超聲波物位檢測儀的原理及應用淺析

一、前言
　　
　　在許多工業生產中，如化工、石油、冶金、電力、水處理等行業，經常要對生產過程中存儲在容器、儲罐、倉庫內的物料進行位置檢測和控制，物料物位檢測的準確性、及時性對于實現安全、高效的工業生產具有十分重要的意義。計量的準確與否將對企業的成本核算、能源消耗等指標正確計算及可信程度產生影響，同時檢測元件的適用范圍和使用維護也關系到生產能否正常穩定的進行。
　　
　　一般測量物位的方式有差壓式、浮球式、重錘式、超聲波式、雷達式等。隨著科學技術的不斷發展，生產自動化程度越來越高，對物位的測量精度、可靠性和連續性要求也越來越高。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、使用壽命長、性價比高等優勢在國內外得到越來越廣泛的應用。
　　
　　二、超聲波測量的工作原理
　　
　　超聲波是機械波的一種，即是機械振動在彈性介質中的一種傳播過程，它的特征是頻率高、波長短、繞射現象小，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，尤其是在對光不透明的固體中，超聲波可穿透幾十米的長度，碰到雜質或界面就會有顯著的反射，超聲波測量物位就是利用了它的這一特征。
　　
　　在超聲波檢測技術中，不管那種超聲波儀器，都必須把電能轉換超聲波發射出去，再接收回來變換成電信號，完成這項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，向下發射超聲波，超聲波穿過空氣介質，在遇到水面時被反射回來，又被換能器所接收并轉換為電信號，電子檢測部分檢測到這一信號后將其變成液位信號進行顯示并輸出。
　　
　　由超聲波在介質中傳播原理可知，若介質壓力、溫度、密度、濕度等條件一定，則超聲波在該介質中傳播速度是一個常數。因此，當測出超聲波由發射到遇到液面反射被接收所需要的時間，則可換算出超聲波通過的路程，即得到了液位的數據。三、特點和選型
　　
　　目前，國內外許多公司生產各種類型的超聲波物位檢測儀，現結合妙聲力公司生產的Minirangerplus型超聲波物位檢測儀在污水處理廠的應用介紹它的選型和使用。
　　
　　(一)Minirangerplus物位檢測儀的特點
　　
　　Minirangerplus是一種智能化儀表，將它與適當型號的換能器通過電纜遠程連接，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：
　　
　　１．同樣的測量范圍下該液位計檢測儀到換能器區間的值要求最小，測量盲區最短；
　　
　　２．適用環境溫度范圍廣－40～ 95Ｃ，且帶自動溫度補償；
　　
　　３．性能可靠、免維護。它采用妙聲力先進的聲智能軟件來有效地識別真假回波，可以滿足許多接觸式不能測量的應用場合；
　　
　　４．不受攪拌器影響，獨特的回波處理功能保證在使用攪拌器及其他液面浪涌現象嚴重或有大量泡沫的場合仍能可靠工作并提供穩定讀數；
　　
　　５．安裝簡單，操作方便。
　　
　　(二)選型
　　
　　根據需要和工況選擇合適的型號是保證測量結果準確可靠的重要條件。
　　
　　1．最大測量范圍
　　
　　Minirangerplus可以配置5m、10m、15m等不同型號的換能器。在選擇換能器時，需要考慮被測物料的特性、界面上介質性質、環境情況和生產系統的操作條件。超聲波發射后的衰減程度和界面反射特性對測量范圍有很大影響。當超聲波衰減快，界面反射差時，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分，就要增大換能器的發射功率。
　　
　　銀定莊污水處理廠在液位測控系統改造過程中，根據需要選擇了不同型號的換能器，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。
　　
　　2．溫度補償
　　
　　超聲波探頭是采用具有聲電效應的材料制成的，當高于一定溫度時，壓電元件將失去效應，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中聲速C為定值，在實際應用中，介質的聲速除決定于介質的成分外，還受溫度的影響。隨季節的變化，環境溫度變化很大，為保證測量精度，應選擇帶溫度補償超聲波物位計。
　　
　　(3)聲速校正
　　
　　物料界面上傳遞聲速的介質性質和成分影響測量結果，為適應不同的測量介質，Minirangerplus內部配置了聲速校正系統，以校正由于介質的成分變化而引起的誤差。具體操作如下：在Minirangerplus程序中輸入實際的測量值，Minirangerplus通過比較輸入的實際測量值(距離)與其本身超聲測量值(時間)計算聲速，并采用此聲速進行后續測量。
　　
　　四、換能器的安裝
　　
　　檢測儀表能否獲得準確的測量數據，不僅與儀表本身的精度有關，而且與儀表的安裝和調試有關。正確的安裝除了可以獲得更為準確的檢測數據外，還可以保證儀表工作穩定，維護方便。超聲波物位檢測儀在安裝時要注意以下幾點：
　　
　　1．超聲波換能器應安裝在只能“看見”被測介質表面的地方，使聲波在容器、儲罐和料倉中傳送時不會遇到擋板、攪拌器、倉壁等物體生成干擾，產生測量誤差；
　　
　　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別的盲區，為了測量可靠，測量對象的最高物位應該在盲區之外；
　　
　　3．測量儲倉內固體料位時，要考慮固體物料在界面上是不平整的，通常在進料口的物料高于儲倉周邊，因此，換能器應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是避免零反射。超聲波換能器對準罐底或卸料口的斜壁時，超聲脈沖發射出來，卻收不到回波，檢測儀就發出報警或調節到最大限度，而且，有把干擾回波作為物位回波接收的危險。解決這一問題的有效辦法，就是在液體儲罐底部放一塊小型的反射板或將換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、結束語
　　
　　由于超聲波物位計的非接觸測量原理，從理論上講，它適用于各種工藝過程中的物位測量，但在應用中，它會受到各種因素如安裝位置、溫度、壓力、濕度以及被測介質表面的泡沫、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，且互相制約，因此，這種測量方式不適合遠距離測量。在實際應用中，應根據測量要求和工況選擇合適的儀表，以達到最佳測量效果。