超聲波液位計(jì)在液位測(cè)量中的應(yīng)用

1 測(cè)量原理
      一般把振動(dòng)頻率超過(guò)20kHz的聲波稱為超聲波，屬于機(jī)械波的一種，其特征是頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性強(qiáng)，能夠成為射線而定向傳播。超聲波在液體中的衰減很小，因而穿透能力強(qiáng)，超聲波液位計(jì)測(cè)量液位正是利用了它的這一特征。
      超聲波液位計(jì)工作時(shí)，超聲波換能器（探頭）發(fā)出高頻脈沖聲波，遇到被測(cè)水面的表面被反射回來(lái)，折回的反射回波被換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。聲波的傳播時(shí)間與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。聲波傳輸距離L與聲速C和傳輸時(shí)間T的關(guān)系可用公式 （1）表示：
L=C×T/2                   （1）
超聲波液位計(jì) 在發(fā)射超聲波脈沖時(shí)，不能同時(shí)檢測(cè)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，且發(fā)射完超聲波后換能器存在余振，期間不能檢測(cè)反射回波，造成探頭表面下的一小段區(qū)域內(nèi)的反射波與發(fā)射波重迭，無(wú)法識(shí)別，不能正常檢測(cè)，這一段區(qū)域稱為測(cè)量盲區(qū)。盲區(qū)的大小與超聲波液位計(jì)的量程有關(guān)。
2 安裝
2.1 安裝應(yīng)遵循的原則
      （1）探頭發(fā)射面到最低液位之間的距離應(yīng)小于液位計(jì)的量程；
      （2）探頭發(fā)射面到最高液位之間的距離應(yīng)大于液位計(jì)的盲區(qū)（安裝高度>最高液位+盲區(qū)），如圖1所示；
      （3）探頭發(fā)射面應(yīng)該與被測(cè)液面保持平行，這樣聲波就可以垂直發(fā)射到被測(cè)液面，以保證最大的能量返回。

2.2 安裝要求及注意事項(xiàng)
      （1）一般采用法蘭或螺紋安裝方式，不建議吊裝，因?yàn)榈跹b易受風(fēng)的影響而產(chǎn)生晃動(dòng)；
      （2）探頭的正下方應(yīng)盡量避開(kāi)進(jìn)、出料口等液面有劇烈波動(dòng)的位置，如圖2所示；
      （3） 由于聲束角的存在，探頭安裝時(shí)應(yīng)與器壁或池壁保持一定的間距，如圖3所示；
      （4）超聲波波束所輻射的范圍內(nèi)， 不能有障礙物，安裝時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)池內(nèi)或容器內(nèi)設(shè)施，如扶梯、管路、攪拌器等；
      （5）安裝地點(diǎn)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離易產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾的設(shè)備；
      （6）不要在同一個(gè)容器里安裝多個(gè)超聲波液位計(jì)，以避免彼此干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差；
      （7） 對(duì)于頂部為拱形的容器，液位計(jì)安裝應(yīng)偏離罐頂中心位置，以避免形成多次反射回波，如圖4所示；
      （8） 頂部為平面的錐形容器，液位計(jì)應(yīng)盡可能安裝在頂部中心，如圖5所示；
      （9） 當(dāng)容器上有接管且接管無(wú)法縮短使得探頭發(fā)射面不能伸出容器內(nèi)壁時(shí)或者探頭發(fā)射面到最高液位的距離小于盲區(qū)，導(dǎo)致無(wú)法正確檢測(cè)時(shí)，需加裝延伸管，延伸管應(yīng)與液面垂直，內(nèi)壁要光滑；
      （10）應(yīng)盡量避免安裝在液面容易堆積泡沫、漂浮物或劇烈波動(dòng)的地方，因?yàn)闀?huì)影響回波質(zhì)量，產(chǎn)生虛假回波，從而影響測(cè)量精度。必要時(shí)可加裝導(dǎo)波管，其長(zhǎng)度至最低液位即可，應(yīng)保證管內(nèi)、外液體能自由、同步升降，內(nèi)壁要光滑；
      （11）盡量不要使用在有水蒸汽的場(chǎng)合，如果有蒸汽，易形成水珠附著在探頭的表面， 對(duì)正常測(cè)量造成影響；
      （12）安裝位置應(yīng)避免強(qiáng)震動(dòng)，如安裝在輕震動(dòng)區(qū)域，可安裝橡膠墊圈減振；
      （13）露天安裝時(shí)應(yīng)加裝遮陽(yáng)（雨）罩；
      （14）信號(hào)線應(yīng)采用屏蔽電纜，且單點(diǎn)接地；
      （15）應(yīng)在液位計(jì)的標(biāo)稱環(huán)境溫度下使用。

3 溫度補(bǔ)償與聲速校正
      空氣中的聲速與空氣溫度的關(guān)系為V=（331.5 + 0.6t）m/s，從這個(gè)聲速的溫度補(bǔ)償公式可以看出，聲速受溫度影響較大。在空氣中，溫度差1℃，對(duì)聲速的影響就是0.6ｍ/s。在20℃，1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，聲速約為344ｍ/s， 從而可知， 對(duì)測(cè)量誤差的影響約為0.17％，當(dāng)溫度誤差超過(guò)3℃時(shí)，液位的測(cè)量誤差就超過(guò)了0.5%。所以，應(yīng)測(cè)量環(huán)境溫度，以修正聲速。我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中，應(yīng)選擇有溫度補(bǔ)償功能的超聲波液位計(jì)，以克服環(huán)境溫度變化對(duì)液位測(cè)量帶來(lái)的影響。
4 常見(jiàn)故障診斷
      在液位計(jì)使用過(guò)程中出現(xiàn)故障時(shí)，可按照如下方法進(jìn)行故障診斷，以便快速正確地處理：
      （1）檢查線路連接是否正確；
      （2）如液面劇烈波動(dòng)，可考慮適當(dāng)增加阻尼時(shí)間；
      （3）探頭表面是否被噴濺或有凝結(jié)，從而阻擋聲波的收發(fā)；
      （4）檢查液面是否堆積、漂浮泡沫，泡沫會(huì)給回波帶來(lái)不利影響；
      （5）液位是否進(jìn)入盲區(qū)范圍之內(nèi)；
      （6）電源電壓是否在標(biāo)稱范圍之內(nèi)；
      （7）液位計(jì)周圍是否有干擾源；
      （8）安裝是否合理，可參照本文第3章節(jié)的相關(guān)條款進(jìn)行檢查處理。
5 超聲波液位計(jì)的檢定/校準(zhǔn)
      目前，我國(guó)尚無(wú)專門針對(duì)超聲波液位計(jì)的檢定規(guī)程，檢定/校準(zhǔn)工作可按照《JJG 971-2002 液位計(jì)檢定規(guī)程》中的相關(guān)條款進(jìn)行。液位計(jì)的檢定周期一般不超過(guò)1年，也可根據(jù)使用環(huán)境條件、頻繁程度和重要性來(lái)確定。企業(yè)也可根據(jù)自身?xiàng)l件，參照國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程，制定企業(yè)內(nèi)部相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范。
5.1 計(jì)量性能要求
      （1）示值誤差 示值的最大允許誤差為±（a%FS+b）
      其中：a為液位計(jì)的精度；FS為液位計(jì)的量程；b為液位計(jì)的分辨力
      （2）回差 超聲波液位計(jì)的回差應(yīng)不超過(guò)示值最大允許誤差絕對(duì)值的二分之一。
      （3）穩(wěn)定性超聲波液位計(jì)連續(xù)工作24h， 示值誤差仍符合（1）的要求。
      （4）液位信號(hào)輸出誤差 輸出誤差應(yīng)不超過(guò)輸出量程的±c%。
      其中：c為液位計(jì)的精度
5.2 檢定方法
      液位計(jì)的檢定方法一般有2種，檢定點(diǎn)的選擇應(yīng)按量程基本均布，一般應(yīng)包括上限、下限在內(nèi)不少于5個(gè)點(diǎn)。
      （1）用液位計(jì)水箱檢定裝置的檢定方法：定型鑒定（或樣機(jī)試驗(yàn)）和首次檢定及仲裁檢定時(shí)必須用此方法進(jìn)行。
      （2）用模擬液位的檢定方法：將液位計(jì)的傳感器對(duì)準(zhǔn)垂直放置的反射平板。距離大于量程的某點(diǎn)作為零點(diǎn)，逐漸靠近和離開(kāi)以模擬液位的升高和降低進(jìn)行檢定。
      在常溫、常壓的情況下，使用超聲波液位計(jì)測(cè)量液位是最佳的選擇，具有工作可靠、安裝簡(jiǎn)便、免維護(hù)等特點(diǎn)。對(duì)于粘稠的、腐蝕性的、渾濁的等各種液體的液位測(cè)量，效果最佳。正確定位和合理安裝是超聲波液位計(jì)可靠工作的前提和關(guān)鍵。一般不用在負(fù)壓場(chǎng)合，負(fù)壓情況下空氣稀薄，超聲波在稀薄的空氣中傳播，聲速會(huì)發(fā)生變化，造成測(cè)量誤差，而且聲波衰減會(huì)增大，導(dǎo)致測(cè)量量程減小甚至無(wú)法測(cè)量。