Как настроить ультразвуковые датчики

Ультразвуковой дальномер HC-SR04: подключение, схема и примеры работы

Ультразвуковой дальномер рассчитан на определение расстояния до объектов в радиусе четырёх метров.

Работа модуля основана на принципе эхолокации. Модуль посылает ультразвуковой сигнал и принимает его отражение от объекта. Измерив время между отправкой и получением импульса, не сложно вычислить расстояние до препятствия.

Подключение ультразвукового дальномера к Arduino

Модуль подключается четырьмя проводами. Контакты VCC и GND служат для подключения питания, а Trig и Echo — для отправки и приема сигналов дальномера. Подключим их к пинам 10 и 11 соответственно.

Напряжение питания дальномера 5 В. Модуль работает и с платами, напряжение которых 3,3 В — в этом случае подключайте его к пинам группы с P8 по P13. Установите джампер выбора питания V2 на Troyka Shield в положение V2+5V. Пин микроконтроллера, соединённый с пином Echo должен быть толерантен к 5 В. Приведённая схема подходит для подключения дальномера к Iskra JS.

Пример работы

Рассмотрим как работает дальномер.

Зная продолжительность высокого сигнала на пине Echo можем вычислить расстояние, умножив время, которое потратил звуковой импульс, прежде чем вернулся к модулю, на скорость распространения звука в воздухе (340 м/с).

Функция pulseIn позволяет узнать длительность импульса в μs . Запишем результат работы этой функции в переменную duration.

Теперь вычислим расстояние переведя скорость из м/с в см/мкс:

distance = duration * 340 м/с = duration * 0.034 м/мкс

Преобразуем десятичную дробь в обыкновенную

distance = duration * 1/29 = duration / 29

Принимая во внимание то, что звук преодолел расстояние до объекта и обратно, поделим полученный результат на 2

distance = duration / 58

Оформим в код всё вышесказанное и выведем результат в Serial Monitor

Работа с библиотекой

Количество строк кода можно существенно уменьшить, используя библиотеку для работы с дальномером.

Источник

Принцип работы ультразвукового датчика и способы измерить расстояние

Идею определять расстояние до предметов с помощью звука человек позаимствовал у природы. Летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные, посылая звуковые сигналы и принимая отраженные, ориентируются в пространстве. По тому же принципу работает ультразвуковой датчик. Излучая звуковые волны ультравысокой частоты, сканирует пространство перед собой, и по отраженному сигналу обнаруживает объекты и вычисляет расстояние до них.

Принцип действия

Датчики ультразвукового излучения используются для обнаружения объектов, контроля их движения и измерения расстояний до них. Принцип действия состоит в следующем. Прибор излучает звуковые колебания с частотой больше 20000 герц. При встрече с объектом они отражаются, попадают в приемник, и фиксируется. Электронная схема отсчитывает время, которое прошло с момента импульса до момента приема эха. Расстояние высчитывается по формуле: R= tV/2, где t – время между импульсом и приемом эха, V — скорость звука. Произведение делится на 2, потому что звуковые волны проходят путь, равный двойному расстоянию между объектом и датчиком. Скорость звука в различных средах неодинаковая: в воздухе это 331 м/сек, в дереве –1500, в воде – 1430.

Расстояние, на котором обнаруживаются объекты – до 8 метров, при условии, что у них твердая и гладкая поверхность. Если они изготовлены из мягкого, пористого материала, поглощающего звук – расстояние сокращается.

Описание и назначение

Датчик ультразвука — техническое устройство, которое состоит из нескольких основных частей:

Излучатель

Наиболее распространены два вида излучателей: магнитострикционный и пьезоэлектрический.

Магнитострикционный — ультразвуковые колебания возникают при изменении линейных размеров ферромагнетика в переменном магнитном поле.

• надежность — не менее 10 000 часов непрерывной работы;
• коэффициент полезного действия 80%.

• сложная конструкция;
• необходимо водяное охлаждение.

Пьезоэлектрический – ультразвуковые волны возникают при изменении линейных размеров диэлектрика, выполненного в виде мембраны, в переменном электрическом поле.

• простота конструкции;
• получение ультразвука широкого частотного диапазона;
• незначительные размеры.

• низкая мощность излучения.
• В ультразвуковых датчиках используются в основном пьезоэлектрические излучатели.

Приемник

Пьезоэлектрический эффект имеет обратную сторону: ультразвук, попадая на пьезоэлемент, вызывают в нем колебательные движения, в результате которых возникает электрический ток. На этом принципе работают датчики ультразвукового излучения: возникновение тока в электрической цепи говорит о появлении объекта перед прибором.

По конструкции приемо-передающей системы выделяют два типа датчиков:

В данной схеме передатчик и приемник — единый элемент. Мембрана, излучив ультразвук, принимает отраженный сигнал и формирует электрический сигнал. Это упрощает конструкцию, уменьшает размер. Однако есть недостаток. Мембрана после излучения не может сразу перейти к приему – необходимо время, чтобы колебания погасли. Этот период получил наименование «мертвое время». Расстояние до приемника, ближе которого отраженный объектом сигнал будет попадать на мембрану в мертвое время, называется слепой зоной. На таком расстоянии прибор не фиксирует сигнал, и объект не обнаружиться. С этим явлением борются. При помощи настроек и специальных режимов работы удается уменьшить слепую зону в 2 раза, но полностью устранить ее невозможно.

• с двумя головками

Передатчик и приемник – отдельные части конструкции. У прибора нет слепой зоны, однако требуется настройки элементов для совпадения частоты передачи и приема сигнала.

Назначение датчика ультразвука — фиксация появления объектов в зоне действия, измерение расстояния до них, подсчет перемещающихся в зоне обзора предметов, определения уровня сыпучих грузов и жидкостей. При выполнении этих задач он может работать в темноте, в условиях задымленности, запыленности, повышенной влажности, высоких и низких температур. Прибор нечувствителен к звуковым сигналам слышимого диапазона. При необходимости легко регулируется на другие измерительные диапазоны.

Примеры

Ультразвуковой датчик Lego Mindstorm EV 3

Входит в робототехнический конструктор Lego Mindstorm EV 3. Основная функция — измерение расстояния до объектов, находящихся в поле зрения сенсора.

Выполнен по схеме с двумя головками. Одна – пьезоэлектрический преобразователь-излучатель AW8T40, другая — пьезоэлектрический преобразователь-приемник AW8R40. Головки размещены в общем корпусе вместе с микроконтроллером и микросхемами усиления сигнала. Датчик через кабель подключается к центральному микрокомпьютеру EV 3.

• Частота излучения – 40000 герц.
• Дистанция обнаружения — до 255 см.
• Слепая зона — 3 см.
• Точность измерения — +/- 1 см.
• Вес – 0,05 кг.

Лучше обнаруживает объекты с гладкой, хорошо отражающей звуковые волны поверхностью. Объекты, покрытые мягкой тканью, могут не обнаруживаться датчиком. Затруднено фиксирование объектов сферической формы, либо имеющих наклонные поверхности.

Работает в двух режимах:

• режим определения расстояния;
• режим обнаружение другого ультразвукового излучателя.

Датчик сконструирован для использования в наборе Lego Mindstorm EV 3 и автоматически определяется программным обеспечением микрокомпьютера. Устанавливается на роботах, собранных из элементов набора.

Ультразвуковой датчик HC-SR04

Датчик также выполнен по двухголовочной схеме и состоит из пьезоэлектрического преобразователя-излучателя TCT40-16T, и пьезоэлектрического преобразователя-приемника TCT40-16R. Они размещены на плате, размером 45х25 мм, с обратной стороны которой смонтированы микросхемы и другие элементы. Внизу платы выведены четыре контакта: 2 – питания, 2 – цифровые вход и выход.

• Напряжением — 5 В.
• Частота ультразвука — 40 кГц
• Дистанция обнаружения — до 400 см.
• Слепая зона – 2 см.
• Минимальный разрешение – 0,3 см.
• Эффективный угол наблюдения — 15°.
• Вес- 8,3 гр.

Обычно он интегрируется с аппаратной платформой Arduino, но может подключаться и к другим микроконтроллерам. Благодаря открытой архитектуре и программному коду Arduino, HC-SR04 широко используется в любительских и профессиональных проектах: конструирование робототехники, создание измерительных приборов и сторожевых систем и т.п.

Работает только в активном режиме – не определяет посторонние источники ультразвука.

Востребованности прибора способствует цена – около 100 рублей.

Применение сенсоров ультразвукового излучения в робототехнике

Главная задача, решаемая в робототехнике с помощью датчиков этого вида — ориентирование робота на местности, предотвращение столкновений и обеспечение обхода препятствий.

Достоинства систем ориентации, построенных на ультразвуковых датчиках:

• цена;
• проста в изготовлении, так как монтируется из легкодоступных элементов;
• при интегрировании в роботизированные устройства не требуется менять схему управления робота;

• универсальность;
• нечувствительность к неблагоприятным факторам окружающей среды: задымленность, запыленность, отсутствие света, высокая влажность.

Учитывая незначительную дистанцию действия сенсоров в воздушной среде, их применяют в пространствах ограниченного объема искусственного или естественного происхождения, с твердыми и ровными поверхностями. Это обеспечивает получение устойчивого эхо-сигнала. В таких условиях информация ультразвукового дальномера объективна. Для кругового обзора необходимо увеличение количества датчиков. Определение расстояние до преграды в движении, остановка и объезд достигается программными средствами.

Ультразвуковые сенсорные системы широко применяются в подводных роботах, являясь основными средствами контроля окружающего пространства. Здесь в качестве гидроакустических преобразователей используют магнитострикционные излучатели, обладающие большой акустической мощностью.

Другие сферы применения

Ультразвуковые сенсоры применяют в различных областях:

• Для контроля физико-химических характеристик веществ. Принцип действия основан на сравнения скорости звука в проверяемом веществе с эталонным – расхождение указывает на изменения в веществе.
• Для контроля расхода жидких веществ в трубопроводах. Принцип действия основывается на сравнении скорости ультразвуковых колебаний по направлению потока и против него. Метод не требует помещение датчика внутрь трубопровода — сенсор крепится с наружной стороны.
• Для определения уровней жидких или сыпучих материалов.
  Принцип действия основан на отражении ультразвука, посылаемого датчиком, от границы раздела «газ – жидкий или сыпучий материал». При понижении уровня время прохождения колебаний меняется, и прибор сигнализирует об этом.
• Для охраны помещений. Принципов действия несколько:
• охранный датчик испускает ультразвуковое излучение. При появлении в зоне обнаружение объекта отраженный сигнал принимается датчиком. Далее он действует по выбранному алгоритму: включает сирену, подает сигнал на пульт охраны и т.д.;
• сигнал охранного датчика попадает на приемник, расположенный на некотором расстоянии. При прохождении объекта между приемником и излучателем сигнал прерывается, и сенсор действует по приведенному алгоритму.

Для надежности обычно применяют несколько ультразвуковых охранных датчиков, работающих на разных принципах.

• Пожарная безопасность. Ультразвуковой пожарный извещатель действует по тому же принципу, что и охранный. Реагирует не на объект, а на движение нагретого огнем воздуха. Отличается высокой чувствительностью. Измерители температуры газов и пожарные сигнализаторы, основанные на изменении скорости распространения при изменении температуры среды или появления дыма.

Ультразвуковой контроль качества материалов и изделий. Принцип действия основан на отличии скорости звука в разных средах и отражении ультразвука от границы сред. Обнаруживает точное расположение внутренних дефектов на глубине нескольких метров.

• Медицина. Проведение ультразвукового исследования для диагностики внутренних патологий. Принцип работы датчика основан том, что скорость прохождения ультразвуковых волн в тканях человека. Отраженный сигнал меняет длину волны в различных тканях организма. Визуализация сигнала на экране прибора дает возможность увидеть строение внутренних органов человека.

Источник

Особенности измерения расстояния / уровня ультразвуковыми датчиками

1. Принцип работы ультразвуковых датчиков измерения расстояния

Рисунок 1 — Датчики Microsonic В современных автоматизированных системах управления технологическими процессами одной из распространенных задач является измерение расстояние до объектов, и в частном случае контроль уровня в емкостях с различными средами.

Для решения этой задачи все большее распространение на российском рынке получают датчики microsonic на основе ультразвукового принципа измерения, работающие без непосредственного контакта с объектом. Благодаря этому, они могут работать:

• с густыми и вязкими средами (патока, сметана, карамель);
• с любыми жидкостями, в том числе диэлектриками (дистиллированная вода, масло);
• с сыпучими, неоднородными средами (гравий, сахар, овощи);
• с грязными средами (канализационно-насосные станции);
• с прозрачными объектами из стекла или пластика.

В основе данного принципа измерения лежит пъезокерамический элемент, излучающий с поверхности датчика ультразвуковую волну. Отразившись от объекта, волна возвращается обратно к датчику. Зная скорость распространения звука в воздухе (v) и измеряя время между излучением и принятием ультразвуковой волны (t), схемотехника датчика производит вычисление расстояния.

Рисунок 2 — Принцип работы ультразвукового датчика расстояния

Однако, у данного метода измерений существует целый ряд особенностей и ограничений, которые влияют как на точность, так и на саму возможность измерения.

2. Скорость звука и точность измерения ультразвуковых датчиков

График зависимости скорости звука от температуры Для идеальных газов скорость звука определяется формулой Лапласа: где:

γ — показатель адиабаты газа (7/5 для воздуха);

R – универсальная газовая постоянная (8,31 Дж/моль*К);

М — молярная масса (29 г/моль для воздуха);

Т — абсолютная температура (в К).

Общепромышленные ультразвуковые датчики калибруются в воздухе: скорость распространения звука в нем составляет 330 м/с при 0 С температуры окружающей среды. Соответственно, эксплуатировать датчик расстояния, например, в СО₂ невозможно, поскольку скорость звука при 0 °С будет составлять уже 260 м/с и измерение не будет достоверным.

Скорость распространения звука в воздухе, в свою очередь, практически полностью зависит только от температуры.

По этой причине, в корпус ультразвуковых датчиков microsonic встроен сенсор температуры, обеспечивающий компенсацию изменения температуры воздуха во всем диапазоне эксплуатации -25. +70 С: погрешность измерения составляет ± 1% от измеряемого значения расстояния. Однако, это справедливо в случае однородной температуры на всем пути распространения ультразвуковой волны: если же температура неоднородна, необходимы иные методы компенсации.

Рисунок 3 — Применение ультразвуковых датчиков расстояния при производстве полиэтиленовой пленки Рисунок 4 — Схема расположения датчиков расстояния

Один из таких методов применяется при измерении диаметра выдуваемого рукава полиэтиленовой пленки. Для точного контроля устанавливаются 3 ультразвуковых датчика под углом 120 градусов относительно друг друга (см. рис. 3). Поверхность пленки достаточно горячая: ультразвуковая волна, излучаемая датчиком, ускоряется с приближением к пленке и вычисленное датчиком значение расстояние всегда будет меньше фактического. Для компенсации погрешности устанавливается дополнительный 4-й датчик в тех же температурных условиях, но измеряющий точно известное расстояние до неподвижного объекта. Показания всех четырех датчиков подключены к программируемому контроллеру — на сколько изменяются показания 4-го датчика относительно известного расстояния, на столько компенсируются показания 3-х остальных датчиков (см. рис. 4). Для решения подобных задач возможно использование, например,ультразвуковых датчиков mic+35/IU/TC.

Важным условием измерения является плавное изменение температуры воздуха, поскольку если объект очень горячий (например, расплавленный металл), то образующаяся турбулентность воздуха приведет к отклонению ультразвуковой волны в сторону и невозможности измерения ультразвуковым методом.

3. Затухание звука и максимальное рабочее расстояние датчика

Помимо точности измерения расстояния, важнейшим критерием является дальность распространения ультразвуковой волны или максимальное рабочее расстояние датчика, вплоть до которого он способен производить измерение. В свою очередь, это расстояние зависит от затухания звука.

Звуковая волна в воздухе распространяется за счет продольных колебаний молекул воздуха относительно своего положения и их соударения друг с другом.

На рисунке 5 отображены две зоны — разряжения (обозначена синим) и избыточного давления (обозначена красным). Соответственно, изменения звукового давления носят периодический характер (период колебаний Т), графически описываются синусоидой и имеют определенную амплитуду (А). Сама ультразвуковая волна обладает энергией: в результате соударений молекул ее энергия рассеивается, поглощаясь самой средой, и преобразуется в тепловую энергию.

Затухание — это уменьшение амплитуды звукового давления с увеличением расстояния от источника звука (излучателя датчика). Если измеряемый объект находится на расстоянии большем, чем максимальное рабочее расстояние, то отправленная и затем отразившаяся обратно волна успевает полностью поглотится средой и измерение становится невозможным.

А’ – звуковое давление на расстоянии от источника звука r;

А₀— начальное звуковое давление;

δ — коэффициент затухания, измеряемый в дБ/метр или Нп/метр.

Преобразуя формулу выше, имеем:

Однако данная формула позволяет рассчитать коэффициент только на основе экспериментальных данных.

Существует следующая зависимость, связывающая коэффициент затухания с параметрами окружающей среды, влияющими на поглощение звука в воздухе:

ω — частота ультразвуковой волны;

ρ — плотность среды;

с — скорость распространения звука в среде;

η — коэффициент сдвиговой вязкости;

ξ — коэффициент объемной вязкости;

χ — коэффициент теплопроводности;

С_v – теплоемкость при постоянном объеме;

С_p – теплоемкость при постоянном давлении.

Таким образом, следующие параметры среды влияют на рабочее расстояние датчика:

• Температура: влияет на вязкость, плотность и скорость распространения звука. С ростом температуры, затухание увеличивается и максимальное расстояние уменьшается.
• Давление: в пределах 6 бар влияет только на плотность. С повышением давления затухание уменьшается и максимальное расстояние увеличивается.
• Относительная влажность: как и температура, влияет одновременно на несколько параметров. В реальности зависимость описывается эмпирически: график для частот 40, 3, 100, 160 и 200 кГц представлен на рисунке 6. На разных частотах, затухание будет максимальным при разной относительной влажности воздуха.

Частота ультразвука: зависит от характеристик конкретной модели датчика. Чем выше рабочая частота, с которой датчик излучает ультразвуковую волну, тем быстрее затухает сама волна. Например, ультразвуковой датчик модификации mic+600 (рабочий диапазон от 0,6 до 6 м) изготовлен с рабочей частотой излучателя 80 кГц, а датчик mic+35 (рабочий диапазон от 65 до 350 мм) с рабочей частотой 400 кГц.

Рисунок 6 — График зависимости коэффициента затухания от относительной влажности

Производителем составлены диаграммы направленности (рис. 7) для различных моделей датчиков, которые позволяют увидеть зону распространения ультразвукового поля в объеме. Например, для модели датчика расстояния mic+35:

Рисунок 7 — Диаграмма направленности

• Серая область — зона, в которой обнаруживается металлическая пластина размером 500х500 мм.
• Голубая область — зона, в которой обнаруживается круглый прут диаметром 10 мм.
• Слепая зона — область, в которой датчик не способен производить измерение.
• Рабочий диапазон — область, в которой датчик гарантированно будет производить измерения при атмосферном давлении, относительной влажности 0. 100% и температуре -25. 70 С.
• Максимальное рабочее расстояние — расстояние, достижимое лишь при идеальных условиях отражения и нормальных условиях окружающей среды (50% относительная влажность, давление 101,3 кПа, температура 20 С).

4. Отражающие свойства объектов

Помимо поглощения звука самой средой, ультразвук взаимодействует с самим объектом, отражаясь от его поверхности. При достижении ультразвуковой волной поверхности объекта, часть энергии волны проходит внутрь объекта, а остальная часть энергии отражается обратно(см. рис 8).

Рисунок 8 — Поведение звуковой волны при взаимодействии с объектом E полн = E отр + E погл E_полн=E_отр+E_погл

В свою очередь, чем меньше акустическое сопротивление объекта, тем большая часть энергии Е_погл проникает внутрь среды и тем сильнее уменьшается максимальное рабочее расстояние вместе с уменьшением Е_отр.

Z – акустическое сопротивление, Па*с/м;

ρ – плотность среды, кг/м 3 ;

с — скорость звука в среде, м/с.

Для расчета коэффициента отражения, используется формула Френеля:

R = Z 2 − Z 1 Z 2 + Z 1 R= over

Z1 – акустическое сопротивление воздуха, Па*с/м;

Z2 – акустическое сопротивление объекта, Па*с/м.

Чем больше коэффициент отражения, тем большая часть энергии волны E_отр отразится обратно и тем больше расстояние, на котором может происходить измерение.

К объектам с высоким акустическим сопротивлением относятся: жидкости, сталь, дерево, стекло, пластик. В случае, если параметры окружающего воздуха (температура, влажность, давление) соответствуют нормальным условиям, то измерение расстояния ультразвуковым датчиком до объектов из подобных материалов возможно на максимальном рабочем расстоянии.

К объектам с низким акустическим сопротивлениями относятся: пена, шерсть,поролон, пух. По причине высокой пористости, большая часть энергии волны сквозь эти поры попадает внутрь объекта и «гасится» во внутренних полостях. При работе с подобными материалами, даже если параметры окружающей среды соответствуют нормальным, измерение может стать невозможным даже в пределах рабочего диапазона.

Как правило, ультразвуковые датчики не применяются для измерения уровня пенящихся сред (пиво, шампанское и прочих). Но в ряде случаев, если использовать датчик на большое рабочее расстояние, с мощным излучателем и измерять им насколько возможно близко, то степени поглощения звука материалом объекта может не хватить, чтобы волна полностью «погасилась» и не вернулась обратно к датчику: измерение станет возможным.

5. Слепая зона

Еще одной важной особенностью работы ультразвуковых датчиков является невозможность измерения уровня на близком от датчика расстоянии. Это связано с тем, что излучатель датчика является одновременно и его приемником.

В основе датчика лежит пъезокерамический элемент, который начинает колебаться при подачи на него напряжения. В зависимости от его характеристик, он излучает ультразвуковую волну определенной частоты, после чего переходит в режим приема и ожидает возвращения отраженной от объекта волны.

Однако после прекращения подачи напряжения, в пъезокерамическом элементе наблюдаются затухающие автоколебания, которые невозможно избежать. Если объект находится слишком близко, то отраженная волна вернется к излучателю в тот момент, пока автоколебания еще не прекратились. И как следствие, измерение станет невозможным. Слепая зона — это расстояние, которое ультразвуковая волна проходит за время полного затухания автоколебаний. Это фиксированная величина, являющаяся характеристикой конкретной модели датчика, не подлежит настройки и не зависит от параметров окружающей среды.

6. Монтаж ультразвуковых датчиков

Залогом корректной работы ультразвуковых датчиков является их правильный монтаж.

1. При работе с хорошо отражающими звук объектами, предъявляются особые требования к монтажу — излучаемая волна должна строго перпендикулярно отражаться от гладкой поверхности, чтобы вернуться обратно к излучателю датчика.

2. В случае наличия выступающих частей (например, приваренной арматуры) в емкости с измеряемой средой, ультразвуковая волна может отражаться от этих выступов, если они попадают в зону распространения волны. Необходимо или замонтировать датчик в другом месте, или опустить его ниже (тем самым сузив область распространения, в которую может попадать препятствие), или использовать волновод: трубку из любого отражающего звук материала произвольной длины, в которую устанавливается датчик и тем самым сужается зона распространения звуковой волны (см рис. 9). Аналогичны рекомендации, когда датчик расположен над отверстием и измеряет уровень в емкости через него, при этом диаметр отверстия меньше, чем диаметр пятна ультразвуковой волны в соответствии с диаграммой направленности.

Рисунок 9 — Монтаж датчика с волноводом

3.Важнейшим преимуществом ультразвукового метода измерения является возможность непрерывного контроля уровня сыпучего компонента, такого как: картофель, щепа, ягоды, свекла, сахар, щебень и т. д.(рис. 10)

Рисунок 10 — Измерение расстояния до сыпучих материалов ультразвуковым датчиком

Поверхность имеет неоднородную структуру и форму, что приводит к тому, что отраженная волна не только отражается обратно к датчику, но и рассеивается в разные стороны на неоднородностях поверхности. С одной стороны, это позволяет гарантированно измерять уровень, даже если поверхность находится под значительным углом по отношению к датчику (когда насыпание происходит «с горкой»), но с другой стороны, отраженная энергия Е_отруменьшается за счет увеличения рассеиваемой энергии E_рас. В результате, при измерении уровня сыпучего компонента, максимальное расстояние измерение может уменьшаться (рис. 11).

Рисунок 11 — Характер отражения звуковых волн от сыпучих объектов

4.Как правило, сыпучий компонент засыпается сверху емкости. И в случае, если сыплющийся поток постоянно попадает в зону распространения ультразвуковой волны, датчик не сможет производить измерение. Возможным решением проблемы, помимо переноса датчика в другое место, может являться установка его под козырьком, который одновременно будет являться отражателем.

Рисунок 12 — монтаж датчика с отражателем звуковой волны

5.Зачастую при измерении уровня сыпучего, мелкодисперсного компонента (например, муки), в воздухе присутствует высокая запыленность. Существует ряд ограничений, при которых измерение станет невозможным:

Помехи и барьеры при измерении уровня мелкодисперсного компонента

• при достаточно высоком уровне запыленности, ультразвуковая волна может постоянно отражаться от пылевого облака;
• если пыль налипает на излучатель толстым слоем и/или затвердевает при высокой влажности;
• аналогичная ситуация проявляется при отрицательных температурах — если конденсат на поверхности датчика замерзнет с образованием корки льда;
• в емкости часто включается принудительная аэрация для поддержания рыхлости.

При достаточной скорости воздуха, направление распространения ультразвуковой волны будет изменяться и не позволит отраженной волне от объекта вернуться обратно к датчику.

7. Выводы

Применение ультразвукового метода имеет ряд ограничений, которые необходимо учитывать при эксплуатации и подборе датчиков:

• температурный диапазон в месте монтажа датчика должен соответствовать температуре эксплуатации датчиков -25. 70 С;
• температура между датчиком и объектом должна быть однородной, в противном случае необходимы дополнительные меры компенсации;
• максимальное расстояние, на котором датчик способен производить измерение, зависит от большого количества факторов: температуры, влажности, давления, отражающих свойств среды. Рекомендуется проведение дополнительного тестирования на объекте;
• измерение с поглощающими звук средами невозможно. Прежде всего к ним относятся среды, содержащие на поверхности пену (пиво, шампанское, моющие растворы);
• измерение в пределах слепой зоны невозможно;
• необходимо отсутствие препятствий в зоне распространения ультразвуковой волны;
• наличие сильного потока воздуха при аэрации, высокая запыленность или наледь препятствуют работе датчиков.

Несмотря на данные ограничения, ультразвуковые датчики microsonic с успехом применяются в таких отраслях промышленности, как: сельское хозяйство, химическое производство, водоочистка, автомобилестроение, производство сахара, кондитерское производство, печатные машины, автоматы розлива и многих других.

Список использованной литературы:

1. Балдев Радж, В. Раджендран, П. Паланичами, Применения ультразвука, М., «Техносфера», 2006
2. Б. А. Агранат, В. И. Башкиров, Ю. И. Китайгородский, Н. Н. Хавский, Ультразвуковая технология, М., «Металлургия», 1974
3. Колесников А. Е., Ультразвуковые измерения, 2 изд., М., 1982
4. Ультразвуковые датчики в окружающей среде, «ГлавАвтоматика», Челябинск, 2012.
5. ISO 9613-1:1993 Acoustics – Attenuation of sound during propagation outdoors – Part1: Calculation of the absorption of sound by the atmosphere
6. L. Jakevičius, A. Demčenko Ultrasound attenuation dependence on air temperature in closad chambers, ISSN 1392-2114 ULTRAGARSAS (ULTRASOUND), Vol. 63, No.1, 2008
7. Donald P. Massa Choosing an Ultrasonic Sensor for Proximity or Distance Measurement. Part 1: Acoustic Considerations February 1, 1999

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Рывкин Е.Е.

Источник