超聲波液位計(jì)在石灰石漿液測(cè)量中的問(wèn)題及處理

超聲波液位計(jì)是一種非接觸式液位測(cè)量?jī)x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(shí),又被反射回來(lái)由探頭接收。根據(jù)脈沖從發(fā)出到接收的時(shí)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(jiǎn)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(chǎng)均可實(shí)時(shí)觀測(cè)液位，被廣泛用于各種液體高度的測(cè)量。盡管如此，超聲波液位計(jì)在安裝和使用時(shí)，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(cè)量石灰石漿液的這一典型案例，就充分說(shuō)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(cè)量中的重要性。

一、現(xiàn)場(chǎng)概況

北方某國(guó)有大型化工企業(yè)，于今年5月份向計(jì)為自動(dòng)化購(gòu)買了一批Uson-11超聲波液位計(jì)，用于測(cè)量和監(jiān)控污水水位和石灰石漿液的液位。在使用過(guò)程中，用于測(cè)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(cè)量。而另外2臺(tái)測(cè)量石灰石漿液的超聲波液位計(jì)卻出現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)大、測(cè)量數(shù)據(jù)與實(shí)際液面高度不符等情形，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量。

接到用戶反饋后，計(jì)為自動(dòng)化馬上安排技術(shù)工程師去現(xiàn)場(chǎng)提供技術(shù)支持。在現(xiàn)場(chǎng)，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(wèn)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(wú)法準(zhǔn)確測(cè)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(shí)，由于發(fā)出角的影響,能量回收易受干擾，從而影響測(cè)量。

2．現(xiàn)場(chǎng)有攪拌裝置

在一些帶攪拌或者較為動(dòng)態(tài)的液位環(huán)境中（比如流體液位測(cè)量等），由于液位呈動(dòng)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(cè)量精度大為降低。

3．超聲波液位計(jì)沒(méi)有安裝防護(hù)擋箱

超聲波液位計(jì)液位測(cè)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(shí)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(cè)量液位，需要知道超聲波在空氣中的傳播速度，可以說(shuō)對(duì)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(cè)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(wú)遮擋的室外環(huán)境，太陽(yáng)光的暴曬照射會(huì)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(huì)像探頭一般持續(xù)升溫，最終探頭里的傳感器所測(cè)溫度與環(huán)境的溫度差異較大，影響測(cè)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(huì)導(dǎo)致聲音速度的變化，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量出現(xiàn)誤差。針對(duì)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(shí)測(cè)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(lái)了，解決方案相應(yīng)也就有了。針對(duì)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(duì)準(zhǔn)波動(dòng)較小的液面，使得超聲波液位計(jì)能量回收不受液面波動(dòng)的干擾，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)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(chǔ)罐外，一種安裝于儲(chǔ)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(yáng)暴曬和雨淋，降低溫度變化對(duì)聲速的影響，使測(cè)量更精準(zhǔn)。

圖二 現(xiàn)場(chǎng)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(wèn)題再未出現(xiàn)，用戶應(yīng)用中存在的問(wèn)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(jí)。計(jì)為自動(dòng)化針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)普遍存在現(xiàn)場(chǎng)波動(dòng)大的情況，在硬件和軟件上對(duì)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(shí)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?hào)濾波電路，以過(guò)濾掉液位測(cè)量時(shí)超聲波信號(hào)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(cè)量精度高。

3．密封性好。整機(jī)防護(hù)等級(jí)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。

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。