سنسور سطح اولتراسونیک (Ultrasonic Level Sensor)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
سنسور سطح اولتراسونیک (Ultrasonic Level Sensor) :
سنسور سطح اولتراسونیک یکی از پرکاربردترین سنسورهای سطح غیرتماسی است که از امواج صوتی با فرکانس بالا (معمولا ۲۰ تا ۲۰۰ کیلوهرتز) برای اندازه گیری فاصله تا سطح ماده استفاده می کند. این سنسورها در بالای مخزن نصب می شوند (نصب on the top) و یک پالس اولتراسونیک به سمت پایین (به سطح ماده) ارسال می کنند. امواج صوتی پس از برخورد به سطح ماده بازتابیده شده و به سنسور بازمی گردند (پژواک). سنسور زمان رفت و برگشت (time-of-flight) پالس را اندازه گیری می کند. با دانستن سرعت صوت در هوا (
\[ v \])، فاصله تا سطح (
\[ d \]) از رابطه
\[ d = \frac{v \times t}{2} \]محاسبه می شود. اگر ارتفاع کل مخزن (
\[ H \]) معلوم باشد، سطح ماده (
\[ L \]) برابر است با
\[ L = H - d \].
سرعت صوت در هوا به دما (و تا حدی رطوبت و فشار) وابسته است:
\[ v \approx 331.3 + 0.606 \times T \](m/s). برای جبران این وابستگی، سنسورهای اولتراسونیک صنعتی معمولا دارای یک سنسور دمای داخلی هستند و سرعت را بر اساس دمای اندازه گیری شده تصحیح می کنند. انتخاب فرکانس سنسور به کاربرد بستگی دارد: فرکانس های پایین تر (۱۰-۳۰ کیلوهرتز) برای فواصل بلند (تا چند ده متر) و سطوح جامد (پودرها) مناسب ترند، در حالی که فرکانس های بالاتر (۵۰-۲۰۰ کیلوهرتز) برای فواصل کوتاه تر و مایعات (به دلیل دقت بالاتر) استفاده می شوند.
مزایا:
اندازه گیری غیرتماسی (بدون آلودگی، مناسب برای مواد خورنده یا چسبنده).
نصب آسان (فقط در بالای مخزن).
مناسب برای طیف وسیعی از مایعات و بسیاری از جامدات دانه ای.
قابلیت اندازه گیری سطح به صورت پیوسته.
معایب و محدودیت ها:
وجود کف (foam) روی سطح مایع می تواند امواج را جذب کرده و از بازگشت پژواک جلوگیری کند.
بخار غلیظ، مه و گرد و غبار شدید نیز می توانند سیگنال را تضعیف کنند.
وجود موانع داخل مخزن (مانند همزن) یا زاویه سطح ماده (برای جامدات) می تواند پژواک های کاذب ایجاد کند.
منطقه کور (Dead zone) نزدیک سنسور (معمولا چند ده سانتی متر) که قابل اندازه گیری نیست.
برای مواد با سطح بسیار جاذب صدا (مانند پودرهای بسیار سبک و فوم ها) مناسب نیست.
\[ L = H - \frac{v \times t}{2} \quad , \quad v(T) = 331.3 \sqrt{1 + \frac{T}{273.15}} \]کاربردها: اندازه گیری سطح مایعات در مخازن ذخیره، کنترل سطح در فرآیندهای شیمیایی، اندازه گیری سطح جامدات در سیلوها، مانیتورینگ سطح آب در رودخانه ها و کانال ها، و در تصفیه خانه های آب و فاضلاب.
