Датчики бесконтактные ультразвуковые ELHART UDS.30

Назначение

Ультразвуковые датчики серии UDS.30 предназначены для бесконтактного измерения расстояния до объектов в воздушной среде с помощью ультразвукового метода. Они применяются для контроля уровня различных жидких или сыпучих сред и для обнаружения наличия объектов. Датчики эффективно работают в системах мониторинга и автоматизации различных технологических процессов, при условии, что параметры этих процессов соответствуют предельным условиям эксплуатации датчиков.

Важно отметить, что датчики не предназначены для работы в легковоспламеняющихся или взрывоопасных средах, также они не рекомендуются для использования в системах, связанных с безопасностью человека. Это значит, что при эксплуатации датчиков следует избегать их применения в окружающих средах, где возможно возникновение опасных или взрывоопасных условий, а также в приложениях, где неправильное функционирование датчика может повлиять на безопасность персонала.

Принцип работы

Датчик серии UDS.30 представляет собой цилиндрический корпус, внутри которого расположена электронная плата. На одном из торцов корпуса располагается излучатель, который одновременно служит и приемником.

В процессе работы датчик излучает высокочастотные звуковые импульсы с определенной периодичностью. Эти звуковые импульсы распространяются в воздухе со скоростью звука. При столкновении с объектом, звуковая волна отражается от него и возвращается обратно к датчику в виде эха.

Датчик измеряет время между моментом излучения сигнала и получением отраженного эха. Затем он преобразовывает это время в расстояние до объекта. Полученную информацию о преобразованном расстоянии датчик может передавать с помощью различных выходов:

1. Цифровой выход (RS-485): Датчик может использовать цифровой протокол RS-485 для передачи данных о измеренном расстоянии.
2. Аналоговый сигнал: Датчик может выдавать аналоговый сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта. Такой сигнал может быть использован для дальнейшей обработки или визуализации данных.
3. Дискретный сигнал: Датчик может также генерировать дискретный сигнал, который изменяется при достижении объектом заранее установленного расстояния. Этот сигнал может быть использован для установки определенных условий или действий в автоматических системах.

Таким образом, датчик UDS.30 позволяет определять расстояние до объектов с помощью ультразвуковых импульсов и предоставляет различные способы передачи данных для дальнейшего использования в системах мониторинга и автоматизации различных технологических процессов.

Установка датчика

Монтаж датчика производится на расстоянии от объекта, соответствующем «Зоне 2» или «Зоне 2 + Зоне 3», в зависимости от характеристик объекта и условий эксплуатации. Важно избегать установки объекта на расстоянии, которое соответствует «Зоне 1» или «Зоне 4».

Расстояния до объекта и их соответствующие зоны могут быть определены следующим образом:

1. Зона 1: Это ближайшая зона, в которой объект находится очень близко к датчику, на расстоянии, которое может негативно повлиять на работу и безопасность датчика.
2. Зона 2: В этой зоне объект находится на расстоянии, которое обеспечивает нормальную и надежную работу датчика без каких-либо перегрузок или нежелательных воздействий на его функционирование.
3. Зона 3: В данной зоне объект находится дальше от датчика, чем в Зоне 2, но на расстоянии, которое все равно позволяет датчику эффективно выполнять свои функции.
4. Зона 4: Это самая дальняя зона, где объект находится на максимальном расстоянии от датчика, что может привести к трудностям в определении расстояния или снижению точности измерений.

Важно выбирать оптимальное расстояние монтажа датчика в зависимости от конкретных условий эксплуатации, характеристик объекта и требуемой точности измерений. Соблюдение указанных зон поможет обеспечить надежную работу и безопасность датчика при его эксплуатации.

Корректное размещение датчика – напротив объекта с перпендикулярной плоскостью отражения. Допустимое отклонение от перпендикуляра – не более 3°. При неоднородной поверхности объекта допустимое отклонение может быть больше 3°.

Для предотвращения множественных отражений ультразвуковой волны или механических повреждений датчик следует устанавливать в волновод – трубку из хорошо отражающего звук материала, произвольной длины.

При измерении уровня в емкости, где вертикальный монтаж невозможен из-за условий или высокой температуры испарений, можно установить датчик сбоку и перенаправить ультразвуковую волну вниз с помощью гладкого отражателя, расположенного под углом 45° к поверхности излучателя датчика.

Монтаж датчика производится с помощью двух гаек, которые входят в комплект поставки. Для предотвращения взаимного влияния между датчиками, следует соблюдать допустимые расстояния, указанные ниже.

Границы распространения ультразвуковой волны

На диаграммах показаны зоны распространения ультразвуковой волны для датчиков UDS.30-200-, UDS.30-400- и UDS.30-600-**.

1. Зеленая область («Прут») соответствует «зоне 2» и обнаруживает круглый прут диаметром 25 мм.
2. Заштрихованная область («Лист») обозначает «зону 3», в которой обнаруживается квадратный отражатель размером 500×500 мм, строго перпендикулярно датчику. Если объект находится за пределами этой области, измерение невозможно.

Зона распространения ультразвуковой волны UDS.30-200-**

Зона распространения ультразвуковой волны UDS.30-400-**

Зона распространения ультразвуковой волны UDS.18-600-**

Подключение датчика

Подключение датчиков производится через удобный разъем М12х1.0 (5 контактов), расположенный на торце корпуса. Нумерация и расположение контактов разъема (со стороны датчика) представлены на схемах подключения ниже. Этот удобный разъем обеспечивает простое и надежное соединение датчика с другими устройствами или системами. Данный метод позволяет быстро настроить и подключить датчики для эффективной работы в различных технологических процессах.

Схема подключения UDS.30 -***- N1

1. Контакт 1: 10…30 В постоянного тока
2. Контакт 2: Выход NPN
3. Контакт 3: 0 В постоянного тока
4. Контакт 4: Не используется
5. Контакт 5: Сигнал Teach-in

Схема подключения UDS.30 -***- P1, -AI, -AU

1. Контакт 1: 10…30 В постоянного тока
2. Контакт 2: Не используется
3. Контакт 3: 0 В постоянного тока
4. Контакт 4: Выход PNP (-P1) или Аналоговый выход (-AI, -AU)
5. Контакт 5: Сигнал Teach-in

Схема подключения UDS.30 -***- N2, -T2

1. Контакт 1: 10…30 В постоянного тока
2. Контакт 2: Выход NPN
3. Контакт 3: 0 В постоянного тока
4. Контакт 4: Выход NPN
5. Контакт 5: Сигнал Teach-in

Схема подключения UDS.30 -***- P2, -T2, -PA, — IU

1. Контакт 1: 10…30 В постоянного тока
2. Контакт 2: Выход PNP (-P2, -PA, -T2) или Аналоговый выход (-IU)
3. Контакт 3: 0 В постоянного тока
4. Контакт 4: Выход PNP (-P2, -T2) или Аналоговый выход (-PA, -IU)
5. Контакт 5: Сигнал Teach-in

Схема подключения UDS.30 -***- NA

1. Контакт 1: 10…30 В постоянного тока
2. Контакт 2: Выход NPN
3. Контакт 3: 0 В постоянного тока
4. Контакт 4: Аналоговый выход
5. Контакт 5: Сигнал Teach-in

Схема подключения UDS.30 -***- RS

1. Контакт 1: 10…30 В постоянного тока
2. Контакт 2: Сигнал A (RS-485)
3. Контакт 3: 0 В постоянного тока
4. Контакт 4: Сигнал B (RS-485)
5. Контакт 5: Не используется

Это нумерация и функции контактов разъема М12х1.0 (5 контактов) для подключения датчика. При подключении используйте указанные обозначения для правильного соединения датчика с другими устройствами или системами, особенно при использовании интерфейса RS-485 для передачи сигналов данных.

Органы индикации

Для сигнализации о состоянии датчика используется светодиодный индикатор на корпусе датчика:

• Не горит: датчик выключен;
• Горит зеленым: объект обнаружен;
• Горит красным: объект не обнаружен;
• Моргает зеленым: завершение настройки диапазона срабатывания с объектом;
• Моргает красным: завершение настройки диапазона срабатывания без объекта.

Это обозначения светодиодных индикаторов для датчика. Они помогают оператору легко определить состояние датчика и выполнить необходимые действия при его использовании, в том числе при настройке и контроле срабатывания на объектах.

Настройка пользовательского диапазона (режим teach-in)

Датчики с аналоговым или дискретным выходом обладают возможностью настройки пользовательского диапазона. Это достигается заданием пороговых точек А1 и А2, которые определяют уровень выходного сигнала. Для осуществления настройки пользовательского диапазона используется специальный вход — teach-in (контакт 5). Процесс настройки включает последовательное замыкание входа teach-in на клеммах +Uпит. и -Uпит. Это позволяет пользователю точно определить требуемый диапазон работы датчика, что упрощает его интеграцию и применение в различных системах мониторинга и автоматики.

Порядок настройки

Для настройки пользовательского диапазона датчика, выполните следующие шаги:

1. Подайте питание на датчик и убедитесь, что объект находится в рабочем диапазоне (зеленый индикатор должен гореть). Настройка возможна в течение 5 минут после включения датчика.
2. Для настройки значения А1 поместите объект на необходимое расстояние, при котором индикатор светится зеленым. Затем подайте сигнал -Uпит на вход teach-in. Дождитесь моргающего зеленого индикатора (примерно 3 секунды) и разомкните цепь.
3. Для настройки значения А2 переместите объект на необходимое расстояние от датчика, при котором индикатор светится зеленым. Подайте сигнал +Uпит на вход teach-in. Дождитесь моргающего зеленого индикатора (примерно 3 секунды) и разомкните цепь.
4. Отключите все сигналы от входа teach-in. Повторную настройку после выключения не требуется, так как заданные настройки сохраняются в энергонезависимой памяти.
5. Если при настройке пороговой точки (А1 или A2) объект не определен (находится вне рабочего диапазона или плохо отражает сигнал из-за размера или поверхности), то индикатор датчика будет мигать красным цветом, и пороговая точка примет максимальное значение.

Режимы работы дискретного выхода (NPN / PNP)

В зависимости от положения объекта при проведении настройки датчик может быть настроен на один из пяти возможных алгоритмов:

Одиночное срабатывание при удалении объекта (НЗ-выход)

Для работы датчика в этом режиме необходимо выполнить настройку пользовательского диапазона: установить значение А1 равным желаемому расстоянию (S), а значение А2 установить на бесконечность (∞).

В данном режиме датчик будет функционировать аналогично бесконтактному выключателю: когда объект находится на расстоянии менее А1, выход датчика будет разомкнут (выключен). При удалении объекта на расстояние больше А1, выход датчика замкнется (включится).

На рисунках ниже зеленая область соответствует расстоянию, при котором выход замкнут (включен), а оранжевая область — расстоянию, при котором выход разомкнут (выключен). Эти графические обозначения помогают наглядно представить работу датчика в данном режиме.

Одиночное срабатывание при приближении объекта (НО-выход)

Для работы датчика в этом режиме необходимо выполнить настройку пользовательского диапазона: установить значение А2 равным желаемому расстоянию (S), а значение А1 установить на бесконечность (∞).

В данном режиме выход датчика будет выключен, когда объект отдален или отсутствует на расстоянии больше А2. Выход датчика включится, если объект приближается к датчику и расстояние до него становится меньше А2.

Таким образом, датчик будет реагировать на приближение объекта и выдавать сигнал при достижении настроенного расстояния А2 и более близкого расстояния.

Режим окна (НО-выход)

Срабатывание выходного сигнала происходит, когда объект находится на расстоянии (S) в пределах настроенного диапазона. В случае отсутствия объекта или нахождения за пределами диапазона, выход остается разомкнутым.

Для работы в данном режиме необходимо настроить пользовательский диапазон, обеспечивая условие A1 < A2. При этом, значение А1 должно быть меньше значения А2, чтобы определить интервал расстояний, в котором будет происходить переключение выходного сигнала.

Режим окна (НЗ-выход)

Для обеспечения переключения выходного сигнала, датчик реагирует на нахождение объекта на определенном расстоянии (S) внутри заранее настроенного диапазона. Когда объект находится в пределах этого диапазона, выход замыкается, что указывает на обнаружение объекта. Однако, если объект отсутствует или находится за пределами настроенного диапазона, выход размыкается.

Для правильной работы датчика, необходимо настроить пользовательский диапазон путем задания двух пороговых значений: A1 и A2. Важно, чтобы значение A1 было больше значения A2. Это обеспечивает корректное функционирование датчика и позволяет определить различные состояния, связанные с наличием или отсутствием объектов в зоне обнаружения.

Режим определения объекта

В данном режиме работы датчик будет переключать выходной сигнал при нахождении любого объекта внутри его рабочего диапазона. Нет необходимости проводить настройку с объектом, так как значения пороговых точек А1 и А2 задаются как бесконечность (A1 = ∞, A2 = ∞).

Режимы работы аналогового выхода (4…20 мА/ 0…10 В)

Датчики с аналоговым выходом предоставляют возможность точного измерения расстояния до объекта. Они функционируют в режиме, в котором выходной сигнал аналоговый и пропорционален расстоянию в заданном рабочем диапазоне. В зависимости от положения объекта и условий настройки, датчики могут работать в различных алгоритмах.

Режим нарастающего сигнала

В этом режиме датчик генерирует выходной сигнал (например, 4…20 мА/0…10 В), который нарастает пропорционально измеренному расстоянию до объекта. Для корректной работы в данном режиме необходимо выполнить две настройки пороговых точек: А1 и А2.

1. Настройка пороговой точки А1: При проведении этой настройки, необходимо расположить объект вблизи датчика на расстоянии, которое соответствует значению А1. В результате датчик установит выходной сигнал на минимальное значение.
2. Настройка пороговой точки А2: Для данной настройки объект должен находиться далеко от датчика на расстоянии, соответствующем значению А2. В этом случае, датчик установит выходной сигнал на максимальное значение.

После настройки обеих пороговых точек А1 и А2, датчик будет генерировать нарастающий выходной сигнал в соответствии с расстоянием до объекта, находящегося в рабочем диапазоне датчика.

Режим спадающего сигнала

В этом режиме датчик генерирует инвертированный (спадающий) выходной сигнал (например, 20…4 мА/10…0 В), который уменьшается пропорционально измеренному расстоянию до объекта. Для правильной настройки данного режима следует провести две настройки пороговых точек: А2 и А1.

1. Настройка пороговой точки А2: При настройке А2, объект должен находиться вблизи датчика на расстоянии, соответствующем значению А2. В этом случае, датчик установит выходной сигнал на максимальное значение.
2. Настройка пороговой точки А1: В данной настройке объект должен быть удален от датчика на расстоянии, соответствующем значению А1. После проведения этой настройки, датчик установит выходной сигнал на минимальное значение.

После настройки обеих пороговых точек А1 и А2, датчик будет генерировать спадающий выходной сигнал, пропорциональный расстоянию до объекта, находящегося в рабочем диапазоне датчика.

Сброс пользовательского диапазона на заводские настройки

При необходимости можно произвести сброс пользовательских настроек датчика, и тогда выходной сигнал автоматически будет приведен к номинальному рабочему диапазону.

Для восстановления заводских настроек, следует провести настройку без объекта, то есть установить А1 и А2 в значения, которые равны бесконечности (A1 ∞, A2 ∞). После этой процедуры датчик будет сброшен на заводские настройки, и его выходной сигнал будет работать в номинальном рабочем диапазоне, как задано заводской конфигурацией.

Режим работы цифрового выхода RS-485

Датчик с цифровым выходом RS-485 обладает функциональностью для интеграции в промышленную сеть MODBUS.

Заводские настройки сети по умолчанию для датчика следующие:

• Режим работы ModBus RTU: используется протокол ModBus RTU с 8 битами данных, 1 стоп-битом и без проверки четности.
• Адрес датчика в сети ModBus: установлен адрес 01.
• Скорость передачи данных: установлена скорость 9600 бит/с.

Для обмена данными с датчиком в сети MODBUS предусмотрены две группы регистров:

1. Регистры чтения: Позволяют считывать данные с датчика, такие как измеренные значения, состояние и другую информацию.
2. Регистры записи: Позволяют записывать данные в датчик, такие как настройки, параметры и команды управления.

Используя протокол MODBUS и указанные параметры, можно успешно обмениваться данными с датчиком и осуществлять контроль и управление процессами на промышленном уровне.

Адрес	Данные	Формат	Единицы
00H	Измеренное расстояние	HEX	0.1 мм
01H	Внутренняя температура	HEX	1 °C
02H	Время прохождения пути УЗ-волной	HEX	1 мкс

1) Чтение измеренного расстояния:

• Команда запроса: 01 04 00 00 00 01 31 CA.
• Ответ датчика: 01 04 02 07 01 7A 8B.
• Преобразование: Значение 701 в шестнадцатеричном формате соответствует числу 1793 в десятеричном формате. Измеренное расстояние равно 179.3 мм.

2) Чтение внутренней температуры:

• Команда запроса: 01 04 00 01 00 01 60 0A.
• Ответ датчика: 01 04 02 00 17 B9 3A.
• Преобразование: Значение 17 в шестнадцатеричном формате соответствует числу 23 в десятеричном формате. Внутренняя температура датчика равна 23°C.

3) Чтение времени прохождения УЗ-волны:

• Команда запроса: 01 04 00 02 00 01 90 0A.
• Ответ датчика: 01 04 02 04 92 3A 5D.
• Преобразование: Значение 492 в шестнадцатеричном формате соответствует числу 1170 в десятеричном формате. Время прохождения УЗ-волны составило 1170 мкс.

Регистры записи:

Адрес	Данные	Значение
00h	Внешнее задание температуры	0…64
01h	Выбор типа термокомпенсации	0: По встроенному датчику
		1: По внешнему датчику
02h	Скорость связи в сети ModBus	240…256000
1Fh	Адрес датчика в сети ModBus	01…256

Пример работы с регистрами записи:

4) Для изменения температурного значения следует отправить команду: 01 06 00 00 00 1E 09 C2. Ответ от датчика: 01 06 00 00 00 1E 09 C2. Число 1E в шестнадцатеричной системе равно 30 в десятичной системе, что соответствует значению 30 °C. Таким образом, в датчик будет записано значение 30 °C.

5) Для выбора режима термокомпенсации по внешнему датчику температуры необходимо отправить: 01 06 00 01 00 01 19 CA. Ответ от датчика: 01 06 00 01 00 01 19 CA. По умолчанию в регистре установлено значение 0, что соответствует термокомпенсации по встроенному датчику температуры.

6) Для установки скорости обмена необходимо отправить команду: 01 06 00 02 00 09 E8 0C. Ответ от датчика: 01 06 00 02 00 09 E8 0C. Значение 9 соответствует скорости обмена 115 200 бит/с. Для выбора доступно 11 скоростей:

01: 2 400 бит/с
02: 4 800 бит/с
03: 9 600 бит/с
04: 14 400 бит/с
05: 19 200 бит/с
06: 38 400 бит/с
07: 56 000 бит/с
08: 57 600 бит/с
09: 115 200 бит/с
0A: 128 000 бит/с
0B: 256 000 бит/с

7) Для изменения адреса датчика необходимо отправить команду: 01 06 00 1F 00 10 B9 C0. Ответ от датчика: 01 06 00 1F 00 10 B9 C0. Значение 10 соответствует адресу датчика №16 в сети ModBus.

Эксплуатация

При эксплуатации и обслуживании датчика необходимо соблюдать предписания «Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей» и «Правил охраны труда при эксплуатации электроустановок». Перед включением датчика необходимо убедиться в правильности всех соединений, чтобы избежать перепутывания силовых и сигнальных проводов, что может привести к повреждению датчика и травмам персонала.

Для обеспечения точности измерения и оптимального рабочего диапазона датчика следует учитывать следующие факторы:

• Температура поверхности объекта, так как резкое изменение температуры воздуха, например, при измерении расстояния до раскаленного металла, может привести к преломлению ультразвуковой волны и неправильным измерениям.
• Материал поверхности объекта, поскольку объекты с пористой структурой и хорошей поглощающей способностью звука могут ухудшить отражение ультразвуковой волны, что сократит рабочий диапазон датчика.
• Расположение объекта, при использовании датчика на гладких поверхностях необходимо устанавливать его перпендикулярно к поверхности объекта с допустимым отклонением не более 3°. Если объект имеет неоднородную поверхность, то допустимое отклонение при монтаже может быть больше.
• Условия окружающей среды, такие как температура, влажность воздуха, скорость потока воздуха и атмосферное давление, также могут повлиять на скорость и затухание звуковой волны.
• Избегайте использования датчика в газах или жидкостях, кроме воздушной среды.
• Отслеживайте образование и налипание инородных материалов на поверхности датчика, такие как вода, пыль или другие вещества, которые могут ограничить его работоспособность. Осуществляйте чистку датчика или используйте отражатель, если датчик установлен под углом.

При проведении чистки датчика не используйте химически активные вещества, такие как растворители, керосин, пропиленгликоль или бензин. Избегайте попадания влаги на внутренние элементы датчика и выходные контакты клеммника.

Датчик следует устанавливать в месте, защищенном от воздействия влажности, воды, пыли, коррозийно-опасных веществ, а также от высоких температур, электрических разрядов и вибраций.

Скачать полное руководство.