I. Prinsip Pengukuran
Transduser ultrasonik terbuat dari bahan keramik piezoelektrik. Pengukuran dilakukan melalui proses konversi energi listrik menjadi energi mekanik, lalu kembali menjadi energi listrik, berdasarkan waktu yang dibutuhkan untuk konversi ini.
Dengan kata lain, prinsip kerja transduser ultrasonik adalah untuk memancarkan gelombang ultrasonik dan menerima gema yang dipantulkan. Dengan mengukur selisih waktu secara akurat t antara transmisi gelombang ultrasonik dan penerimaan gema, serta menggabungkannya dengan kompensasi kecepatan suara (C) Berdasarkan suhu lingkungan, jarak pengukuran dihitung menggunakan rumus berikut:
D = C × t / 2
II. Masalah yang Ditemui dalam Penerapan Praktis
| Masalah | Fenomena dan Penyebabnya | Solusi |
| Lingkungan Steam | Fenomena: Tingkat cairan sering kali tidak terdeteksi. Penyebab: Dalam lingkungan uap, impedansi akustik mediumnya tinggi, sehingga terjadi pembiasan dan pemantulan, yang mengakibatkan atenuasi gelombang ultrasonik yang berlebihan. | ●Gunakan sebuah sensor level ultrasonik non-invasif (dipasang di luar) ukur dari bagian bawah dan hindari media uap. ●Ganti dengan sebuah sensor anti-kondensasi jarak jauh, meningkatkan daya pancar agar sinyal pantul dapat terdeteksi. ●Gunakan sebuah transmiter level selam (berdasarkan tekanan) untuk mengukur ketinggian cairan. |
| Lingkungan Berdebu (Umumnya Bahan Padat) | Fenomena: Tingkatnya tidak dapat dideteksi. Penyebab: Debu menyerap gelombang ultrasonik, dan seiring berjalannya waktu, debu menumpuk di permukaan sensor. | ● Ganti dengan sebuah sensor jarak jauh dan lakukan perawatan rutin. ●Pasang sebuah sistem pembersihan udara untuk menciptakan ruang yang bebas debu. ●Gunakan sebuah meter tingkat radar, yang hampir tidak terpengaruh oleh debu dan partikel tersuspensi. |
| Busa di Permukaan Cairan | Fenomena: Tingkat yang terukur mengacu pada permukaan busa, bukan tingkat cairan yang sebenarnya; jika tidak, tingkat tersebut tidak dapat dideteksi. Penyebab: Busa terdiri dari banyak gelembung dengan berbagai ukuran. Ketika gelombang ultrasonik memasuki lapisan busa, terjadi refleksi dan refraksi difus secara terus-menerus pada antarmuka gas–cairan. | ●Gunakan sebuah sensor level ultrasonik non-invasif untuk mengukur dari bagian bawah dan menghindari pengaruh busa. ●Gunakan sebuah transmiter level kapasitif, yang secara langsung mengukur kapasitansi yang dihasilkan oleh cairan tersebut dan tidak terpengaruh oleh busa. ●Gunakan sebuah transmiter level selam (berdasarkan tekanan) untuk mengukur ketinggian cairan. |
| Kondisi yang Gelisah | Fenomena: Nilai pengukuran yang salah atau ketidakmampuan mendeteksi tingkat. Penyebab: Fluktuasi permukaan cairan yang hebat dan kemiringan permukaan mengubah jalur pantulan, sehingga menambah panjang jalur dan mengurangi kekuatan sinyal. | ●Gunakan sebuah transmiter level kapasitif, yang tidak terpengaruh oleh fluktuasi permukaan cairan atau kemiringan. ●Gunakan sebuah transmiter level selam (berdasarkan tekanan) untuk mengukur ketinggian cairan. |
| Kontak Probe dengan Logam | Fenomena: Nilai pengukuran yang salah. Penyebab: Gelombang ultrasonik yang dipancarkan oleh probe mengalami pantulan yang kuat saat bersentuhan dengan logam, dan getaran logam tersebut terus mengganggu pengukuran. | ● Jangan pasang sensor langsung pada logam; gunakan sebuah adaptor atau braket plastik. ●Jika pemasangan pada logam tidak dapat dihindari, tambahkan gasket isolasi karet. Jika satu gasket tidak cukup, sebaiknya gunakan beberapa gasket. |
III. Konsep Sudut Sinar
The sudut sinar gelombang ultrasonik mengacu pada sudut yang terbentuk di daerah kerucut di mana energi ultrasonik terutama terkonsentrasi selama perambatan.
Ini adalah sebuah parameter inti pada alat pengukur level ultrasonik dan alat pengukur level titik (satuan: derajat °), yang menentukan area jangkauan ultrasonik. Hal ini juga menjadi acuan utama untuk menghindari struktur logam dan pengaduk selama pemasangan.
Hubungan antara sudut sinar dan frekuensi:
Untuk probe dengan ukuran yang sama, frekuensi yang lebih tinggi menghasilkan sudut sinar yang lebih kecil.
IV. Jangkauan Pengukuran dan Zona Buta
Rentang Pengukuran
Rentang pengukuran mengacu pada jarak maksimum yang dapat diukur secara efektif oleh probe. Jika melampaui rentang pengukuran, hal ini dapat mengakibatkan tidak adanya hasil pengukuran atau hasil pengukuran yang tidak akurat.
Dalam penerapan praktis, rentang pengukuran yang sebenarnya diperlukan umumnya disarankan untuk menjadi 10%–20% melebihi rentang nominal yang ditentukan dalam lembar data.
Rentang pengukuran berkaitan dengan daya transmisi dan sensitivitas penerimaan. Semakin besar daya transmisi dan semakin baik sensitivitas penerimaan, semakin jauh jangkauan pengukurannya. Secara umum, probe frekuensi rendah dapat menghasilkan daya transmisi yang lebih tinggi, itulah sebabnya probe dengan rentang pengukuran yang lebih luas biasanya beroperasi pada frekuensi yang lebih rendah.
Zona Buta
Zona buta mengacu pada jarak tepat di bawah probe di mana pengukuran yang akurat tidak dapat dilakukan. Pengukuran pada jarak yang lebih pendek dari zona buta akan mengakibatkan hasil pengukuran yang tidak akurat atau gagal.
Dalam penerapan praktis, zona buta yang sebenarnya diperlukan umumnya direkomendasikan sebesar 10%–20% lebih kecil daripada zona buta yang ditentukan dalam lembar spesifikasi.
Inti dari zona buta adalah getaran sisa pada keramik piezoelektrik. Jika objek yang diukur terlalu dekat dengan probe, sensor tidak dapat membedakan antara gelombang yang dipancarkan dan gema yang kembali, sehingga menyebabkan kegagalan pengukuran.
Secara umum, Probe dengan frekuensi lebih tinggi memiliki daya transmisi yang lebih rendah dan getaran sisa yang lebih kecil, sehingga menghasilkan zona buta yang lebih kecil. Hal ini menjelaskan mengapa Rentang pengukuran dan zona buta sensor ultrasonik selalu berbanding lurus.
V. Frekuensi Ultrasonik
Frekuensi ultrasonik pada sensor level atau sensor level titik mengacu pada getaran mekanis frekuensi gelombang ultrasonik yang dipancarkan oleh probe, diukur dalam kilohertz (kHz).
Sebagian besar probe ultrasonik KACISE beroperasi pada rentang frekuensi 30–200 kHz, mencakup rentang pengukuran dari 15 m hingga 1 m, dengan zona buta berkisar antara 0,6 m hingga 0,1 m.
Hubungan Antara Frekuensi Ultrasonik dan Akurasi
Gelombang ultrasonik dengan frekuensi lebih tinggi memiliki panjang gelombang yang lebih pendek, sehingga memungkinkan deteksi yang lebih baik terhadap perubahan-perubahan kecil pada permukaan yang memantulkan gelombang, yang pada gilirannya menghasilkan resolusi dan akurasi absolut yang lebih tinggi.
Gelombang ultrasonik dengan frekuensi lebih rendah memiliki panjang gelombang yang lebih panjang, resolusi yang lebih rendah, dan akurasi absolut yang relatif lebih rendah.
Akurasi absolut mengacu pada selisih absolut antara nilai sebenarnya dan nilai yang diukur. Dalam lembar data, akurasi biasanya dinyatakan sebagai persentase dari skala penuh (FS).
