Application of Piezoelectric Ceramics in liquid level sensor

Применение пьезокерамики в ультразвуковых датчиках уровня жидкости

1. Классификация и принципы измерения уровня жидкости

1.1. Назначение и область применения

Датчик уровня жидкости — это измерительное устройство, предназначенное для непрерывного или дискретного контроля и измерения высоты заполнения резервуара жидкостью. Данные устройства являются критически важными компонентами в системах автоматизации технологических процессов across различных отраслей промышленности.

1.2. Основные методы измерения

В промышленности применяется широкий спектр технологий, основанных на различных физических принципах:

• Механические методы: Поплавковые и буйковые датчики, использующие direct механический контакт.
• Оптические методы: Использующие отражение или преломление light beam на границе раздела фаз.
• Электрические методы:
  • Емкостные: Измеряют изменение electrical capacitance в зависимости от уровня диэлектрика.
  • Проводимостные (кондуктометрические): Фиксируют изменение electrical conductivity между электродами.
• Ультразвуковые методы: Бесконтактное измерение distance до поверхности жидкости с помощью sound waves.
• Гидростатические, радиолокационные, микроволновые и другие методы.

1.3. Ключевые области применения

• Пищевая и beverage промышленность: Контроль уровня в танках, бродильных чанах, емкостях.
• Химическая и нефтехимическая промышленность: Мониторинг уровней агрессивных и опасных сред.
• Водоочистные сооружения: Контроль уровня в резервуарах, отстойниках, фильтрах.
• Бытовая техника: Кофеварки, стиральные и посудомоечные машины, холодильники с льдогенераторами.

2. Принцип работы ультразвуковых датчиков уровня

Ультразвуковой метод является одним из наиболее popular бесконтактных и беспроблемных способов измерения.

2.1. Физическая основа метода

Метод основан на точном измерении времени прохождения акустического импульса от излучателя до поверхности жидкости и обратно к приёмнику (принцип эхолокации).

2.2. Технология измерения

• Пьезоэлектрический преобразователь, mounted на крышке или стенке резервуара, генерирует short ultrasonic импульс.
• Импульс распространяется в газовой среде (воздух, пар) над жидкостью.
• Достигнув поверхности жидкости, звуковая волна partially отражается due to значительной разницы в acoustic impedance между gas и liquid.
• Отражённый сигнал (эхо) возвращается к датчику.
• Электроника датчика с высокой точностью измеряет время задержки (time of flight) между излучением и приёмом сигнала.
• Расстояние до поверхности жидкости рассчитывается по формуле: D = (c × t) / 2, где c — скорость звука в газовой среде, t — измеренное время задержки.
• Уровень жидкости определяется как разница между known высотой установки датчика и calculated расстоянием до поверхности.

2.3. Преимущества ультразвукового метода

• Бесконтактность: Отсутствие контакта с измеряемой средой, что исключает загрязнение и коррозию.
• Универсальность: Подходит для широкого спектра жидкостей (включая агрессивные и абразивные).
• Многофункциональность: Возможность измерения уровня, а также обнаружения interface между двумя несмешивающимися жидкостями.
• Простота installation и обслуживания.

3. Пьезоэлектрические элементы для ультразвуковых датчиков уровня

Пьезоэлектрический преобразователь является key компонентом, определяющим accuracy и reliability всего измерительного system.

3.1. Конструкция и требования

В датчиках уровня typically используются однослойные пьезокерамические диски. К ним предъявляются высокие требования:

• Генерация мощных и коротких акустических импульсов: Для обеспечения хорошего разрешения и подавления помех от multiple reflections.
• Высокая чувствительность: Для уверенного приёма weak отражённых signals, especially от далёких или poorly отражающих surfaces.
• Стабильность резонансной частоты: Для точного и повторяемого измерения.
• Устойчивость к environmental факторам: Temperature, humidity, condensation.

3.2. Ключевые материалы и выбор

Наиболее распространённым и сбалансированным материалом для данных applications является PZT-40 (ЦТС). Его popularity обусловлена optimal сочетанием:

• Высокого пьезоэлектрического коэффициента (d33), обеспечивающего good чувствительность.
• Достаточной mechanical power для генерации powerful импульсов.
• Стабильности parameters в working температурном диапазоне.

Помимо PZT-40, в зависимости от specific требований (например, need в более высокой мощности или stability при elevated температурах), могут применяться и другие составы:

• PZT-5A / PZT-5H: Для applications, требующих более высокой чувствительности.
• PZT-8: Для demanding условий, где важна stability и minimal losses при continuous работе.

3.3. Продукция HE-SHUAI для измерения уровня

Компания HE-SHUAI производит wide range высококачественных пьезокерамических components для ultrasonic датчиков уровня:

• Стандартные и custom пьезокерамические диски.
• Пластины и specialized преобразователи.
• Изделия, характеризующиеся высокой точностью, стабильностью и long-term надёжностью в harsh промышленных условиях.

Нужны надежные пьезоэлектрические компоненты для ваших систем контроля уровня? Обращайтесь в HE-SHUAI для консультации и подбора оптимальных решений. Наши эксперты помогут выбрать продукты, которые полностью соответствуют вашим техническим требованиям.