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超声波物位检测仪的原理及应用

一、前言

在许多工业生产中，如化工、石油、冶金、电力、水处理等行业，经常要对生产过程中存储在容器、储罐、仓库内的物料进行位置检测和控制，物料物位检测的准确性、及时性对于实现安全、高效的工业生产具有十分重要的意义。计量的准确与否将对企业的成本核算、能源消耗等指标正确计算及可信程度产生影响，同时检测元件的适用范围和使用维护也关系到生产能否正常稳定的进行。

一般测量物位的方式有差压式、浮球式、重锤式、超声波式、雷达式等。随着科学技术的不断发展，生产自动化程度越来越高，对物位的测量精度、可靠性和连续性要求也越来越高。超声波物位测量凭借其非接触方式以及抗腐蚀、无毒害、免维护、使用寿命长、性价比高等优势在国内外得到越来越广泛的应用。

二、超声波测量的工作原理

超声波是机械波的一种，即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程，它的特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性好，能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波测量物位就是利用了它的这一特征。

在超声波检测技术中，不管那种超声波仪器，都必须把电能转换超声波发射出去，再接收回来变换成电信号，完成这项功能的装置就叫超声波换能器，也称探头。如图所示，将超声波换能器置于被测液体上方，向下发射超声波，超声波穿过空气介质，在遇到水面时被反射回来，又被换能器所接收并转换为电信号，电子检测部分检测到这一信号后将其变成液位信号进行显示并输出。

由超声波在介质中传播原理可知，若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定，则超声波在该介质中传播速度是一个常数。因此，当测出超声波由发射到遇到液面反射被接收所需要的时间，则可换算出超声波通过的路程，即得到了液位的数据。图中，Ｄ为池壁距超声波换能器中心的距离，Ａ为超声波换能器距100%液面的距离，Ｈ为100%测量范围，Ｂ为超声波换能器距最低液位距离。一般仪表制造厂对Ａ、Ｄ、Ａ/Ｂ都有限制和要求。

三、特点和选型

目前，国内外许多公司生产各种类型的超声波物位检测仪，现结合妙声力公司生产的Minirangerplus型超声波物位检测仪在污水处理厂的应用介绍它的选型和使用。

（一）Minirangerplus物位检测仪的特点

Minirangerplus是一种智能化仪表，将它与适当型号的换能器通过电缆远程连接，可以测量不同范围的物位，因其特有的智能软件，使它具有以下特点：

１．同样的测量范围下该液位计Ｄ值要求最小，测量盲区最短；

２．适用环境温度范围广－40～+95Ｃ，且带自动温度补偿；

３．性能可靠、免维护。它采用妙声力先进的声智能软件来有效地识别真假回波，可以满足许多接触式不能测量的应用场合；

４．不受搅拌器影响，独特的回波处理功能保证在使用搅拌器及其他液面浪涌现象严重或有大量泡沫的场合仍能可靠工作并提供稳定读数；

５．安装简单，操作方便。

（二）选型

根据需要和工况选择合适的型号是保证测量结果准确可靠的重要条件。

1．最大测量范围

Minirangerplus可以配置5m、10 m、15m等不同型号的换能器。在选择换能器时，需要考虑被测物料的特性、界面上介质性质、环境情况和生产系统的操作条件。超声波发射后的衰减程度和界面反射特性对测量范围有很大影响。当超声波衰减快，界面反射差时，为避免超声波探头接收到的超声波信号过弱，而无法与噪音信号区分，就要增大换能器的发射功率。

银定庄污水处理厂在液位测控系统改造过程中，根据需要选择了不同型号的换能器，如：粗格栅渠深9.5米，选用了XPS-10型换能器，最大测量范围为10 米；集水池池深11.5米，选用了XPS-15型换能器，最大测量范围为15米；细格栅廊道深2米，选用了最大测量范围为5米的单探头液位计。

2．温度补偿

超声波探头是采用具有声电效应的材料制成的，当高于一定温度时，压电元件将失去效应，而不能使用。一般超声波换能器在-20-80℃工作条件下较合适。另外，由于超声波测量物位是基于被测物料界面上传递超声波的介质中声速C为定值，在实际应用中，介质的声速除决定于介质的成分外，还受温度的影响。随季节的变化，环境温度变化很大，为保证测量精度，应选择带温度补偿超声波物位计。

（3）声速校正

物料界面上传递声速的介质性质和成分影响测量结果，为适应不同的测量介质， Minirangerplus内部配置了声速校正系统，以校正由于介质的成分变化而引起的误差。具体操作如下：在Minirangerplus程序中输入实际的测量值，Minirangerplus通过比较输入的实际测量值（距离）与其本身超声测量值（时间）计算声速，并采用此声速进行后续测量。

四、换能器的安装

检测仪表能否获得准确的测量数据，不仅与仪表本身的精度有关，而且与仪表的安装和调试有关。正确的安装除了可以获得更为准确的检测数据外，还可以保证仪表工作稳定，维护方便。超声波物位检测仪在安装时要注意以下几点：

1．超声波换能器应安装在只能“看见”被测介质表面的地方，使声波在容器、储罐和料仓中传送时不会遇到挡板、搅拌器、仓壁等物体生成干扰，产生测量误差；

2．超声波换能器在其传送和接收的脉冲之间，有一部分自身不能识别的盲区，为了测量可靠，测量对象的最高物位应该在盲区之外；

3．测量储仓内固体料位时，要考虑固体物料在界面上是不平整的，通常在进料口的物料高于储仓周边，因此，换能器应安装在能反映物料平均高度的位置上；

4．安装换能器的另一要点是避免零反射。超声波换能器对准罐底或卸料口的斜壁时，超声脉冲发射出来，却收不到回波，检测仪就发出报警或调节到最大限度，而且，有把干扰回波作为物位回波接收的危险。解决这一问题的有效办法，就是在液体储罐底部放一块小型的反射板或将换能器安装在靠近罐中线处。

5．超声波换能器和检测仪之间应采用屏蔽电缆连接，且屏蔽线两端接地，以避免电噪声的干扰

五、结束语

由于超声波物位计的非接触测量原理，从理论上讲，它适用于各种工艺过程中的物位测量，但在应用中，它会受到各种因素如安装位置、温度、压力、湿度以及被测介质表面的泡沫、浪涌等的影响。另外，超声波的传输距离和指向性与声波频率有关，且互相制约，因此，这种测量方式不适合远距离测量。在实际应用中，应根据测量要求和工况选择合适的仪表，以达到最佳测量效果。

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