超聲波物位計的原理和運用
上官明禹
超聲波物位計也稱超聲波液位計，超聲波水位計，超聲波料位計。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，價格低廉。是一種物美價廉的物位物位、液位測量設(shè)備。
一、超聲波物位計的原理：超聲波物位計安裝于容器上部，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，其時間與探頭至被測物體的距離成正比。電子單元檢測該時間，并根據(jù)已知的聲速計算出被測距離。用探頭到罐底的距離－探頭到液位的距離 ＝實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。或者通過４８５通信，Ｈａｒｔ通信，ＧＰＲＳ通信傳輸?shù)娇刂浦行摹Ｓ捎跍囟葘β曀倬哂休^大的影響，所以儀表應(yīng)測量環(huán)境溫度，以修正聲速。超聲物位計的測量原理見圖（１）
圖（１）
二、超聲波物位計運用的系統(tǒng)框圖：見圖（２）
在系統(tǒng)運用中，由超聲物位計測量液位的高度并轉(zhuǎn)換成標準信號送到控制中心。控制中心檢測到儀表送來的液位信息，并根據(jù)液位的高度和實際需要來對加料或者減料進行控制。
圖（２）
三、超聲物位計的主要的幾個技術(shù)指標
１、 量程和盲區(qū)：量程和盲區(qū)是反映超聲物位計的兩個重要的指標。
量程代表的是這個物位計能測量的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。大部分廠家標稱的量程都是針對平整液面來說的，也就是說實際測量的時候，液位波動，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)致量程不能達到標稱的值。比如５０ｍ量程的設(shè)備，如果測玉米的時候，實際只能測到２０ｍ。
盲區(qū)是反映換能器好壞的重要指標。盲區(qū)也稱死區(qū)，超聲液位計測量不到的一段距離，他是由于*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，說明這個換能器的設(shè)計越好。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重要指標。
２、 溫度和精度。
溫度范圍大部分標稱是－２０～６０°Ｃ這個范圍。因為大部分用液晶顯示的物位計，液晶屏的工作溫度只能在這個范圍，超出這個范圍，液晶顯示都會出現(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，*的工作溫度很難超過150度。當超過150°Ｃ溫度的時候，很容易對里面的壓電陶瓷損壞。因此150度可以看成是一個破壞溫度。另外*制造過程用的部分材料，不能在１００°Ｃ以上的溫度長時間工作。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，因為在空氣中，溫度測量誤差１°Ｃ，對聲速的影響是0.6ｍ/S，20°Ｃ，１個大氣壓下聲速約為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%的標稱范圍。因此實際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，因為液體的揮發(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。
在負壓的情況下，一般不推薦用超聲測量，因為超聲傳播是通過氣體來實現(xiàn)的。負壓力意味著里面的空氣稀薄，超聲在稀薄空氣下傳播，一個是聲速會變化，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是可以工作的。
４、 腐蝕性：物位計的腐蝕性主要考驗的是探頭的材質(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，可以耐大部分的強酸強堿。這里要注意的是，如果被測物質(zhì)有比較強的腐蝕性和揮發(fā)性，那么用一體物位計的時候，把電路板進行膠峰。因為大部分的可以防水的殼體，都不能防氣體。氣體進入一體設(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。因為吊裝容易受風的影響。但安裝的時候，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)*個極小值之間的夾角）大部分物位計用的換能器都可以看成一個圓型活塞陣。那么銳度角的角度可以通過下面的公式計算出來：換能器銳度角的計算公式：θ ＝ 2arcsin（0.61λ/a）。產(chǎn)品標稱的是一般是換能器的半功率角。半功率角的計算公式為：θ-3dB=2arcsin（0.26λ/a）。這樣就可以驗證一下廠家標稱的波束角是否是真實的。波束角不是越小越好，因為對大量程的產(chǎn)品來說，波束角太小，那么要垂直對準液面則比較困難。
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、超聲物位計現(xiàn)場使用時候的安裝注意事項
１、垂直
換能器安裝的時候，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%。如果因為液位會攪動，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離灌壁。灌底不是平面的，那么在零液位的時候可能出現(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
如果有攪拌或者波動的場合，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、超聲物位計和雷達射頻導(dǎo)納物位測量設(shè)備相比的優(yōu)缺點
| 產(chǎn)品 | 優(yōu)點 | 缺點 |
| 超聲波物位計 | 安裝方便，性能穩(wěn)定，測量精度高，價格低廉。 | 對溫度，粉塵，蒸汽，壓力的影響比較敏感。 |
| 雷達物位計 | 安裝方便，性能穩(wěn)定，測量精度高。對溫度，壓力的影響不敏感， | 價格高昂，低頻的雷達體積龐大。對射頻干擾的影響明顯。對被測介質(zhì)的介電常數(shù)有要求。對粉塵和蒸汽的影響和超聲是一樣的。 |
| 射頻導(dǎo)納物位計 | 不怕粉塵干擾，適合固體粉塵環(huán)境測量。價格低廉。 | 安裝比較麻煩，是接觸式的測量方式，測量精度不高。 |
五、超聲波物位計的相關(guān)產(chǎn)品
超聲波物位計有很多相關(guān)產(chǎn)品，原理一樣，只是測量的方式有點不同。大致有以下幾種：
１、 超聲淤泥計。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
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)域都有廣泛的運用。但每個產(chǎn)品都有它的優(yōu)缺點，在運用過程中，盡量避開它的缺點，利用它的優(yōu)點，那么在實際使用的時候，就能發(fā)揮它的zui大作用。
福州飛鷹超聲波
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