超聲波液位計(jì)在石灰石漿液測量中的問題及處理

超聲波液位計(jì)是一種非接觸式液位測量儀表，超聲波液位計(jì)的探頭又稱換能器，是超聲波液位計(jì)最重要的部件。超聲波液位計(jì)的超聲波脈沖從探頭發(fā)出，當(dāng)脈沖接觸到介質(zhì)界面時,又被反射回來由探頭接收。根據(jù)脈沖從發(fā)出到接收的時間以及在介質(zhì)中傳播的聲速，即可以求得探頭到介質(zhì)間的距離，從而確定出液體所在的位置。超聲波液位計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝、調(diào)試方便，維護(hù)工作量小的優(yōu)點(diǎn)，在控制室和現(xiàn)場均可實(shí)時觀測液位，被廣泛用于各種液體高度的測量。盡管如此，超聲波液位計(jì)在安裝和使用時，仍有許多需要注意的地方。下文介紹的超聲波液位計(jì)用于測量石灰石漿液的這一典型案例，就充分說明了超聲波液位計(jì)安裝位置和安裝方式這些細(xì)節(jié)在液位測量中的重要性。

一、現(xiàn)場概況

北方某國有大型化工企業(yè)，于今年5月份向計(jì)為自動化購買了一批Uson-11超聲波液位計(jì)，用于測量和監(jiān)控污水水位和石灰石漿液的液位。在使用過程中，用于測量污水水位的超聲波液位計(jì)各項(xiàng)指標(biāo)都非常正常，能夠準(zhǔn)確可靠地測量。而另外2臺測量石灰石漿液的超聲波液位計(jì)卻出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動大、測量數(shù)據(jù)與實(shí)際液面高度不符等情形，無法準(zhǔn)確測量。

接到用戶反饋后，計(jì)為自動化馬上安排技術(shù)工程師去現(xiàn)場提供技術(shù)支持。在現(xiàn)場，計(jì)為工程師看到了與客戶描述完全一樣的情況，但憑借豐富的經(jīng)驗(yàn)，工程師發(fā)現(xiàn)問題并非產(chǎn)品質(zhì)量導(dǎo)致，那究竟是什么原因呢？

二、原因分析

經(jīng)計(jì)為工程師分析，導(dǎo)致超聲波液位計(jì)無法準(zhǔn)確測量石灰石漿液的原因主要有如下三點(diǎn)：

1、超聲波液位計(jì)安裝位置離罐壁太近

超聲波液位計(jì)探頭發(fā)出角為8～12°。當(dāng)安裝位置距離罐壁較近時，由于發(fā)出角的影響,能量回收易受干擾，從而影響測量。

2、現(xiàn)場有攪拌裝置

在一些帶攪拌或者較為動態(tài)的液位環(huán)境中（比如流體液位測量等），由于液位呈動態(tài)起伏和不確定性變化，使得超聲波液位計(jì)能量回收受到干擾，從而導(dǎo)致超聲波液位計(jì)的測量精度大為降低。

3、超聲波液位計(jì)沒有安裝防護(hù)擋箱

超聲波液位計(jì)液位測量的計(jì)算公式為S=C×T/2，該公式體現(xiàn)了距離值S與聲速C和傳輸時間T之間的關(guān)系。根據(jù)該公式，要利用超聲波液位計(jì)測量液位，需要知道超聲波在空氣中的傳播速度，可以說對超聲波傳播速度取值的精確程度將極大地影響超聲波液位計(jì)的測量精度，公式如下：

c＝（331.45＋0.61t/℃）m/s

超聲波液位計(jì)的溫度傳感器作為探頭的一部分被保護(hù)材料密閉的封裝在探頭里，溫度是影響聲速的主要因素。如果將超聲波液位計(jì)安裝在無遮擋的室外環(huán)境，太陽光的暴曬照射會使超聲波液位計(jì)的殼體、探頭持續(xù)升溫，而環(huán)境溫度并不會像探頭一般持續(xù)升溫，最終探頭里的傳感器所測溫度與環(huán)境的溫度差異較大，影響測量精度。

北方夏天干燥炎熱，冬天極度嚴(yán)寒，如果超聲波液位計(jì)被置于戶外，變化劇烈的溫度會導(dǎo)致聲音速度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致測量出現(xiàn)誤差。針對這種情況，為超聲波液位計(jì)安裝防護(hù)擋箱，避免溫度急劇變化，并在超聲波液位計(jì)上安裝溫度傳感器實(shí)時測量溫度，利用溫度與聲速的關(guān)系，換算出聲速值。

計(jì)為超聲波液位計(jì)

三、解決方案

原因找出來了，解決方案相應(yīng)也就有了。針對上述原因，具體解決措施如下：

1、安裝位置應(yīng)距離罐壁60cm處

由于用戶選擇的是量程為10米的超聲波液位計(jì)，超聲波液位計(jì)探頭的發(fā)出角為10°，綜合考慮，安裝位置應(yīng)以距離罐壁60cm處為宜。

2、安裝導(dǎo)波管

安裝導(dǎo)波管，使得超聲波液位計(jì)發(fā)出的超聲波脈沖遠(yuǎn)離攪拌半徑范圍，對準(zhǔn)波動較小的液面，使得超聲波液位計(jì)能量回收不受液面波動的干擾，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量。

在實(shí)際應(yīng)用中，一般有圖一所示2種安裝方式，一種安裝于儲罐外，一種安裝于儲罐內(nèi)，通常導(dǎo)波管直徑需要100mm以上。

圖一、導(dǎo)波管安裝示意圖

3、安裝防護(hù)罩

為儀表安裝防護(hù)罩，使得超聲波液位計(jì)免受太陽暴曬和雨淋，降低溫度變化對聲速的影響，使測量更精準(zhǔn)。

圖二、現(xiàn)場安裝圖

根據(jù)上述解決方案，超聲波液位計(jì)經(jīng)重新安裝后，以前出現(xiàn)的問題再未出現(xiàn)，用戶應(yīng)用中存在的問題得到了圓滿解決。

四、計(jì)為超聲波液位計(jì)的特點(diǎn)

1、軟件、硬件升級。計(jì)為自動化針對工業(yè)現(xiàn)場普遍存在現(xiàn)場波動大的情況，在硬件和軟件上對儀表的魯棒性（魯棒性大致相當(dāng)于穩(wěn)定性）進(jìn)行提高。軟件方面，加入延時平均算法可使儀表更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的工況；硬件方面，采取高效嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男盘枮V波電路，以過濾掉液位測量時超聲波信號接觸液面而產(chǎn)生的次波和雜波。

2、帶溫度補(bǔ)償功能，可在溫差較大的環(huán)境下使用，適應(yīng)性強(qiáng)，測量精度高。

3、密封性好。整機(jī)防護(hù)等級高達(dá)IP66/IP67；

4、具有RS-485通訊接口，采用特殊回波處理方式，有效避免虛假回波。

計(jì)為隔爆型超聲波液位計(jì)批量生產(chǎn)中

深圳計(jì)為研發(fā)生產(chǎn)的超聲波液位計(jì)以其高精度、高可靠性的質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)服務(wù)，深受用戶青睞，廣泛用于不同工業(yè)環(huán)境、智慧城市、污水處理中。