超聲波物位計(jì)原理

物位測量過程中，超聲波信號由超聲波探頭發(fā)出，經(jīng)液體或固體物料表面反射后折回，由同一個(gè)探頭接收，測量超聲波的整個(gè)運(yùn)行時(shí)間 ，從而實(shí)現(xiàn)物位的測量。聲波傳輸距離 與聲速 和聲傳輸時(shí)間 的關(guān)系可用公式表示:

超聲波物位計(jì)的算式L:超聲波探頭距所測料面距離。單位:m;

v:經(jīng)溫度補(bǔ)償后的聲速值。單位:m/s;

t:測量范圍內(nèi)聲波的運(yùn)行時(shí)間。單位:s

超聲波物位計(jì)用途

液位和料位測量是工業(yè)上經(jīng)常遇到的一個(gè)問題，超聲測位技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)，它不僅能定點(diǎn)和連續(xù)測位，而且能方便的提供遙測或遙控所需的信號。與放射性測位技術(shù)相比，超聲技術(shù)不需要防護(hù)，與激光測距技術(shù)相比，它又有簡單和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)超聲技術(shù)一般不需要運(yùn)動(dòng)部件，所以在安裝和維護(hù)上又相應(yīng)比較方便。超聲波物位計(jì)可廣泛應(yīng)用于石油、礦業(yè)、發(fā)電廠、化工廠、水處理廠、污水處理站、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保監(jiān)測、食品(釀酒業(yè)，飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品)、抗洪防汛、水文監(jiān)測、明渠、空間定位等許多行業(yè)。

主要指標(biāo)介紹

1、量程。代表超聲波物位計(jì)所能測量的大范圍，反映的是換能器的靈敏度。量程越大，靈敏度越高。超聲波物位計(jì)可以配置4、6、8、10、20、30m等不同量程的換能器。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過弱，而無法與噪音信號區(qū)分，就需要增大換能器的發(fā)射功率。

2、盲區(qū)。也叫死區(qū)，就是超聲波物位計(jì)測量不到的一段距離。超聲波物位計(jì)在發(fā)射超聲波脈沖時(shí)，不能同時(shí)檢測反射回波。由于發(fā)射的超聲波脈沖具有一定的時(shí)間寬度，同時(shí)發(fā)射完超聲波后傳感器還有余振，期間不能檢測反射回波，因此從探頭表面向下開始的一小段距離無法正常檢測，這段距離稱為盲區(qū)。相同量程的產(chǎn)品，盲區(qū)越小，就說明這個(gè)換能器的設(shè)計(jì)越好。

3、溫度。正常范圍是-10~60攝氏度。雖然壓電陶瓷的極限工作溫度一般是150攝氏度，但超聲波物位計(jì)在制造過程中的大多數(shù)材料都不能在100攝氏度以上的溫度長期工作。

4、精度。主要受溫度變化影響較大，為保證測量精度，大多數(shù)超聲波物位計(jì)都帶有溫度補(bǔ)償功能。另外在氣體成分的變化也會對超聲波物位計(jì)的精度產(chǎn)生影響，比如一些揮發(fā)性的液體，揮發(fā)后導(dǎo)致空氣成分變化，導(dǎo)致氣體的聲速變化，引起測量誤差。在常溫常壓以及不受外部環(huán)境干擾情況下，大部分廠家可以將精度控制在0.5%以內(nèi)。

5、兩線制與三線制。兩線制超聲波物位計(jì)其供電(DC24v)與信號輸出(DC4-20mA)共用一個(gè)回路，也就是僅使用兩條線即可，不足之處是發(fā)射功率相對略微微弱一些。三線制超聲波物位計(jì)實(shí)際上為四線制，其供電(DC24v)與信號輸出(DC4-20mA)回路分離，各使用兩條線，當(dāng)它們負(fù)端共地相連時(shí)，通常使用三條線即可，其優(yōu)勢是發(fā)射功率較大

技術(shù)參數(shù)

●量程:液面10m，固態(tài)料面 5m

●盲區(qū): 0.6m l 精度:量程的0.25%或1cm

●分辨率:量程的0.1%或4mm

●重復(fù)周期:200ms或可設(shè)定

●電源:220VAC 50Hz 30W

●超聲波換能器AR41:

(1)工作頻率 41KHz

(2)驅(qū)動(dòng)電壓 1800Vpp，1ms

(3)發(fā)散角度 14°

(4)工作溫度 -40℃~90℃

●輸出:

模擬量:

(1)4-20mA輸出(帶隔離)

(2)1--5V輸出(帶隔離)

開關(guān)量:

(1)兩路單刀雙擲繼電器(報(bào)警、泵控等)

(2)觸點(diǎn)容量 3A/250V(非感性負(fù)載)

●485/232通訊接口:主機(jī)、從機(jī)通過485/232通訊接口協(xié)同工作

●顯示方式:四位LED或LCD

●聲速補(bǔ)償方式:溫度補(bǔ)償

●儀表工作環(huán)境溫度:-20℃~50℃

●儀表殼體防護(hù)等級:IP65

超聲波物位計(jì)的4個(gè)優(yōu)點(diǎn)和6個(gè)技術(shù)特點(diǎn)

1.與激光測距技術(shù)相比，有簡單和經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn);

2.超聲技術(shù)一般不需要運(yùn)動(dòng)部件，所以在安裝和維護(hù)上又相應(yīng)比較方便;

3.超聲波物位計(jì)不僅能定點(diǎn)和連續(xù)測位，而且能方便的提供遙測或遙控所需的信號;

4.超聲波物位計(jì)與放射性測位技術(shù)相比，不需要防護(hù)。

技術(shù)特點(diǎn)

1.具有強(qiáng)勁發(fā)射力的換能器，表面可自清潔，利用更新的換能器結(jié)構(gòu)和制造工藝，顯著提高了換能器的工作性能。

2.微處理器程序控制、智能信號處理技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種典型工況軟件處理模式，使物位計(jì)能適應(yīng)固體、液體、粉塵等復(fù)雜工況。

3.紅外線遙控編程調(diào)節(jié)，操作簡單可靠，并帶有液晶現(xiàn)場顯示。

4.非接觸式連續(xù)測量，減少維護(hù);

5.可用于測量物位、空間、距離，也可對標(biāo)準(zhǔn)或特別開關(guān)的液罐進(jìn)行自動(dòng)液位-體積轉(zhuǎn)換;

6.帶背光的液晶顯示器，可按標(biāo)準(zhǔn)工程單位進(jìn)行顯示。

超聲波物位計(jì)缺點(diǎn)

1、當(dāng)超聲波傳播介質(zhì)密度發(fā)生變化，聲速也將發(fā)生變化，嚴(yán)重影響測量精度;

2、超聲波物位計(jì)對溫度壓力比較敏感，所以一般需要在常溫常壓下測量。

3、有些物質(zhì)對超聲波有強(qiáng)烈吸收作用，選用測量方法和測量儀器時(shí)要充分考慮液位測量的具體情況和條件。

超聲波物位計(jì)特點(diǎn)

大量程可達(dá)40m 固體料位測量可達(dá)25m。

小分辨率1mm。

LCD/LED大顯示屏。

智能信號處理技術(shù)。

全塑料防腐外殼:防護(hù)等級IP67。

換能器結(jié)構(gòu):小量程物位計(jì)法蘭安裝時(shí)，對法蘭接管長度無要求。

簡單的按鍵設(shè)定參數(shù):無需等待容器排空或加滿，無需附加的遙控器。

靈活的安裝方式 :螺紋(法蘭)、固定孔(支架)。

探頭可加長:適應(yīng)寒冷地區(qū)室外密閉容器安裝，防止結(jié)霜。

配有高低位雙繼電器:四線制提供此作用。

交流和直流供電形式可選:四線制和分體機(jī)主機(jī)提供此作用。

和微波物位計(jì)的區(qū)別

超聲波物位計(jì)主要的安裝方式有兩種，一個(gè)是頂部安裝，一個(gè)是底部安裝，超聲波物位計(jì)采用的也是液體導(dǎo)聲，超聲探頭安裝在料罐底部外，超聲波從底部傳入，經(jīng)被測液體傳播到液面，反射后傳回探頭。傳播時(shí)間與液位的高低成正比。

微波物位計(jì)以光速傳播，速度幾乎不受介質(zhì)特性的影響，傳播衰減也很小，約0.2dB/km.回波信號強(qiáng)弱很大程度上取決于被測液面上的反射情況。在被測液面上的反射率除了取決于被測物料的面積和形狀外，主要取決于物料的相對介電常數(shù)εr.相對介電常數(shù)高，反射率也高，得到的回波強(qiáng)度高;相對介電常數(shù)低，物料會吸收部分微波能量，回波強(qiáng)度較低。

超聲波物位計(jì)的應(yīng)用概況

在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)用時(shí)，會有各種因素對其穩(wěn)定、可靠的測量產(chǎn)生影響，下面我們將結(jié)合實(shí)際，講述各種干擾對超聲波物位計(jì)選用、使用、安裝的影響。超聲波流量計(jì)

(1)介質(zhì)及環(huán)境溫度的影響

超聲波從物料表面反射時(shí)，其反射頻率會受到物料溫度的影響而發(fā)生變化，為了補(bǔ)償這一變化，超聲波探頭內(nèi)裝有溫度傳感器，當(dāng)探頭向處理器發(fā)送反射信號的同時(shí)，也把溫度信號送到微處理器，處理器將自動(dòng)補(bǔ)償由于溫度對料位測量的影響。

此外，為了保證探頭的可靠工作，要求環(huán)境溫度不超過60℃。

(2)攪拌器對物位計(jì)測量的影響

如果物料容器內(nèi)裝攪拌器，它同樣會反射超聲波信號，造成假反射回波，并被傳送到微處理器。微處理器將根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理處理真假面具回波，所以要求超聲波從物料表面反射的回波應(yīng)至少為從攪拌器臂反射的回波的3倍。適當(dāng)降低攪拌器的轉(zhuǎn)速，或?qū)⑻筋^偏離攪拌中心，都可以有效消除攪拌器產(chǎn)生的假面反射對料位測量的影響。

(3)超聲波物位計(jì)測量料位的極限值

1)高料位

當(dāng)一束超聲波脈沖向物料表面?zhèn)魉瓦^程中，若收到從物料表面來的反射波，將無法進(jìn)行測量，這段距離就是盲區(qū)。物料料位不得高于盲區(qū)。

2)低料位

di料位也就是使超聲波能到達(dá)的距離傳感器的遠(yuǎn)距離，并且使反射回波能被傳感器接收。由于超聲波在傳播過程中的衰減以及物料表面對聲波的吸收，這一傳播距離對物料性質(zhì)依賴性很強(qiáng)，對于DU33來說，可測液體范圍為25m，固體范圍為15m。

總之，只要儀表選型、安裝適當(dāng)，超聲波物位計(jì)的應(yīng)用效果還是比較滿意的。

5 結(jié)束語

超聲波類儀表(超聲波流量計(jì))是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在工業(yè)測量中的具體運(yùn)用，是高新電子技術(shù)和聲學(xué)原理相結(jié)合的產(chǎn)物。比起常規(guī)儀表，它們的智能化更高，應(yīng)用的技術(shù)更*，也給用戶帶來更大方便