صوت صدائی است که ما می توانیم بشنویم. آلتراسونیک (فرا صوت) صدای بالاتر از گوش شنوایی انسان است. انسان می تواند حداکثر تا فرکانس ۲۰ کیلوهرتز را بشنود. فرکانس های التراسونیک بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز است. امواج التراسونیک برای اندازه گیری سطح مایعات و مواد جامد در صنایع استفاده می شود. اندازه گیری سطح التراسونیک بر اصل بدون تماس بوده و مناسب برای اندازه گیری سطح مایعات داغ، خوردنده و جوش است. محدوده فرکانس نرمال مورد استفاده برای اندازه گیری سطح اولتراسونیک در محدوده ۴۰ ۲۰۰ کیلوهرتز است.

۱. اساس اندازه گیری سطح التراسونیک چیست؟

امواج التراسونیک یک شی را به همان شیوه ای که رادار آن را آشکار میکند، تشخیص می دهد. التراسونیک از امواج صوتی و رادار از امواج رادیویی استفاده می کند. وقتی سیگنال پالس اولتراسونیک به سمت یک هدف هدایت می شود، توسط شیء منعکس می شود و اکو به فرستنده باز می گردد. زمان سفر شده توسط پالس اولتراسونیک محاسبه شده و فاصله ی شیء پیدا می شود. خفاش ها از روش شناخته شده برای اندازه گیری فاصله در حرکت استفاده می کنند. اصل اندازه گیری سطح التراسونیک همچنین برای پیدا کردن موقعیت ماهی در اقیانوس، قرار دادن زیردریایی ها در زیر سطح آب، همچنین موقعیت غواص در دریا استفاده می شود.

یک لول ترنسمیتر اولتراسونیک در بالای مخزن نیمه پر از مایع، ثابت می شود. سطح مرجع برای تمام اندازه گیری ها پایین تانک است. سطح کشف شده به عنوان “C” مشخص شده و “B” فاصله سنسور اولتراسونیک از سطح مایع است. سیگنال های پالس التراسونیک از ترانسمیتر ارسال می شود و به سنسور باز می گردد. زمان سفر پالس اولتراسونیک از سنسور به هدف و برگشت محاسبه می شود. سطح “C” را می توان با ضرب نیمی از این زمان در سرعت صدا در هوا بدست آورد. نتیجه نهایی واحد اندازه گیری، می تواند سانتی متر، فوت، اینچ و غیره باشد

۲/تاخیر زمان xسرعت صدا در هوا= سطح

۲. مشکلات طراحی سیستم عملی  ترنمسمیتر سطح التراسونیک:

اصل اندازه گیری فوق به نظر می رسد در تئوری کاملا درست است . اما در عمل برخی از مشکلات فنی وجود دارد که باید برای خواندن سطح صحیح مراقب باشند.

الف) سرعت صدا با توجه به تغییر درجه حرارت هوا تغییر میکند. یک سنسور دما یکپارچه، برای جبران تغییرات سرعت صدا به علت تغییرات دما استفاده می شود.
ب) تعدادی از تداخل های ایجاد شده توسط لبه ها، اتصالات جوش داده شده و غیره وجود دارد. این مسئله  توسط نرم افزار ترنسمیتر  مراقبت شده و فرونشانی اکو تداخل خوانده می شود.
ج) کالیبراسیون ترانسمیتر بسیار مهم است. دقت اندازه گیری بستگی به دقت کالیبراسیون دارد. فاصلهء خالی “A” و فاصله اندازه گیری “D” باید برای شمول در کالیبراسیون ترانسمیتر، به طور صحیح معلوم باشد.
د) خصوصیات گذرای سنسور، فاصله مسدود کردن (فاصله ای که برای عدم تماس سطح مایع با سنسور در نظر گرفته می شود) را گسترش می دهد. فاصله اندازه گیری “D” هرگز نباید به فاصله مسدود شدن گسترش یابد.

۳. ساختار اصلی یک ترنسدیوسر (مبدل) التراسونیک

سنسور التراسونیک قلب ترانسمیتر سطح اولتراسونیک است. این سنسور انرژی الکتریکی را به امواج اولتراسوند تبدیل می کند. بلورهای پیزوالکتریک برای این فرایند تبدیل استفاده می شود. بلورهای پیزوالکتریک در فرکانس های بالا  زمانی که انرژی الکتریکی بر روی آن ها اعمال می شود نوسان خواهد نمود. برعکس آن هم درست است. بلورهای پیزوالکتریک، سیگنال های الکتریکی را در هنگام دریافت التراسوند (مافوق صوت) تولید می کنند. سنسورها قادر به ارسال مافوق صوت به یک شی و دریافت اکو توسعه یافته توسط شی هستند. اکو برای پردازش به وسیله مدار کنترل به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.

۴. بلوک عملکردی یک ترنسمیتر سطح التراسونیک معمولی:

ما برای واضح کردن ساختارهای فیزیکی یک ترانسمیتر سطح التراسونیک به شکل بلوک عملکردی زیر مراجعه خواهیم کرد.

مدار کنترل مبتنی بر میکرو کنترل کننده تمام فعالیت های لول ترانسمیتر التراسونیک را نظارت می کند. دو مدار انتقال پالس وجود دارد، یکی برای پالس فرستنده و دیگری برای پالس گیرنده. پالس تولید شده توسط پالس فرستنده به وسیله سنسور التراسونیک (فرستنده) به پالسهای اولتراسوند تبدیل و به سمت هدف هدایت می شود.

این پالس اولتراسوند به عنوان یک پالس اکو به سنسور التراسونیک (گیرنده) بازتاب می شود. گیرنده، این پالس التراسونیک را به یک پالس سیگنال الکتریکی، از طریق تولید کننده پالس تبدیل می کند. زمان سپری شده، یا زمان انعکاس توسط شمارنده اندازه گیری می شود. این زمان سپری شده با سطحی که باید اندازه گیری شود ارتباط دارد و توسط مدار کنترل به سطح تبدیل می شود . یک مدار ژنراتور زمان بندی وجود دارد که برای همگام سازی تمام وظایف در سیستم اندازه گیری سطح اولتراسونیک استفاده می شود.

سطح در نهایت تبدیل به سیگنال ۴-۲۰mA می شود. ۴mA 0٪ است و ۲۰mA سطح ۱۰۰٪ است (نگاه کنید به شکل ). این سیگنال خروجی ۴-۲۰mA که اطلاعات سطح را دارد می تواند به مسافت های طولانی برای ابزار کنترل فرآیند منتقل شود.

۵-مزایای فرستنده سطح التراسونیک:

ترانسمیتر سطح التراسونیک دارای قطعات متحرک نیست و می تواند سطح را بدون تماس فیزیکی با شی، مورد سنجش قرار دهد. این ویژگی معمول ترانسمیتر، برای اندازه گیری سطوح در مخازن با مواد شیمیایی خورنده، جوش و خطرناک مفید است. دقت خواندن، حتی پس از تغییرات در ترکیب شیمیایی یا ثابت دی الکتریک مواددر سیال فرآیند، بدون تغییر باقی می ماند.

۶-محدودیت ترانسمیتر سطح التراسونیک:

ترنسمیترهای سطح التراسونیک بهترین دستگاه های اندازه گیری سطح هستند جایی که اکوی دریافت شده اولتراسوند از کیفیت قابل قبول است. اگر عمق مخزن زیاد باشد یا اکو جذب یا پراکنده شود، دریافت آن زیاد راحت نیست. جسم نباید از نوع جذب کننده صدا باشد. همچنین برای مخازن با دود یا رطوبت با چگالی بالا مناسب نیست.