超聲波物位計(jì)的原理和運(yùn)用

     超聲波物位計(jì)也稱超聲波液位計(jì)，超聲波水位計(jì)，超聲波料位計(jì)。是一種優(yōu)良的非接觸的界面測(cè)量設(shè)備。適合石油、化工、自來(lái)水、污水處理、水利水文、鋼鐵、煤礦、電力、交通以及食品加工等行業(yè)。它安裝，操作簡(jiǎn)便，適用性廣，價(jià)格低廉。是一種物美價(jià)廉的物位、液位測(cè)量設(shè)備。

一、超聲波物位計(jì)的原理：超聲波物位計(jì)安裝于容器上部，在電子單元的控制下，探頭向被測(cè)物體發(fā)射一束超聲波脈沖。聲波被物體表面反射，部分反射回波由探頭接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。從超聲波發(fā)射到被重新被接收，其時(shí)間與探頭至被測(cè)物體的距離成正比。電子單元檢測(cè)該時(shí)間，并根據(jù)已知的聲速計(jì)算出被測(cè)距離。用探頭到罐底的距離－探頭到液位的距離　＝實(shí)際液位或者物位高度。把液位高度轉(zhuǎn)換成４～２０ｍＡ電流信號(hào)、１～５Ｖ電壓信號(hào)輸出。或者通過(guò)４８５通信，Ｈａｒｔ通信，ＧＰＲＳ通信傳輸?shù)娇刂浦行摹Ｓ捎跍囟葘?duì)聲速具有較大的影響，所以儀表應(yīng)測(cè)量環(huán)境溫度，以修正聲速。超聲物位計(jì)的測(cè)量原理見(jiàn)圖（１）

　　　　　　　　　　　　圖（１）

二、超聲波物位計(jì)運(yùn)用的系統(tǒng)框圖：見(jiàn)圖（２）

　　　在系統(tǒng)運(yùn)用中，由超聲物位計(jì)測(cè)量液位的高度并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送到控制中心。控制中心檢測(cè)到儀表送來(lái)的液位信息，并根據(jù)液位的高度和實(shí)際需要來(lái)對(duì)加料或者減料進(jìn)行控制。

　　　　　　　　　　　　　圖（２）

　三、超聲物位計(jì)的主要的幾個(gè)技術(shù)指標(biāo)

１、           量程和盲區(qū)：量程和盲區(qū)是反映超聲物位計(jì)的兩個(gè)重要的指標(biāo)。

量程代表的是這個(gè)物位計(jì)能測(cè)量的zui大范圍。反映的是換能器的靈敏度。也就是說(shuō)，量程越大，靈敏度越高。大部分廠家標(biāo)稱的量程都是針對(duì)平整液面來(lái)說(shuō)的，也就是說(shuō)實(shí)際測(cè)量的時(shí)候，液位波動(dòng)，表面有漂浮物，測(cè)量是固體料位，有粉塵，有蒸汽，都是有可能導(dǎo)致量程不能達(dá)到標(biāo)稱的值。比如５０ｍ量程的設(shè)備，如果測(cè)玉米的時(shí)候，實(shí)際只能測(cè)到２０ｍ。

盲區(qū)是反映換能器好壞的重要指標(biāo)。盲區(qū)也稱死區(qū)，超聲液位計(jì)測(cè)量不到的一段距離，他是由于超聲換能器的余震造成的。比如盲區(qū)３０ｃｍ，也就是說(shuō)，在液面跟探頭的距離小于３０ｃｍ的時(shí)候，將會(huì)出現(xiàn)不能測(cè)量的情況。那么相同量程的產(chǎn)品，盲區(qū)越小，說(shuō)明這個(gè)換能器的設(shè)計(jì)越好。對(duì)一些密閉罐體或者短量程的測(cè)量來(lái)說(shuō)，安裝會(huì)越方便。因此盲區(qū)成為相同量程產(chǎn)品衡量換能器做得好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。

２、           溫度和精度。

溫度范圍大部分標(biāo)稱是－２０～６０°Ｃ這個(gè)范圍。因?yàn)榇蟛糠钟靡壕э@示的物位計(jì)，液晶屏的工作溫度只能在這個(gè)范圍，超出這個(gè)范圍，液晶顯示都會(huì)出現(xiàn)不正常現(xiàn)象。如果不考慮液晶顯示的限制，一般都可以做到－４０～８０°Ｃ的范圍。壓電陶瓷有個(gè)居里溫度約300度。居里溫度的一般是安全溫度，所以一般情況下，超聲換能器的工作溫度很難超過(guò)150度。當(dāng)超過(guò)150°Ｃ溫度的時(shí)候，很容易對(duì)里面的壓電陶瓷損壞。因此150度可以看成是一個(gè)破壞溫度。另外超聲換能器制造過(guò)程用的部分材料，不能在１００°Ｃ以上的溫度長(zhǎng)時(shí)間工作。大部分換能器的極限溫度是100°Ｃ。

為什么把精度和溫度放在一起考慮，因?yàn)樵诳諝庵校瑴囟葴y(cè)量誤差１°Ｃ，對(duì)聲速的影響是0.6ｍ/S，20°Ｃ，１個(gè)大氣壓下聲速約為340ｍ／Ｓ。因此可以算出，對(duì)測(cè)量誤差的影響是0.17％，也就是說(shuō)，如果溫度測(cè)量誤差超過(guò)３°Ｃ，物位測(cè)量誤差就超過(guò)大部分廠家0.5%的標(biāo)稱范圍。因此實(shí)際0.5％的精度針對(duì)的是常溫常壓下的。對(duì)偏高和偏低的溫度，都有可能導(dǎo)致測(cè)量精度超過(guò)0.5％的情況。有溫度梯度，溫度變化快的場(chǎng)合，測(cè)量誤差也會(huì)因此增大。另外對(duì)測(cè)量精度影響zui大的是氣體成份。也就是說(shuō)在一些揮發(fā)性液體的場(chǎng)合，因?yàn)橐后w的揮發(fā)導(dǎo)致空氣成分變化，接著導(dǎo)致氣體聲速變化引起的測(cè)量誤差。

３、           壓力。

在負(fù)壓的情況下，一般不推薦用超聲測(cè)量，因?yàn)槌晜鞑ナ峭ㄟ^(guò)氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。負(fù)壓力意味著里面的空氣稀薄，超聲在稀薄空氣下傳播，一個(gè)是聲速會(huì)變化，引起測(cè)量誤差，二是稀薄空氣里面，聲波衰減增大，導(dǎo)致測(cè)量量程減小甚至不能測(cè)量。

正壓力主要是探頭結(jié)構(gòu)的影響，只要探頭結(jié)構(gòu)沒(méi)有問(wèn)題。不會(huì)引起漏氣現(xiàn)象。那么在大的壓力情況下超聲物位計(jì)是可以工作的。

４、           腐蝕性：物位計(jì)的腐蝕性主要考驗(yàn)的是探頭的材質(zhì)。在弱酸弱堿的環(huán)境下，普通的塑料外殼就可以了。用聚四氟乙烯的外殼，可以耐大部分的強(qiáng)酸強(qiáng)堿。這里要注意的是，如果被測(cè)物質(zhì)有比較強(qiáng)的腐蝕性和揮發(fā)性，那么用一體物位計(jì)的時(shí)候，把電路板進(jìn)行膠峰。因?yàn)榇蟛糠值目梢苑浪臍んw，都不能防氣體。氣體進(jìn)入一體設(shè)備里面后，會(huì)俯視電路板。

５、           方向性和安裝結(jié)構(gòu)

安裝結(jié)構(gòu)一般有法蘭和螺紋兩種安裝方式。不推薦使用吊裝。因?yàn)榈跹b容易受風(fēng)的影響。但安裝的時(shí)候，一般要考慮盲區(qū)的影響。我們要在物理上保證zui高液面到探頭表面的距離大于盲區(qū)。為了避開(kāi)盲區(qū)，用加長(zhǎng)導(dǎo)管安裝的時(shí)候，必須注意的是，探頭輻射面兩端與導(dǎo)管端面兩端形成的夾角必須大于換能器的銳度角。（銳度角：波束兩側(cè)出現(xiàn)*個(gè)極小值之間的夾角）大部分物位計(jì)用的換能器都可以看成一個(gè)圓型活塞陣。那么銳度角的角度可以通過(guò)下面的公式計(jì)算出來(lái)：換能器銳度角的計(jì)算公式：θ　＝　2arcsin（0.61λ/a）。產(chǎn)品標(biāo)稱的是一般是換能器的半功率角。半功率角的計(jì)算公式為：θ-3dB=2arcsin（0.26λ/a）。這樣就可以驗(yàn)證一下廠家標(biāo)稱的波束角是否是真實(shí)的。波束角不是越小越好，因?yàn)閷?duì)大量程的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，波束角太小，那么要垂直對(duì)準(zhǔn)液面則比較困難。

λ=　波長(zhǎng)　＝　聲速/頻率

a=半徑，是換能器的輻射面的半徑

６、           供電方式和信號(hào)輸出方式：供電方式一般是交流電源９５～２３０ＶＡＣ，24ＶＤＣ四線制，２４ＶＤＣ兩線制三種。輸出方式有：顯示界面，電流４～２０ｍＡ，電壓１～５Ｖ，通信方式４８５通信，Ｈａｒｔ通信，ＧＰＲＳ通信等。

三、超聲物位計(jì)現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)候的安裝注意事項(xiàng)

１、垂直

換能器安裝的時(shí)候，要保證換能器的發(fā)射面和要被探測(cè)的平面平行，這樣聲波就可以垂直發(fā)射到被測(cè)物體表面。這樣可以保證zui大的能量返回。

技巧：如果現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有蒸汽，容易形成水珠附在探頭的表面，并且探頭的量程比實(shí)際要測(cè)量的距離大比較多。那么可以傾斜3度左右，這樣可以避免水珠結(jié)水的影響。

２、    盲區(qū)

zui高液位到超聲液位計(jì)探頭表面的距離應(yīng)該大于探頭的盲區(qū)。

這里需要注意的是：我們的盲區(qū)是在比較理想的狀態(tài)下測(cè)得的。因此如果我們的安裝的是封閉的灌體，那么盲區(qū)值加大20%。如果因?yàn)橐何粫?huì)攪動(dòng)，用了很長(zhǎng)的導(dǎo)管來(lái)安裝，那么盲區(qū)值也加大20％為了避開(kāi)盲區(qū)，我們經(jīng)常會(huì)用加長(zhǎng)導(dǎo)管的方式來(lái)避開(kāi)盲

在利用加長(zhǎng)導(dǎo)管安裝的時(shí)候，必須保證角度ＡＯＢ>探頭的銳度角。

３、   罐壁和障礙物

如果罐壁是光滑的，并且液位降低的時(shí)候，不會(huì)出現(xiàn)掛料的情況，那么大部分距離灌壁３０ｃｍ的距離安裝就可以。如果灌壁是粗糙的，那么探頭安裝的位置要遠(yuǎn)離灌壁。灌底不是平面的，那么在零液位的時(shí)候可能出現(xiàn)誤測(cè)。如果是圓錐型底面，可以考慮把探頭安裝在圓錐頂點(diǎn)正上方。對(duì)于圓型的橫桿，只要距離超過(guò)１ｍ，直徑不超過(guò)５ｃｍ，影響不大。否則盡量避開(kāi)。但對(duì)平面的橫桿，灌壁有直角的情況，要盡量的避開(kāi)。

４、   有攪拌和波動(dòng)

　　　如果有攪拌或者波動(dòng)的場(chǎng)合，可以用加長(zhǎng)導(dǎo)管安裝。導(dǎo)管直接申入液位底面。導(dǎo)管的直徑只要大于探頭的輻射面即可，但是要保證導(dǎo)管的內(nèi)壁光滑，并且液位什降過(guò)程中不掛料，管內(nèi)液位和管外一致。如果大量程不適合用導(dǎo)管安裝的，可以減小量程使用，具體減小多少要看波浪的大小。

四、超聲物位計(jì)和雷達(dá)射頻導(dǎo)納物位測(cè)量設(shè)備相比的優(yōu)缺點(diǎn)

五、超聲波物位計(jì)的相關(guān)產(chǎn)品

　　　超聲波物位計(jì)有很多相關(guān)產(chǎn)品，原理一樣，只是測(cè)量的方式有點(diǎn)不同。大致有以下幾種：

１、   超聲淤泥計(jì)。放入水中檢測(cè)淤泥的高度。

２、   灌底安裝外貼式超聲波物位計(jì)

３、   超聲波液位開(kāi)關(guān)

４、   外貼式液位開(kāi)關(guān)

總結(jié)：超聲波物位計(jì)是優(yōu)良的界面測(cè)量設(shè)備。在水處理，化工，冶金，電力，水利等許多領(lǐng)域都有廣泛的運(yùn)用。但每個(gè)產(chǎn)品都有它的優(yōu)缺點(diǎn)，在運(yùn)用過(guò)程中，盡量避開(kāi)它的缺點(diǎn)，利用它的優(yōu)點(diǎn)，那么在實(shí)際使用的時(shí)候，就能發(fā)揮它的zui大作用。

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