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量設(shè)備,。適合石油、化工,、自來水,、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，操作簡便,，適用性廣,，價(jià)格低廉。是一種物美價(jià)廉的物位,、液位測量設(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,。從超聲波發(fā)射到被重新被接收,，其時(shí)間與探頭至被測物體的距離成正比。電子單元檢測該時(shí)間,，并根據(jù)已知的聲速計(jì)算出被測距離,。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,、１～５Ｖ電壓信號輸出?；蛘咄ㄟ^４８５通信,，Ｈａｒｔ通信，ＧＰＲＳ通信傳輸?shù)娇刂浦行?。由于溫度對聲速具有較大的影響,，所以儀表應(yīng)測量環(huán)境溫度，以修正聲速,。超聲物位計(jì)的測量原理見圖（１）

　　　　　　　　　　　　圖（１）

二,、超聲波物位計(jì)運(yùn)用的系統(tǒng)框圖：見圖（２）

　　　在系統(tǒng)運(yùn)用中，由超聲物位計(jì)測量液位的高度并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號送到控制中心,?？刂浦行臋z測到儀表送來的液位信息，并根據(jù)液位的高度和實(shí)際需要來對加料或者減料進(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)能測量的zui大范圍,。反映的是換能器的靈敏度。也就是說,，量程越大,，靈敏度越高。大部分廠家標(biāo)稱的量程都是針對平整液面來說的,，也就是說實(shí)際測量的時(shí)候,，液位波動(dòng)，表面有漂浮物，測量是固體料位,，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,，如果測玉米的時(shí)候，實(shí)際只能測到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,，在液面跟探頭的距離小于３０ｃｍ的時(shí)候，將會出現(xiàn)不能測量的情況,。那么相同量程的產(chǎn)品,，盲區(qū)越小，說明這個(gè)換能器的設(shè)計(jì)越好,。對一些密閉罐體或者短量程的測量來說,，安裝會越方便。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,，液晶顯示都會出現(xiàn)不正?，F(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150度。當(dāng)超過150°Ｃ溫度的時(shí)候,，很容易對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程用的部分材料，不能在１００°Ｃ以上的溫度長時(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?，溫度測量誤差１°Ｃ,，對聲速的影響是0.6ｍ/S，20°Ｃ,，１個(gè)大氣壓下聲速約為340ｍ／Ｓ,。因此可以算出，對測量誤差的影響是0.17％,，也就是說,，如果溫度測量誤差超過３°Ｃ，物位測量誤差就超過大部分廠家0.5%的標(biāo)稱范圍,。因此實(shí)際0.5％的精度針對的是常溫常壓下的,。對偏高和偏低的溫度，都有可能導(dǎo)致測量精度超過0.5％的情況,。有溫度梯度,，溫度變化快的場合，測量誤差也會因此增大,。另外對測量精度影響zui大的是氣體成份,。也就是說在一些揮發(fā)性液體的場合，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量誤差,。

３、           壓力,。

在負(fù)壓的情況下,，一般不推薦用超聲測量，因?yàn)槌晜鞑ナ峭ㄟ^氣體來實(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)是聲速會變化,，引起測量誤差,，二是稀薄空氣里面，聲波衰減增大,，導(dǎo)致測量量程減小甚至不能測量,。

正壓力主要是探頭結(jié)構(gòu)的影響，只要探頭結(jié)構(gòu)沒有問題,。不會引起漏氣現(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)。為了避開盲區(qū),，用加長導(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下面的公式計(jì)算出來：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Υ罅砍痰漠a(chǎn)品來說，波束角太小,，那么要垂直對準(zhǔn)液面則比較困難,。

λ=　波長　＝　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)射面和要被探測的平面平行,，這樣聲波就可以垂直發(fā)射到被測物體表面。這樣可以保證zui大的能量返回,。

技巧：如果現(xiàn)場環(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噭?dòng)，用了很長的導(dǎo)管來安裝,，那么盲區(qū)值也加大20％為了避開盲區(qū),，我們經(jīng)常會用加長導(dǎo)管的方式來避開盲

在利用加長導(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,。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,。對于圓型的橫桿，只要距離超過１ｍ,，直徑不超過５ｃｍ,，影響不大。否則盡量避開,。但對平面的橫桿,，灌壁有直角的情況，要盡量的避開,。

４,、   有攪拌和波動(dòng)

　　　如果有攪拌或者波動(dòng)的場合，可以用加長導(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,、   超聲波液位開關(guān)

４,、   外貼式液位開關(guān)

總結(jié)：超聲波物位計(jì)是優(yōu)良的界面測量設(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)用過程中,，盡量避開它的缺點(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,。

                                                                                                                     福州飛鷹超聲波

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