أولاً: مبدأ القياس
يتكون محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية من مادة خزفية كهرضغطية. ويتم القياس من خلال عملية التحويل تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية ثم إعادة تحويلها إلى طاقة كهربائية, ، استنادًا إلى الوقت اللازم لإجراء هذا التحويل.
بعبارة أخرى، يتمثل مبدأ عمل محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية في إصدار موجات فوق صوتية واستقبال الصدى المنعكس. من خلال القياس الدقيق لفارق الزمن t بين إرسال الموجات فوق الصوتية واستقبال الصدى، ودمج ذلك مع تعويض سرعة الصوت (C) بناءً على درجة الحرارة المحيطة، تُحسب مسافة القياس باستخدام الصيغة التالية:
D = C × t / 2
ثانياً: المشكلات التي واجهتها في التطبيقات العملية
| المشكلة | الظاهرة والسبب | الحلول |
| بيئة Steam | الظاهرة: غالبًا ما لا يتم الكشف عن مستوى السائل. السبب: في البيئات البخارية، تكون المعاوقة الصوتية للوسط عالية، ويحدث الانكسار والانعكاس، مما يؤدي إلى توهين مفرط للموجات فوق الصوتية. | ●استخدم مستشعر مستوى بالموجات فوق الصوتية غير باضع (مُركَّب خارجيًّا) لقياس المسافة من القاع وتجنب وسط البخار. ●استبدل بـ مستشعر مضاد للتكثف طويل المدى, ، وزيادة قوة الإرسال حتى يتسنى اكتشاف الصدى. ●استخدم جهاز إرسال مستوى غاطس (يعتمد على الضغط) لقياس مستوى السائل. |
| بيئة متربة (عادةً ما تكون مواد صلبة) | الظاهرة: لا يمكن الكشف عن المستوى. السبب: يمتص الغبار الموجات فوق الصوتية، ومع مرور الوقت يتراكم الغبار على سطح المستشعر. | ● استبدل بـ جهاز استشعار بعيد المدى وإجراء الصيانة الدورية. ●تثبيت نظام تنقية الهواء لإنشاء مساحة خالية من الغبار. ●استخدم مستوى الرادار, ، والتي تكاد لا تتأثر بالغبار والجسيمات العالقة. |
| رغوة على سطح سائل | الظاهرة: المستوى المقاس يتطابق مع سطح الرغوة وليس مع المستوى الفعلي للسائل، وإلا فلن يكون بالإمكان رصد المستوى. السبب: يتكون الرغوة من عدد كبير من الفقاعات ذات الأحجام المتفاوتة. وعندما تدخل الموجات فوق الصوتية طبقة الرغوة، يحدث انعكاس وانكسار منتشران بشكل مستمر عند السطوح الفاصلة بين الغاز والسائل. | ●استخدم مستشعر مستوى بالموجات فوق الصوتية غير باضع لقياس المسافة من القاع وتجنب تأثير الرغوة. ●استخدم جهاز إرسال مستوى سعوي, ، والتي تقيس بشكل مباشر السعة الكهربائية الناتجة عن السائل ولا تتأثر بالرغوة. ●استخدم جهاز إرسال مستوى غاطس (يعتمد على الضغط) لقياس مستوى السائل. |
| الحالات المضطربة | الظاهرة: قيم قياس غير صحيحة أو عدم القدرة على تحديد المستوى. السبب: تؤدي التقلبات العنيفة لسطح السائل وميل السطح إلى تغيير مسار الصدى، مما يؤدي إلى زيادة طول المسار وتقليل شدة الإشارة. | ●استخدم جهاز إرسال مستوى سعوي, ، والتي لا تتأثر بتقلبات سطح السائل أو ميله. ●استخدم جهاز إرسال مستوى غاطس (يعتمد على الضغط) لقياس مستوى السائل. |
| اتصال المسبار بالمعدن | الظاهرة: قيم قياس غير صحيحة. السبب: تتعرض الموجات فوق الصوتية التي تصدرها المسبار لانعكاس قوي عند ملامستها للمعدن، ويستمر اهتزاز المعدن في التداخل مع عملية القياس. | ● لا تقم بتثبيت المستشعر مباشرةً على سطح معدني؛ استخدم محول أو حامل بلاستيكي. ●إذا كان التثبيت على سطح معدني أمرًا لا مفر منه، فقم بإضافة حشيات عزل مطاطية. إذا كانت حشية واحدة غير كافية، فيجب استخدام عدة حشيات. |
ثالثاً: مفهوم زاوية الحزمة
The زاوية الحزمة يشير مصطلح «الموجات فوق الصوتية» إلى الزاوية المحصورة في المنطقة المخروطية التي تتركز فيها الطاقة فوق الصوتية بشكل أساسي أثناء انتشارها.
إنه المعلمة الأساسية لأجهزة قياس المستوى بالموجات فوق الصوتية وأجهزة قياس المستوى النقطي (الوحدة: درجة °)، والتي تحدد منطقة تغطية الموجات فوق الصوتية. كما أنها تشكل مرجعًا أساسيًا لتجنب الهياكل المعدنية وأجهزة التحريك أثناء التركيب.
العلاقة بين زاوية الحزمة والتردد:
بالنسبة للمجسات ذات الحجم نفسه،, يؤدي ارتفاع التردد إلى انخفاض زاوية الحزمة.
الرابع: نطاق القياس والمنطقة العمياء
نطاق القياس
يشير نطاق القياس إلى أقصى مسافة يمكن للمسبار قياسها بفعالية. قد يؤدي تجاوز نطاق القياس إلى عدم إجراء القياس أو إلى قياس غير دقيق.
في التطبيقات العملية، يُوصى عمومًا بأن يكون نطاق القياس الفعلي المطلوب هو 10%–20% أكبر من النطاق الاسمي المحدد في ورقة البيانات.
يرتبط نطاق القياس بـ قوة الإرسال وحساسية الاستقبال. كلما زادت قوة الإرسال وتحسنت حساسية الاستقبال، زاد نطاق القياس. وبشكل عام،, يمكن لمسبارات التردد المنخفض أن تحقق طاقة إرسال أعلى, ، ولهذا السبب تعمل أجهزة القياس ذات نطاقات القياس الأوسع عادةً على ترددات أقل.
المنطقة العمياء
تشير «المنطقة العمياء» إلى المسافة الواقعة مباشرة أسفل المجس، حيث يتعذر إجراء قياس دقيق. وسيؤدي قياس مسافات أقصر من «المنطقة العمياء» إلى قياس غير دقيق أو فشل القياس.
في التطبيقات العملية، يُوصى عمومًا بأن تكون المنطقة العمياء المطلوبة فعليًّا هي 10%–20% أصغر من المنطقة العمياء المحددة في ورقة البيانات.
جوهر «المنطقة العمياء» هو الاهتزاز المتبقي في السيراميك الكهرضغطية. إذا كان الجسم المراد قياسه قريبًا جدًّا من المجس، فلن يتمكن المستشعر من التمييز بين الموجات المرسلة والصدى العائد، مما يؤدي إلى فشل القياس.
بشكل عام،, تتميز المجسات ذات الترددات العالية بقوة إرسال أقل واهتزازات متبقية أقل, ، مما يؤدي إلى تقليص حجم المنطقة العمياء. وهذا يفسر السبب في أن نطاق قياس المستشعر بالموجات فوق الصوتية والمنطقة العمياء متناسبان دائمًا.
خامساً: التردد فوق الصوتي
يشير التردد فوق الصوتي لمستشعر المستوى أو مستشعر المستوى النقطي إلى الاهتزاز الميكانيكي تردد الموجات فوق الصوتية التي تصدرها المسبار، ويُقاس بالكيلوهرتز (kHz).
تعمل معظم مجسات الموجات فوق الصوتية من طراز KACISE في نطاق يتراوح بين 30 و200 كيلوهرتز، وتغطي نطاقات قياس تتراوح من 15 مترًا إلى 1 متر، مع مناطق عمياء تتراوح من 0.6 متر إلى 0.1 متر.
العلاقة بين التردد فوق الصوتي والدقة
تتميز الموجات فوق الصوتية ذات الترددات العالية بأطوال موجية أقصر، مما يتيح الكشف بشكل أفضل عن التغيرات الطفيفة على السطح العاكس، ويؤدي بذلك إلى دقة أعلى ودقة مطلقة.
تتميز الموجات فوق الصوتية ذات التردد المنخفض بطول موجي أطول، ودقة أقل، ودقة مطلقة أقل نسبيًا.
تشير الدقة المطلقة إلى الفرق المطلق بين القيمة الفعلية والقيمة المقاسة. وفي أوراق البيانات، تُعبَّر عن الدقة عادةً كنسبة مئوية من نطاق القياس الكامل (FS).
