超聲波物位檢測儀的原理及應(yīng)用

一、前言

在許多工業(yè)生產(chǎn)中，如化工、石油、冶金、電力、水處理等行業(yè)，經(jīng)常要對(duì)生產(chǎn)過程中存儲(chǔ)在容器、儲(chǔ)罐、倉庫內(nèi)的物料進(jìn)行位置檢測和控制，物料物位檢測的準(zhǔn)確性、及時(shí)性對(duì)于實(shí)現(xiàn)安全、高效的工業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義。計(jì)量的準(zhǔn)確與否將對(duì)企業(yè)的成本核算、能源消耗等指標(biāo)正確計(jì)算及可信程度產(chǎn)生影響，同時(shí)檢測元件的適用范圍和使用維護(hù)也關(guān)系到生產(chǎn)能否正常穩(wěn)定的進(jìn)行。

一般測量物位的方式有差壓式、浮球式、重錘式、超聲波式、雷達(dá)式等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來越高，對(duì)物位的測量精度、可靠性和連續(xù)性要求也越來越高。超聲波物位測量憑借其非接觸方式以及抗腐蝕、無毒害、免維護(hù)、使用壽命長、性價(jià)比高等優(yōu)勢在國內(nèi)外得到越來越廣泛的應(yīng)用。

二、超聲波測量的工作原理

超聲波是機(jī)械波的一種，即是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的一種傳播過程，它的特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性好，能夠成為射線而定向傳播。超聲波在液體、固體中衰減很小，因而穿透能力強(qiáng)，尤其是在對(duì)光不透明的固體中，超聲波可穿透幾十米的長度，碰到雜質(zhì)或界面就會(huì)有顯著的反射，超聲波測量物位就是利用了它的這一特征。

在超聲波檢測技術(shù)中，不管那種超聲波儀器，都必須把電能轉(zhuǎn)換超聲波發(fā)射出去，再接收回來變換成電信號(hào)，完成這項(xiàng)功能的裝置就叫超聲波換能器，也稱探頭。如圖所示，將超聲波換能器置于被測液體上方，向下發(fā)射超聲波，超聲波穿過空氣介質(zhì)，在遇到水面時(shí)被反射回來，又被換能器所接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電子檢測部分檢測到這一信號(hào)后將其變成液位信號(hào)進(jìn)行顯示并輸出。

由超聲波在介質(zhì)中傳播原理可知，若介質(zhì)壓力、溫度、密度、濕度等條件一定，則超聲波在該介質(zhì)中傳播速度是一個(gè)常數(shù)。因此，當(dāng)測出超聲波由發(fā)射到遇到液面反射被接收所需要的時(shí)間，則可換算出超聲波通過的路程，即得到了液位的數(shù)據(jù)。圖中，Ｄ為池壁距超聲波換能器中心的距離，Ａ為超聲波換能器距100%液面的距離，Ｈ為100%測量范圍，Ｂ為超聲波換能器距最低液位距離。一般儀表制造廠對(duì)Ａ、Ｄ、Ａ/Ｂ都有 限制和要求。

三、特點(diǎn)和選型

目前，國內(nèi)外許多公司生產(chǎn)各種類型的超聲波物位檢測儀，現(xiàn)結(jié)合妙聲力公司生產(chǎn)的Minirangerplus型超聲波物位檢測儀在污水處理廠的應(yīng)用介紹它的選型和使用。

（一）Minirangerplus物位檢測儀的特點(diǎn)

Minirangerplus是一種智能化儀表，將它與適當(dāng)型號(hào)的換能器通過電纜遠(yuǎn)程連接，可以測量不同范圍的物位，因其特有的智能軟件，使它具有以下特點(diǎn)：

１．同樣的測量范圍下該液位計(jì)Ｄ值要求最小， 測量盲 區(qū)最短；

２．適用環(huán)境溫度范圍廣－40～+95Ｃ，且?guī)ё詣?dòng)溫度補(bǔ)償；

３．性能可靠、免維護(hù)。它采用妙聲力先進(jìn)的聲智能軟件來有效地識(shí)別真假回波，可以滿足許多接觸式不能測量的應(yīng)用場合；

４．不受攪拌器影響，獨(dú)特的回波處理功能保證在使用 攪拌器及其他液面浪涌現(xiàn)象嚴(yán)重或有大量泡沫的場合仍能可靠工作并提供穩(wěn)定讀數(shù)；

５．安裝簡單，操作方便。

（二）選型

根據(jù)需要和工況選擇合適的型號(hào)是保證測量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的重要條件。

1．最大測量范圍

Minirangerplus可以配置5m、10 m、15m等不同型號(hào)的換能器。在選擇換能器時(shí)，需要考慮被測物料的特性、界面上介質(zhì)性質(zhì)、環(huán)境情況和生產(chǎn)系統(tǒng)的操作條件。超聲波發(fā)射后的衰減程度和界面反射特性對(duì)測量范圍有很大影響。當(dāng)超聲波衰減快，界面反射差時(shí)，為避免超聲波探頭接收到的超聲波信號(hào)過弱，而無法與噪音信號(hào)區(qū)分，就要增大換能器的發(fā)射功率。

銀定莊污水處理廠在液位測控系統(tǒng)改造過程中，根據(jù)需要選擇了不同型號(hào)的換能器，如：粗格柵渠深9.5米，選用了XPS-10型換能器，最大測量范圍為10 米；集水池池深11.5米，選用了XPS-15型換能器，最大測量范圍為15米；細(xì)格柵廊道深2米，選用了最大測量范圍為5米的單探頭液位計(jì)。

2．溫度補(bǔ)償

超聲波探頭是采用具有聲電效應(yīng)的材料制成的，當(dāng)高于一定溫度時(shí)，壓電元件將失去效應(yīng)，而不能使用。一般超聲波換能器在-20-80℃工作條件下較合適。另外，由于超聲波測量物位是基于被測物料界面上傳遞超聲波的介質(zhì)中聲速C為定值，在實(shí)際應(yīng)用中，介質(zhì)的聲速除決定于介質(zhì)的成分外，還受溫度的影響。隨季節(jié)的變化，環(huán)境溫度變化很大，為保證測量精度，應(yīng)選擇帶溫度補(bǔ)償超聲波物位計(jì)。

（3）聲速校正

物料界面上傳遞聲速的介質(zhì)性質(zhì)和成分影響測量結(jié)果，為適應(yīng)不同的測量介質(zhì)， Minirangerplus內(nèi)部配置了聲速校正系統(tǒng)，以校正由于介質(zhì)的成分變化而引起的誤差。具體操作如下：在Minirangerplus程序中輸入實(shí)際的測量值，Minirangerplus通過比較輸入的實(shí)際測量值（距離）與其本身超聲測量值（時(shí)間）計(jì)算聲速，并采用此聲速進(jìn)行后續(xù)測量。

四、換能器的安裝

檢測儀表能否獲得準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，不僅與儀表本身的精度有關(guān)，而且與儀表的安裝和調(diào)試有關(guān)。正確的安裝除了可以獲得更為準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)外，還可以保證儀表工作穩(wěn)定，維護(hù)方便。超聲波物位檢測儀在安裝時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

1．超聲波換能器應(yīng)安裝在只能“看見”被測介質(zhì)表面的地方，使聲波在容器、儲(chǔ)罐和料倉中傳送時(shí)不會(huì)遇到擋板、攪拌器、倉壁等物體生成干擾，產(chǎn)生測量誤差；

2．超聲波換能器在其傳送和接收的脈沖之間，有一部分自身不能識(shí)別的盲區(qū)，為了測量可靠，測量對(duì)象的最高物位應(yīng)該在盲區(qū)之外；

3．測量儲(chǔ)倉內(nèi)固體料位時(shí)，要考慮固體物料在界面上是不平整的，通常在進(jìn)料口的物料高于儲(chǔ)倉周邊，因此，換能器應(yīng)安裝在能反映物料平均高度的位置上；

4．安裝換能器的另一要點(diǎn)是避免零反射。超聲波換能器對(duì)準(zhǔn)罐底或卸料口的斜壁時(shí)，超聲脈沖發(fā)射出來，卻收不到回波，檢測儀就發(fā)出報(bào)警或調(diào)節(jié)到最大限度，而且，有把干擾回波作為物位回波接收的危險(xiǎn)。解決這一問題的有效辦法，就是在液體儲(chǔ)罐底部放一塊小型的反射板或?qū)Q能器安裝在靠近罐中線處。

5．超聲波換能器和檢測儀之間應(yīng)采用屏蔽電纜連接，且屏蔽線兩端接地，以避免電噪聲的干擾

五、結(jié)束語

由于超聲波物位計(jì)的非接觸測量原理，從理論上講，它適用于各種工藝過程中的物位測量，但在應(yīng)用中，它會(huì)受到各種因素如安裝位置、溫度、壓力、濕度以及被測介質(zhì)表面的泡沫、浪涌等的影響。另外，超聲波的傳輸距離和指向性與聲波頻率有關(guān)，且互相制約，因此，這種測量方式不適合遠(yuǎn)距離測量。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)測量要求和工況選擇合適的儀表，以達(dá)到最佳測量效果。