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超聲波物位檢測(cè)儀的原理及應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2011-03-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
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(cè)和控制,物料物位檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量精度、可靠性和連續(xù)性要求也越來越高。超聲波物位測(cè)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(zhǎng)、性價(jià)比高等優(yōu)勢(shì)在國(guó)內(nèi)外得到越來越廣泛的應(yīng)用。

二、超聲波測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)度,碰到雜質(zhì)或界面就會(huì)有顯著的反射,超聲波測(cè)量物位就是利用了它的這一特征。

在超聲波檢測(cè)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(cè)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(cè)部分檢測(cè)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(cè)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(cè)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。

佳工機(jī)電網(wǎng)

三、特點(diǎn)和選型

目前,國(guó)內(nèi)外許多公司生產(chǎn)各種類型的超聲波物位檢測(cè)儀,現(xiàn)結(jié)合妙聲力公司生產(chǎn)的Minirangerplus型超聲波物位檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量范圍下該液位計(jì)D值要求最小, 測(cè)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(cè)量的應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)合仍能可靠工作并提供穩(wěn)定讀數(shù);

5.安裝簡(jiǎn)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(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠的重要條件。

1.最大測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量范圍為15米;細(xì)格柵廊道深2米,選用了最大測(cè)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(cè)量物位是基于被測(cè)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(cè)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(cè)量結(jié)果,為適應(yīng)不同的測(cè)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(cè)量值,Minirangerplus通過比較輸入的實(shí)際測(cè)量值(距離)與其本身超聲測(cè)量值(時(shí)間)計(jì)算聲速,并采用此聲速進(jìn)行后續(xù)測(cè)量。

四、換能器的安裝

檢測(cè)儀表能否獲得準(zhǔn)確的測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量可靠,測(cè)量對(duì)象的最高物位應(yīng)該在盲區(qū)之外;

3.測(cè)量?jī)?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(cè)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(cè)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(cè)量原理,從理論上講,它適用于各種工藝過程中的物位測(cè)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(cè)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(cè)量方式不適合遠(yuǎn)距離測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)測(cè)量要求和工況選擇合適的儀表,以達(dá)到最佳測(cè)量效果。


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