و مانیتورینگ مواد در فرآیندهای تولیدی کمک می‌کنند.
4. ذخیره و توزیع نفت و گاز: در صنعت نفت و گاز، سنسورهای سطح فوق صوتی برای اندازه‌گیری سطح نفت، گاز طبیعی و مواد دیگر در مخازن ذخیره‌سازی، تانکرها و خطوط لوله استفاده می‌شوند. این سنسورها به کنترل سطح، نظارت بر موجودی و ایمنی در برابر سرشاری یا خالی شدن مواد کمک می‌کنند.
5. تولید دارویی: در صنعت داروسازی، سنسورهای سطح فوق صوتی برای اندازه‌گیری سطح مایعات در مخازن، تجهیزات تولیدی و فرآیندهای داروسازی استفاده می‌شوند. این سنسورها به کنترل و نظارت بر مواد، جلوگیری از خالی شدن مواد و ایمنی در برابر سرشاری کمک می‌کنند.
6. معدن و مواد معدنی: سنسورهای سطح فوق صوتی در صنایع معدن و مواد معدنی برای اندازه‌گیری سطح، کنترل و نظارت بر سطح مواد مانند زغال سنگ، شن و ماسه در مخازن و سیلوها بکار می رود.
مزایای سنسورهای سطح التراسونیک
سنسورهای سطح التراسونیک مقایسه‌ای با سایر فناوری‌های اندازه‌گیری سطح مانند سوییچ‌های شناور، خازنی و سنسورهای رادار دارند و تعدادی از مزایای آنها عبارتند از:
1. اندازه‌گیری بدون تماس: سنسورهای سطح التراسونیک نیازی به تماس با ماده هدف ندارند که باعث جلوگیری از آلودگی و ساییدگی سنسور میشود. این ویژگی غیرتماسی آنها را برای استفاده با مواد خورنده، لجنی و سایشی مناسب می‌سازد.
2. دقت و قابلیت اعتماد: سنسورهای سطح فوق صوتی دقت و تکرارپذیری بالایی را فراهم می‌کنند، حتی در محیط‌های دشوار با آشفتگی، کف‌زدگی یا بخار. تکنیک‌های پردازش پیشرفته سیگنال و جبران دما به منظور اطمینان از اندازه‌گیری‌های قابل اعتماد و مستمر استفاده می‌شوند.
3. نصب و نگهداری آسان: این سنسورها می‌توانند به راحتی بر روی بیرون یک مخزن یا ظرف نصب شوند بدون نیاز به حفر یا اصلاحات. همچنین، عدم وجود قطعات متحرک کاهش نیاز به نگهداری منظم را به همراه دارد و هزینه کلی مالکیت را کاهش می‌دهد.
4. چندمنظوره: سنسورهای سطح فوق صوتی می‌توانند با انواع مواد از جمله مایعات، جامدات و مواد دانه‌ای استفاده شوند. همچنین، آنها به راحتی قابل پیکربندی هستند تا در کاربرد‌ها و صنایع مختلف کار کنند.
5. هزینه مقرون به صرفه بودن: این سنسورها به دلیل عدم وجود قطعات متحرک و نیاز کمتر به نگهداری منظم، هزینه‌های نگهداری را کاهش می‌دهند. همچنین، نصب ساده و عدم نیاز به تغییرات و اصلاحات در محفظه‌ها و تجهیزات موجب کاهش هزینه نصب میشود. از این رو، سنسورهای سطح فوق صوتی به عنوان یک راه حل ارزان برای اندازه‌گیری سطح استفاده می‌شوند.
محدودیت ها و ملاحظات سنسورهای سطح التراسونیک
با وجود مزایای بسیاری که سنسورهای سطح التراسونیک دارند، اما نیز محدودیت‌ها و نکاتی وجود دارد که در انتخاب یک راه حل اندازه‌گیری سطح باید مورد توجه قرار گیرند:
ویژگی‌های ماده: سرعت صدا در مواد مختلف متغیر است که می‌تواند دقت سنسور را تحت تأثیر قرار دهد. در برخی موارد، ویژگی‌های ماده ممکن است باعث تضعیف یا جذب بیش از حد امواج صوتی شود که منجر به برگشت نامناسب یا نداشتن سیگنال میشود.
عوامل محیطی: عواملی مانند دماهای بسیار بالا یا پایین، رطوبت بالا یا ذرات گرد و غبار بیش از حد می‌توانند بر عملکرد سنسورهای سطح فوق صوتی تأثیر بگذارند. در چنین مواردی، احتیاطات اضافی یا فناوری‌های جایگزین سنسور ممکن است لازم باشد.
کف و بخار فوم: هرچند سنسورهای سطح فوق صوتی می‌توانند در حضور فوم یا بخار عملکرد مناسبی داشته باشند، اما غلظت‌های بالای فوم و بخار سبب کاهش سیگنال و کاهش دقت اندازه‌گیری میشود. بنابراین، بررسی شرایط خاص کاربرد برای تعیین اینکه آیا سنسور سطح فوق صوتی مناسب است یا خیر، ضروری است.
نتیجه
سنسورهای سطح التراسونیک یک راه حل چندمنظوره، دقیق و قابل اعتماد برای اندازه‌گیری سطح در کاربردهای‌های مختلف و در صنایع متعدد هستند. آنها به علت طبیعت غیرتماسی خود، می‌توانند در تعداد زیادی کاربرد مختلف از اندازه‌گیری سطح استفاده شوند. علاوه بر این، نصب آنها نیز بسیار آسان است و نیاز به تغییرات و تعمیرات کمتری نسبت به سایر فناوری‌ها دارند.
اما، در انتخاب سنسور سطح التراسونیک، لازم است نیازهای خاص کاربرد یا برنامه را در نظر بگیرید. به عنوان مثال، ویژگی‌های ماده‌ی مورد اندازه‌گیری و عوامل محیطی ممکن است بر دقت و عملکرد سنسور تأثیر بگذارند. همچنین، در برخی موارد خاص مانند وجود فوم یا بخار سنگین، دقت اندازه‌گیری ممکن است کاهش یابد. بنابراین، ارزیابی دقیق شرایط و نیازهای برنامه، انتخاب بهترین سنسور سطح فوق صوتی را و همچنین برآورده کردن عملکرد و موفقیت بلندمدت را تضمین میکند.
