Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Бесконтактные способы измерения расстояний, используя волны в ультразвуковом диапазоне широко применяются в нашей повседневной жизни. Мы сталкиваемся с ними, делая УЗИ в поликлинике, используя эхолот на рыбалке. Парктроник в автомобиле помогает нам избежать столкновения, сдавая задним ходом. И конечно же ультразвуковые датчики широко применяются в робототехнике, помогая нашему роботу лучше «осязать» мир. В живой природе принцип ультразвуковой локации используется, например, летучими мышами и дельфинами. Сегодня я расскажу как же все это работает.

Что такое ультразвук

Человек способен воспринимать звуковые волны, совершающие колебания в диапазоне от 20 до 20000 Гц (напомню, 1 Герц — это число колебаний в секунду). С возрастом диапазон воспринимаемых нами частот снижается, но в среднем, ребенок способен воспринимать звук именно в этом диапазоне.

Если же колебания звуковых волн превысят этот диапазон, то человек перестает воспринимать их, но летучие мыши, собаки, дельфины, и мотыльки вполне могут их услышать. Такие колебания являются примерами ультразвука. Ультразвук — это упругие колебания и волны в диапазоне от 20 кГц до 1 ГГц.

Термин упругие подчеркивает неэлектромагнитную природу этих колебаний и волн.

Длина волны находится в обратной зависимости от ее частоты, следовательно ультразвуковые волны, по сравнению с обычным звуком имеют меньшую длину волны. Вследствие этого, ультразвуковые волны отражаются от различных препятствий гораздо лучше, чем обычные звуковые волны, что делает их весьма полезными на практике.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Автомобильный парктроник

Пьезоэффект и магнитострикция

Как же получить колебания в ультразвуковом диапазоне?

Кристаллы некоторых материалов (таких как кварц) способны совершать очень быстрые колебания, при прохождении через них электричества. Это, так называемый, обратный пьезоэффект.

Во время вибрации, они толкают и тянут воздух вокруг себя, производя, тем самым, ультразвуковые волны. Устройства, которые производят ультразвуковые волны с помощью пьезоэлектричества известны как пьезоэлектрические преобразователи.

Пьезоэлектрические кристаллы также работать в обратном порядке: если ультразвуковые волны, распространяясь по воздуху,  сталкиваются с пьезоэлектрическим кристаллом, слегка деформируют его поверхность, в результате чего в кристалле возникает электрическое поле.

Итак, если подключить пьезоэлектрический кристалл к измерителю электрического напряжения, мы получим детектор ультразвука.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Пьезоэлектрический эффект

Ультразвуковые волны могут быть получены с использованием магнетизма вместо электричества.

Так же, как пьезоэлектрические кристаллы производят ультразвуковые волны в ответ на электричество, существуют и другие кристаллы, которые излучают ультразвук в ответ на магнетизм. Это эффект магнистрикции.

Такие кристаллы называются магнитострикционными кристаллами. Датчики, использующие их, называются магнитострикционными преобразователями.

В англоязычной литературе ультразвуковые датчики называются ultrasound sensor.

Ультразвуковой дальномер

Используя пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи мы можем создать устройство, измеряющее расстояние до объектов — ультразвуковой дальномер, который работает следующим образом.

В момент измерения мы создаем электрическое колебание при помощи генератора, которое преобразуясь (например, при помощи пьезокристалла) в ультразвуковую волну, излучается в окружающее пространcтво.

Эта волна отражается от препятствия и возвращается как эхо в приемник (также можно использовать пьезокристалл).

Измеряя время между посылкой и приемом нашего отраженного сигнала и, зная скорость звуковой волны , распространяемой в данной среде (для воздуха это величина около 340 м/с), мы можем вычислить расстояние до препятствия.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Принцип действия ультразвукового дальномера

Ограничения

  • Повышением частоты (снижением длины) излучаемой волны можно увеличивать чувствительность прибора к более мелким объектам.
  • Частичные отражения, или как их называют паразитный эхо-сигнал, могут исказить результаты измерений (причиной могут стать криволинейные или наклонные по-отношению к направлению излучения сигнала поверхности).

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Паразитный эхо-сигнал

  • Измерения объектов из звукопоглощающих, изоляционных материалов или имеющих тканевую (шерстяную) поверхность могут привести к неправильным измерениям вследствии поглощения (ослабления) сигнала. Домашний кошара может стать этаким «стелсом» для ультразвукового дальномера.
  • Чем меньше объект, тем меньшую отражающую поверхность он имеет. Это приводит к более слабому отраженному сигналу.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Отражение от маленького объекта приводит к слабому сигналу

  • При высокой влажности (дождь, снег) сигнал также может частично отражаться от капель (снежинок), что приводит к паразитному эхо-сигналу.
  • Сильный ветер может повлиять на распространение волн (буквально «сдуть»), что также приводит к ошибке измерений.

Зная ограничения, связанные с физической природой ультразвука можно решить подходит этот тип дальномера для вашей задачи или же нет.

 

Урок 19. Работа с ультразвуковым датчиком расстояния HC-SR04 в BASCOM-AVR

Часто бывают ситуации, когда нужно измерять расстояние до какого либо объекта электронными способами. Для этого существует много различных датчиков и электронных устройств. Один из таких датчиков HC-SR04, способен измерять расстояние до 4 метров с помощью ультразвука. Он достаточно распространён и дешёв, я купил его примерно за 4$.

Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04 (Вид сверху):

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04 (Вид снизу):

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Принцип работы датчика следующий: один из пьезоэлементов излучает ультразвуковую волну при подачи импульса длительностью 15 микросекунд, а другой пьезоэлемент принимает эту же отражённую волну от препятствия.

Затем замеряется время задержки от передачи до приёма волны, далее вычисляется расстояние и передаётся сигнал на ногу Echo датчика, длительностью пропорциональной расстоянию до препятствия.

Нам остаётся только подавать импульс на датчик, принять его и вычислить расстояние. Сегодня мы научимся работать с HC-SR04 на BASCOM-AVR.

Поставим перед собой задачу: собрать устройство, которое должно замерять расстояние до какого либо объекта с помощью датчика HC-SR04 и передавать данные через UART на ПК.

Для этой цели можно использовать практически любой AVR микроконтроллер, так как алгоритм очень простой. Я взял Atmega8, в итоге получилась следующая принципиальная схема устройства:

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

В качестве связующего звена с ПК используем USB — UART (COM — UART) переходник и любую терминальную программу на стороне ПК, например Terminal Emulator в BASCOM-AVR. Не забываем также выставить скорость (Baud) на 9600.

Я собрал схему на макетной плате с механическими контактами. Вот что получилось:

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

С «железной» частью разобрались, теперь приступим к программной.

На BASCOM-AVR я написал следующую программу для работы с датчиком:

$regfile = «m8def.dat»
$crystal = 8000000
$baud = 9600

Config Portc.5 = Output
Trig Alias Portc.5
Config Portc.4 = Input

Dim S As Word
Dim R As Single

Do
Trig = 1
Waitus 15
Trig = 0
Waitus 10
Pulsein S , Pinc , 4 , 1
R = S * 0.1725
Print R
Waitms 50
Loop

End

В трёх первых строках программы мы назначаем микроконтроллер и его тактовую частоту, а также скорость работы UART (в данном случае 9600 бод). Далее мы конфигурируем порт PORTC.5 микроконтроллера на выход, так как сюда у нас подключен пин Trig датчика расстояния. Порту PORTC.

5 мы назначили имя Trig чтобы нам было легче писатьчитать код, при обращении к этому имени мы обращаемся к PORTC.5. Также мы сконфигурировали PORTC.4 на вход, поскольку сюда мы подключили Echo датчика. Потом мы задаём переменные в которых будем хранить данные для расчёта и отображения.

И тут начинается самое интересное, открываем операторные скобки бесконечного цикла (Do, Loop) и видим следующий код:

Trig = 1
Waitus 15
Trig = 0
Waitus 10

Здесь мы подаём кратковременный импульс длительностью 15 микросекунд на Trig и ждём 10 микросекунд.

Командой Pulsein S , Pinc , 4 , 1 мы замеряем длительность импульса на PINC.4 и заносим эту длительность в переменную S. Дальше вычисляем длину и записываем её в переменную R (R = S * 0.1725). 0.1725 — коэффициент для расчёта расстояния из длинны импульса. Командой Print R выводим в UART расстояние до препятствия. 

Работа устройства в «железе»:

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

При прошивке микроконтроллера не забываем установить фьюз-биты на работу от внутреннего тактового генератора на 8 МГц.

Вот скрин фьюз-битов:

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Урок 20. Подключение семисегментного индикатора по трём проводам (74HC595)

Скачать список элементов (PDF)

Прикрепленные файлы:

Принцип работы ультразвукового датчика

Природа кристаллов пьезоэлектрических элементов позволяет генерировать звук высокой частоты под воздействием электрического напряжения.

Оказавшись в поле высокочастотных звуковых колебаний, пьезокристалл, напротив, генерирует электрическую энергию.

Включив такие кристаллы в электрическую цепь, и определенным образом обрабатывая получаемые с них сигналы, мы можем видеть изображение на экране УЗИ-аппарата.

Меры предосторожности при работе с ультразвуковыми датчиками

Между кристаллической матрицей датчика и телом пациента располагается ряд согласующих материалов для лучшего проникновения и дополнительной фокусировки УЗ-луча. Это согласующие слои самого датчика, акустическая линза и согласующий акустический гель.

Необходимо помнить, что применять следует гель из рекомендуемого производителем списка, поскольку гели отличаются физическими параметрами. Использование «неправильного» геля будет приводить к перегреву пьезокристаллической матрицы, согласующих слоев и линзы, а также к повышенной нагрузке на электронные блоки формирования высокого напряжения и усиления принятого сигнала.

  • Таким образом, кажущаяся необоснованность и экономия от использования более дешевого геля приведет к поломке датчика и дорогостоящему ремонту самого аппарата, а в некоторых случаях даже электротравмам пациента или врача, так как на головку датчика подается высокое электрическое напряжение.
  • Если у Вас все же возникла проблема с датчиком, не спешите его списывать:
  • Несмотря на всю сложность, ремонт датчиков УЗИ возможен практически в любом случае.
Читайте также:  Датчик скорости Форд Фокус 1: где находится, замена, причины поломок

Как работает ультразвуковой датчик в B-режиме

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

  1. Через ультразвуковой пьезоэлектрический датчик в ткани отправляется короткий импульс.

  2. Он распространяется и отражается от объектов, расположенных на разной глубине. Скорость распространения ультразвука в тканях известна, поэтому можно определить определить расстояние до объекта, который отразил данный эхо-сигнал.

  3. Амплитуда принятого сигнала кодируется на экране с помощью оттенков серого цвета. Глаз человека больше всего восприимчив именно к оттенкам серого. Таким образом происходит кодировка амплитуды принимаемого сигнала в яркость на мониторе УЗ-сканера.

При этом работа ультразвукового датчика для пользователя заключается в следующем:

твердые объекты выглядят более светлыми, почти белыми, пустоты наоборот  — черными.

Это происходит потому, что амплитуда отраженного от кости сигнала велика. Если же направить луч в полость (в пустоту),  УЗ-луч пройдет очень глубоко, сильно ослабнет и амплитуда принятого отраженного сигнала будет близка к нулю. Биологические ткани, представляющие наибольший интерес для врача, на дисплее аппарата отображаются в промежуточных градациях серого цвета.

Работа линейных, конвексных и секторных датчиков

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

В линейных и конвексных датчиках пьезокристаллы излучают группами поочередно, пока не отработают все кристаллы от начала пьезокристаллической матрицы до конца. Один кадр на дисплее обновится тогда, когда все группы поочерёдно отправят и примут ультразвуковой сигнал.

В секторных фазированных датчиках все кристаллы излучают почти одновременно. Специально вводятся небольшие электронные задержки сигнала на каждый кристалл для того, чтобы направлять сканирующий луч. Изображение на дисплее обновится тогда, когда луч просканирует весь сектор обзора.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы 

Работа ультразвукового датчика в режимах допплера

Рассмотрим прам из видов доплера – режиме постоянного доплера. Суть метода заключается в применении эффекта Доплера.

Звук, отражаясь от подвижного объекта, меняет свою частоту. В зависимости от направления движения объекта и его скорости, Эта разница, или сдвиг частот, называется Допплеровским. Он будет изменяться с течением времени.

В данном режиме одна половина кристаллов датчика работает на излучение ультразвука, а вторая – на приём. Сравнивая принятый сигнал с отправленным, мы получим частотный допплеровский сдвиг ультразвука.

По значению сдвига можно высчитать скорость движения тканей или жидкостей в организме. Допплеровский сдвиг часто лежит в пределах слышимых человеком частот (20Гц-20кГц), поэтому его в качестве дополнительного источника информации выводят в форме звука, через динамик аппарата.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы

Существуют и другие режимы работы УЗ-сканера, в которых работа датчика отличается от изложенных выше, как программно, так и аппаратно.

Описать все нюансы работы такого сложного оборудования в сжатом виде крайне сложно, поэтому, если у Вас остались вопросы, наши специалисты готовы проконсультировать Вас по телефону, электронной почте или через онлайн-форму на нашем сайте.

Ультразвуковой уровнемер

Ультразвуковой уровнемер — это прибор, измеряющий уровень, который является счетчиком непрямого действия. Под приборами непрямого действия подразумеваются устройства, которые определяют изменение уровня жидкости, не входя в непосредственный физический контакт с самой жидкостью.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы Ультразвуковой уровнемер фирмы Endress+Hauser
Рекомендуем разобраться что такое уровень, а также обратить внимание на другие приборы для измерения уровня.

Принцип работы ультразвукового уровнемера

Для того, чтобы измерять или контролировать уровень, ряд акустических контрольно-измерительных приборов включает в себя устройства, которые работают на основе принципа передачи звуковой энергии в форме звуковых волн.

Свойствами звуковых волн, измеряющих уровень, является их способность отражаться или отталкиваться от поверхности; их время прохождения, т.е.

количество времени, за которое волны доходят до поверхности, отражаются от поверхности и возвращаются; и их частота.

Транзитное время, или время прохождения звуковых волн прямо пропорционально расстоянию, которое должны пройти звуковые волны; чем больше расстояние, которое должны пройти звуковые волны, тем больше величина транзитного времени. Частотой называется количество звуковых волн в единицу времени.

В контрольно-измерительной системе уровня, в которой используется ультразвук, частота, с которой воспроизводятся волн обычно предопределена тем, используется ли эта система для измерения заполненного или свободного объема.

Например, ультразвуковые волны с радиочастотами (приблизительно 30 kHz) обычно распространяются в воздухе и отражаются жидкостями. Их часто используют для измерений свободного объема, которые затем могут быть преобразованы в показания уровня.

Ультразвуковые волны более высокой частоты (приблизительно 35 kHz или выше) обычно используются для измерений заполненного объема, т.к. такие волны легко перемещаются в жидкой среде, но скорее всего поглощаются или отражаются воздушной средой.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы Непрерывное измерение уровня, в котором используются низкочастотные ультразвуковые волн

На рисунке выше изображена упрощенная схема акустической системы, которая используется для непрерывного измерения уровня. Основными деталями этой системы является блок управления, акустический излучатель и приемник.

Здесь имеется электрическое подсоединение блока управления к внешней цепи, посредством которого обеспечивается подача электрического входного сигнала на излучатель. Излучатель преобразует электрическую энергию в звуковую энергию в виде звуковых волн.

В данном примере электрическая энергия преобразуется в звуковые волны такой частоты, при которой они будут проходить через воздушную среду, но будут отражаться от поверхности жидкости.

Когда звуковые волны отталкиваются от поверхности жидкости, они затем возвращаются к приемнику, который преобразует звуковые волны обратно в электрическую энергию. Блок управления посылает на индикатор электрический сигнал, который прямо пропорционален величине транзитного времени. На индикаторе фиксируется показание, которое в свою очередь прямо пропорционально уровню жидкости.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы Непрерывное измерение уровня с использованием низкочастотных ультразвуковых волн — уровень жидкости в емкости повысился

Уровень жидкости увеличился и на индикаторе показание высокого уровня в емкости. При повышении уровня звуковым волнам требуется меньшее количество времени на то, чтобы пройти расстояние от излучателя до поверхности жидкости и обратно к приемнику: величина транзитного времени уменьшается. Соответственно, когда уровень жидкости понижается, величина транзитного времени увеличивается.

Иногда установка акустической системы наверху емкости может быть нежелательной.

Некоторые жидкости испаряются, образуя пары, которые могут помешать проходу звуковых волн через воздушную среду, находящуюся выше уровня жидкости.

В случаях возможного наличия в воздушной среде помех для звуковых волн, для непрерывного измерения уровня могут быть использованы высокочастотные ультразвуковые системы.

Ультразвуковой датчик расстояния и уровня: принцип работы Непрерывное изменение уровня с помощью высокочастотных ультразвуковых волн

На рисунке выше акустическая система располагается на донной плоскости емкости. В этой системе используется высокочастотный звуковой сигнал, который проходит через жидкость и отражается от воздушной среды. В остальном, система работает по тому же самому принципу, что и система из предыдущего примера.

Применение датчика расстояния и обзор видов

В эру технологий и всеобъемлющего прогресса нельзя даже предположить, что даже самая незначительная часть человеческой жизни останется без внимания.

К примеру, на данный момент для улучшения процесса измерения расстояний широкое применение получил специальный датчик. Теперь нет никакой необходимости ходить по земельному участку с линейкой.

Все можно сделать не покидая своего места. Причем результат будет получен в течение нескольких минут.

На фото представлены различные виды датчиков расстояния

Что это такое?

Под термином датчик расстояния понимают программу или устройство, которое необходимо для того, чтобы проводить «бесконтактное» измерение длины, высоты или ширины объекта.

Необходимо отметить, что устройство этого типа имеет следующие особенности:

  • Все приборы имеют различное разрешение: от 0,01 мм до 1 мм;
  • Каждое из устройств занимается измерением расстояния. Причем все они могут использовать разный метод замера.
  • Имеют небольшие габаритные размеры.
  • Не требуют особых навыков при эксплуатации.

На данный момент прибор этого типа используют не только для проектирования и строительства зданий. Также его нередко применяют и для буквального измерения расстояния, которое необходимо преодолеть.

Для удобства датчик этого вида встраивают непосредственно в смартфон. Именно за счет него у многих пользователей сети и любителей заниматься спортом появилась возможность замерять пройденное расстояние и «проработанную» нагрузку.

Также стоит отметить, что датчик расстояния входит в одну область с датчиком присутствия и движения. Фактически ими «занимается» одно программное обеспечение, но вот функции выполняет различные.

Читайте также:  Датчик заднего хода Форд Фокус 2: где находится, назначение, характеристики

Принцип работы

Фактически работа датчиков расстояния сводится к тому, что прибор посылает сигнал (лазерный луч, ультразвуковое излучение, ИК-луч или магнитный поток) и в конечном итоге получает два результата. Расстояние до конечной точки и расстояние до первоначальной его стороны. Так при разности этих двух замеров можно получить размер объекта. Именно это обозначение и будет выводиться на экран.

Виды

На данный момент на отечественном рынке специального оборудования можно приобрести различные виды датчиков необходимых для измерения расстояния. Наиболее популярными являются следующие разновидности датчиков:

  • ИК датчик расстояния – этот вариант устройства использует для определения расстояния инфракрасный луч;
  • ИК датчик расстояния на фото

  • Что касается оптических датчиков, то по уверению специалистов этот прибор имеет весьма широкий диапазон, который варьируется в промежутке от 1 мм до 30 м;
  • На снимке представлен оптический датчик расстояния

  • Индуктивные – этот тип устройства необходим для того, чтобы замерять габаритные размеры предметов, выполненных из металла, а также для того, чтобы определять их форму.

Лазерный

Если речь заходит о лазерном датчике, то по мнению опытных специалистов следует отдавать предпочтение следующим вариантам исполнения:

  • Аrduino – этот прибор зарекомендовал себя на отечественном рынке как один из самых надежных и качественных.
  • На фото лазерный датчик расстояния Аrduino

  • Лазерные датчики расстояния высокой точности – в этом случае для замера расстояния используется лазерный луч. В процессе измерения можно задать разрешение: от 0,01 мм до 0,1 мм.
  • На снимке изображен лазерный датчик расстояния высокой точности

  • Фазового типа – такой прибор измеряет расстояние и форму предмета при получении фазовой разности между фазой отклика и фазой возврата. Использование датчиков этого типа существенно упрощает работу специалиста и делает ее в несколько раз удобнее.

Ультразвуковой

В том случае, если предпочтение было отдано датчику, необходимому для измерения расстояния, ультразвукового типа, то стоит выбирать из трех следующих вариантов:

  • НС sr04 – изделие имеет разрешение от 2см до 400 см. предназначено для замера крупногабаритных объектов.
  • Ультразвуковой датчик измерения расстояния НС sr04 на фото

  • Промситех – один из самых популярных вариантов на территории РФ. По статистике, его выбирает примерно 67% всего населения.
  • Ультразвуковой датчик измерения расстояния – чтобы получить данные относительно расстояния используется ультразвуковой луч, который свободно огибает любые незначительные преграды и предметы.

ультразвуковой датчик измерения расстояния

Стоимость

В зависимости от функциональных возможностей датчиков для измерения расстояния и компании производителя стоимость данного оборудования может варьироваться в промежутке от 2 300 до 6 000 рублей.

К тому же на цену технического оборудования этого типа влияет еще и техническая составляющая. Если прибор может огибать препятствия и имеет высокий уровень распознавания погрешностей в измерении, то его цена существенно возрастет.

Где купить датчик расстояние?

Перед непосредственным приобретением оборудования следует убедиться в том, что у торговой компании имеются сертификаты и декларации, подтверждающие качество оборудования.

В Москве:

  1. Интернет-магазин Прицелься.ру, г. Москва, Багратионовский проезд. д.7 ТВЦ «Горбушкин двор» павильон B1-054, Контактный телефон: +7 (495) 798 78 11;
  2. Компания Алламо г.Москва, ул. Ярославская, д. 15, корп.2, этаж 6(мансарда), офис А, м. ВДНХ, Контактный телефон: 8 (495) 565-33-12, 8 (800) 555-41-73 (бесплатно со всех телефонов РФ).
  3. Торговая компания ЛазерСтрой г. Москва, ул. Декабристов, д. 4, корп. 3 (ст.м.”Отрадное”), Контактный телефон: 8(495) 664-36-57; 8(926) 394-17-86.

В Санкт-Петербурге:

  1. Компания 220 Вольт, г.Санкт-Петербург, ул. 18-я линия, В.О.,29, Контактный телефон: +7 (812) 6220220;
  2. ООО ВладМи, г. Санкт-Петербург, ул. Кузнецовская, 21 оф.11, Контактный телефон: +7 (812) 387-02-48;
  3. Торговая компания Новобыт, г. Санкт-Петербург, Парнас, 3-й Верхний переулок, д. 9. Контактный телефон: 8 800 250 5815.

Видео

Смотрите видео-ролик об ультразвуковом датчике расстояния HC-RS04:

Не следует самостоятельно пытаться отремонтировать устройства этого типа. Если на корпусе будут иметься повреждения механического характера или, к примеру, будет сорвана гарантийная пломба, компания производитель даст отрицательный ответ в обслуживании. Иными словами, если будут нарушены первичные условия, то организация не обязана выполнять бесплатный ремонт датчика измерения расстояния.

Окт 16, 2015howelktrk

Устройство и принцип работы датчиков уровня

Перейти к выбору и покупке датчиков уровня

Датчики уровня — это устройства, позволяющие отслеживать количество жидкого или сыпучего вещества по уровню его поверхности в некоторой ёмкости.

Датчики уровня могут выдавать дискретный (по достижении некоторого уровня) или непрерывный сигнал (абсолютная высота текущего уровня) в зависимости от принципа действия, что сказывается на их технической сложности, а также на цене.

Кроме того, датчики уровня могут быть контактными и бесконтактными, что также сказывается на стоимости и на области их применения.

По принципу действия датчики уровня могут быть:

  • Емкостными
  • Поплавковыми
  • Радарного типа
  • Ультразвуковыми
  • Гидростатическими

Ниже кратко рассмотрены основные виды.

Емкостной датчик уровня

В основу работы данного типа датчика положено свойство конденсатора изменять свою ёмкость при изменении состава и распределения материала диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора. Это свойство применяется во многих емкостных детекторах например в емкостных датчиках влажности.

  • Предположим, имеется коаксиальный конденсатор, помещённый в жидкость (Рисунок 1), которая может свободно проникать в пространство между пластинами. Если известна диэлектрическая проницаемость жидкости, то можно составить следующее равенство:
  • С=С0+Сl=ε0*G0+εl*Gl       (1)
  • С – Общая ёмкость конденсатора С0 – Ёмкость участка конденсатора, не содержащего жидкость Сl – Ёмкость участка конденсатора, содержащего жидкость ε0 – Диэлектрическая проницаемость газовой среды εl – Диэлектрическая проницаемость жидкой среды G0 – Геометрический коэффициент участка конденсатора, не содержащего жидкость Gl – Геометрический коэффициент участка конденсатора, содержащего жидкость

При изменении уровня жидкости величина суммарной ёмкости конденсатора также изменятся. Если конденсатор включен в электрическую цепь, не составляет труда отследить изменение ёмкости, по которому можно однозначно судить об изменении уровня жидкости.

Рисунок 1. Общая схема емкостного датчика уровня

Емкостные датчики лишены подвижных элементов, поэтому достаточно надёжны и долговечны. К их недостаткам следует отнести значительную температурную зависимость (которая, впрочем, может быть скомпенсирована), а также необходимость погружения в жидкость.

Поплавковый датчик уровня

Датчики данного типа имеют достаточно простое устройство.

Существует несколько конфигураций, выдающих на выход как дискретный, так и непрерывный сигнал, последние можно разделить на две категории – механические и магнитострикционные.

В магнитострикционных датчиках в качестве одного из элементов также используется поплавок, в остальном же они довольно сильно отличаются от обычных механических поплавковых датчиков.

Дискретные поплавковые датчики уровня

В реализации датчика, выдающего дискретный сигнал, обычно используется набор поплавков, расположенных на различных уровнях резервуара.

При достижении жидкостью уровня, на котором располагается поплавок, он выталкивается за счёт силы Архимеда, направленной вверх.

Это приводит в движение механическую систему или электромеханическую систему, и выходной сигнал появляется, например, при замыкании электрических контактов герконового реле.

В альтернативной конфигурации присутствует направляющая, содержащая набор реле. Вдоль направляющей вслед за уровнем жидкости перемещается поплавок, содержащий постоянный магнит. Приближение поплавка к реле вызывает его срабатывание (Рисунок 2).

Рисунок 2. Общая схема поплавкового датчика уровня с дискретным выходом

Дискретный выходной сигнал может быть использован для «пошагового» мониторинга уровня жидкости в резервуаре — датчик просто сообщает, достиг ли уровень жидкости конкретной отметки или нет.

Также датчик уровня с дискретным выходным сигналом может служить элементом автономного регулятора в случае, например, когда необходимо поддерживать постоянный уровень жидкости в резервуаре – для реализации данной схемы выходной сигнал может непосредственно управлять силовым реле, открывающим/закрывающим входной/выходной клапан резервуара.

Дискретные поплавковые датчики дёшевы, просты и достаточно надёжны, однако требуют погружения в жидкость и имеют подвижную механику.

Магнитострикционные поплавковые датчики

Поплавковые датчики, выдающие непрерывный сигнал, обычно относятся к датчикам магнитострикционного типа и имеют довольно сложное устройство (Рисунок 3). Основным элементом конструкции по-прежнему является поплавок, в данном случае он содержит постоянный магнит.

Поплавок может свободно передвигаться вдоль направляющей, внутри которой располагается волновод из магнитострикционного материала. С определённой периодичностью блок электроники датчика генерирует импульс тока, который распространяется вдоль волновода.

Когда импульс достигает области, где располагается поплавок, магнитное поле поплавка и магнитное поле импульса взаимодействуют, что приводит к возникновению механических колебаний, которые распространяются обратно по волноводу и фиксируются чувствительным пьезоэлементом.

По временной задержке между отправкой импульса тока и получением механического импульса можно судить о расстоянии до поплавка, а значит и об уровне жидкости в резервуаре.

Рисунок 3. Общая схема магнитострикционного датчика уровня

Читайте также:  Ошибка p0340: ошибка датчика положения распредвала

Магнитострикционные датчики очень точны, выдают непрерывный сигнал, а также могут использоваться с гибким волноводом, что расширяет сферу их применения. К их недостаткам можно отнести их стоимость, техническую сложность и необходимость погружения в жидкость.

Радарный датчик уровня

Главным элементом данного датчика является радиолокатор, частота излучения которого изменяется по линейному закону.

Предполагается, что жидкость отражает излучение локатора, поэтому если расположить излучатель-приёмник внутри резервуара согласно схеме (Рисунок 4) и фиксировать задержку отражённого сигнала относительно сигнала источника – можно определить уровень жидкости по величине задержки.

Для определения задержки используется линейная модуляция частоты источника. Если частота исходного сигнала изменяется по линейному закону (например, непрерывно возрастает), то отражённый сигнал, имеющий временной сдвиг относительно исходного, будет иметь также и меньшую частоту.

По величине частотного сдвига можно однозначно судить о величине временной задержки между двумя сигналами, а значит и о расстоянии до поверхности жидкости.

  1. Дальнейшая обработка полученного сигнала осуществляется в цифровом тракте, и на этом этапе возможна, например, нейтрализация шумовых сигналов, возникающих в результате волнений на поверхности жидкости или поглощения радиоизлучения.
  2. Рисунок 4. Общий принцип функционирования датчика уровня радарного типа
  3. Данный метод на сегодняшний день является наиболее технологичным и совершенным, к числу достоинств датчика на его основе следует отнести:
  1. Отсутствие подвижных элементов
  2. Отсутствие контакта с жидкой средой
  3. Универсальность – возможность работать практически с любой средой при различных условиях
  4. Высокая точность
  5. Возможность адаптировать алгоритм обработки данных для конкретных применений

Основным недостатком радарных датчиков является их цена.

Ультразвуковой датчик уровня

В датчиках данного типа используется схема, во многом сходная со схемой датчика радарного типа. В резервуаре устанавливается блок, состоящий из генератора и приёмника ультразвуковых волн (точно также как например в    ультразвуковых расходомерах и  ультразвуковых дефектоскопах).

Излучение генератора УВ проходит газовую среду, отражается от поверхности жидкости и попадает на приёмник.

Определив временную задержку между излучением и приёмом и зная скорость распространения ультразвука в данной газовой среде, можно вычислить расстояние до поверхности жидкости – то есть определить её уровень.

Ультразвуковым датчикам уровня свойственны практически все достоинства датчиков радарного типа, однако УД обычно имеют более низкую точность, хотя и более просты по внутреннему устройству.

Гидростатический датчик уровня

С помощью датчиков данного типа уровень жидкости в резервуаре определяется путём измерения гидростатического давления столба жидкости над чувствительным элементом датчика (детектором давления). Согласно зависимости (2) высота столба определённой жидкости пропорциональна давлению в данной точке:

P – Давление в данной точке ρ – Плотность жидкости g – Ускорение свободного падения h – Высота столба жидкости над чувствительным элементом

Такие датчики компактны, относительно просты, недороги, а также способны выдавать непрерывный сигнал, однако не являются бесконтактными, что затрудняет их применение в агрессивных средах.

Если вам понравилась статья нажмите на одну из кнопок ниже

Бесконтактные датчики приближения

Принцип работы ультразвуковых датчиков основан на измерении времени между посылкой ультразвукового импульса и регистрацией отражённого импульса.

Диапазон измерений — от нескольких миллиметров до нескольких метров. Точность измерения – 1 мм.

  • Измеряет расстояние до любых предметов: твёрдых, жидких, порошкообразных, гранулированных, прозрачных, цветных, грязных и чистых, гладких и шероховатых, сухих и мокрых.
  • Нечувствительны к звуку, шуму, пыли, вибрации, температуре, воде.
  • Применения: измерение размера, высоты, уровня, качества, контура, прогиба, диаметра, дистанции.
  • Ограничения: спроектированы для работы только в атмосферном воздухе, не могут измерять расстояние до объектов с высокой температурой.

Функции

  • Датчики рассеянного луча (Diffuse) Датчик регистрирует ультразвуковой сигнал, отражённый от самого предмета.
  • Датчики отражённого луча (Reflex) Датчик регистрирует ультразвуковой сигнал, отражённый от специального металлического отражателя. Если между датчиком и отражателем появляется предмет, то сигнал не проходит и датчик это регистрирует.
  • Датчики прерывания луча (Thru-beam) Датчик состоит из двух частей и регистрирует предметы, находящиеся на пути распространения узкосфокусированного ультразвукового луча от передатчика к приёмнику.
  • Синхронизация Несколько близко расположенных друг к другу ультразвуковых датчиков могут быть синхронизированы между собой так, чтобы отражённые сигналы регистрировались только теми датчиками, которые их сгенерировали, а не соседними.

Фотоэлектрические (оптические) датчики приближения

Различают фотоэлектрические датчики со световым и лазерным лучом. Световые датчики могут только детектировать наличие объекта, цвет и контрастность, а лазерные датчики могут с высокой точностью измерить расстояние до объекта. Принцип измерения расстояния лазерными датчиками основан на измерении времени между посылкой лазерного импульса и регистрацией отражённого импульса.

Ультразвук распространяется внутри конуса с вершиной в точке излучения, а свет распространяется в виде луча, поэтому оптические датчики могут обнаруживать более мелкие объекты. Оптические датчики обладают более высоким быстродействием, чем ультразвуковые. Фотоэлектрические Thru-beam датчики действуют на большем расстоянии, чем ультразвуковые, а датчики рассеянного света – наоборот.

Функции

  • Датчики рассеянного света Датчик регистрирует световой сигнал, отражённый (рассеянный) от самого предмета. Датчик с функцией подавления фона может обнаруживать объекты, находящиеся в определённой зоне чувствительности.
  • Датчики отражённого света Свет, излучаемый диодом, фокусируется линзой и через поляризационный фильтр посылается на отражатель. Часть отражённого света проходит через другой поляризационный фильтр и попадает в приёмник. Фильтры настроены так, что приёмник реагирует только на тот свет, который отразился от отражателя, а не от какого-нибудь другого предмета. Если между излучателем и отражателем появляется предмет, то сигнал не проходит и датчик это регистрирует.
  • Датчики прерывания луча Датчик состоит из двух частей и регистрирует предметы, находящиеся на пути распространения светового луча от излучателя к приёмнику.
  • Оптоволоконные проводники Оптоволоконные проводники присоединяются к излучателю и приёмнику, так что световой сигнал распространяется теперь между кончиками этих световодов, которые можно вынести в труднодоступные и взрывоопасные места (так как нет электрической связи – только оптическая)
  • Лазерный датчик рассеянного луча Лазерный датчик может с высокой точностью измерять расстояние до объекта, находящегося в зоне чувствительности.
  • Датчик цвета Датчик может различать три цвета и несколько градаций каждого цвета.
  • Датчик контраста Различает контрастные объекты

Индуктивные датчики приближения

Индуктивные датчики приближения используются для бесконтактного обнаружения металлических объектов. Датчик генерирует переменное поле, линии которого выходят из чувствительного элемента и пронизывают чувствительную зону датчика (до нескольких сантиметров). При появлении в этой зоне электро- или магнитопроводящего предмета поле ослабляется, и датчик обнаруживает этот объект.

Ограничения: высокочастотные поля могут оказывать влияние на работу индуктивных датчиков.

Коэффициент редукции

Расстояние срабатывания датчика (рабочая дистанция) указывается для объекта со стандартными параметрами (материал, размер, форма) — квадратная стальная пластинка, у которой толщина равна 1 мм, а длина стороны равна:

  • диаметру круга, вписанного в зону чувствительного элемента датчика
  • или трём номинальным рабочим дистанциям, если эта величина больше диаметра того круга.

Поэтому, если реальные объекты сделаны из другого материала (алюминий, бронза, латунь и т.п.) или/и имеют более миниатюрные размеры, то рабочую дистанцию следует уменьшить на соответствующий коэффициент редукции (взятый из каталожных таблиц).

Емкостные датчики приближения

Емкостной датчик приближения представляет собой конденсатор с металлическими концентрическими обкладками-электодами, развёрнутыми вдоль одной плоскости.

Если в электрическое поле у поверхности электродов попадает объект, то ёмкость конденсатора меняется и датчик обнаруживает предмет.

Емкостные датчики могут детектировать любые объекты: твёрдые, порошкообразные, а жидкие — даже сквозь неметаллические стенки (уровень сока в бутылке).

Рабочая дистанция, на которой детектируются объекты, указывается для заземленных металлических предметов. Для объектов из других материалов необходимо пересчитывать рабочую дистанцию по каталожной кривой зависимости дистанции от диэлектрической проницаемости материала.

Магнитные датчики положения

Магнитные датчики положения (Magnetic Proximity Sensors) — регистрируют объект с меткой — постоянным магнитом. Датчик обнаруживает магнитную метку даже за стенкой из немагнитного материала, пропускающего магнитное поле.

Используя стальной магнитопровод, можно вынести магнитный датчик из зоны с высокой температурой.

Оставьте комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector