超聲波液位計在液位測量中的應用

1 測量原理
      一般把振動頻率超過20kHz的聲波稱為超聲波，屬于機械波的一種，其特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，另外方向性強，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，超聲波液位計測量液位正是利用了它的這一特征。
      超聲波液位計工作時，超聲波換能器（探頭）發(fā)出高頻脈沖聲波，遇到被測水面的表面被反射回來，折回的反射回波被換能器接收，轉換成電信號。聲波的傳播時間與換能器到被測介質表面的距離成正比。聲波傳輸距離L與聲速C和傳輸時間T的關系可用公式 （1）表示：
L=C×T/2                   （1）
超聲波液位計 在發(fā)射超聲波脈沖時，不能同時檢測反射回波。由于發(fā)射的超聲波脈沖具有一定的時間寬度，且發(fā)射完超聲波后換能器存在余振，期間不能檢測反射回波，造成探頭表面下的一小段區(qū)域內的反射波與發(fā)射波重迭，無法識別，不能正常檢測，這一段區(qū)域稱為測量盲區(qū)。盲區(qū)的大小與超聲波液位計的量程有關。
2 安裝
2.1 安裝應遵循的原則
      （1）探頭發(fā)射面到最低液位之間的距離應小于液位計的量程；
      （2）探頭發(fā)射面到最高液位之間的距離應大于液位計的盲區(qū)（安裝高度>最高液位+盲區(qū)），如圖1所示；
      （3）探頭發(fā)射面應該與被測液面保持平行，這樣聲波就可以垂直發(fā)射到被測液面，以保證最大的能量返回。

2.2 安裝要求及注意事項
      （1）一般采用法蘭或螺紋安裝方式，不建議吊裝，因為吊裝易受風的影響而產生晃動；
      （2）探頭的正下方應盡量避開進、出料口等液面有劇烈波動的位置，如圖2所示；
      （3） 由于聲束角的存在，探頭安裝時應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， 不能有障礙物，安裝時應盡量避開池內或容器內設施，如扶梯、管路、攪拌器等；
      （5）安裝地點應盡可能遠離易產生強電磁干擾的設備；
      （6）不要在同一個容器里安裝多個超聲波液位計，以避免彼此干擾而產生測量誤差；
      （7） 對于頂部為拱形的容器，液位計安裝應偏離罐頂中心位置，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，液位計應盡可能安裝在頂部中心，如圖5所示；
      （9） 當容器上有接管且接管無法縮短使得探頭發(fā)射面不能伸出容器內壁時或者探頭發(fā)射面到最高液位的距離小于盲區(qū)，導致無法正確檢測時，需加裝延伸管，延伸管應與液面垂直，內壁要光滑；
      （10）應盡量避免安裝在液面容易堆積泡沫、漂浮物或劇烈波動的地方，因為會影響回波質量，產生虛假回波，從而影響測量精度。必要時可加裝導波管，其長度至最低液位即可，應保證管內、外液體能自由、同步升降，內壁要光滑；
      （11）盡量不要使用在有水蒸汽的場合，如果有蒸汽，易形成水珠附著在探頭的表面， 對正常測量造成影響；
      （12）安裝位置應避免強震動，如安裝在輕震動區(qū)域，可安裝橡膠墊圈減振；
      （13）露天安裝時應加裝遮陽（雨）罩；
      （14）信號線應采用屏蔽電纜，且單點接地；
      （15）應在液位計的標稱環(huán)境溫度下使用。

3 溫度補償與聲速校正
      空氣中的聲速與空氣溫度的關系為V=（331.5 + 0.6t）m/s，從這個聲速的溫度補償公式可以看出，聲速受溫度影響較大。在空氣中，溫度差1℃，對聲速的影響就是0.6ｍ/s。在20℃，1標準大氣壓下，聲速約為344ｍ/s， 從而可知， 對測量誤差的影響約為0.17％，當溫度誤差超過3℃時，液位的測量誤差就超過了0.5%。所以，應測量環(huán)境溫度，以修正聲速。我們在實際應用中，應選擇有溫度補償功能的超聲波液位計，以克服環(huán)境溫度變化對液位測量帶來的影響。
4 常見故障診斷
      在液位計使用過程中出現(xiàn)故障時，可按照如下方法進行故障診斷，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，可考慮適當增加阻尼時間；
      （3）探頭表面是否被噴濺或有凝結，從而阻擋聲波的收發(fā)；
      （4）檢查液面是否堆積、漂浮泡沫，泡沫會給回波帶來不利影響；
      （5）液位是否進入盲區(qū)范圍之內；
      （6）電源電壓是否在標稱范圍之內；
      （7）液位計周圍是否有干擾源；
      （8）安裝是否合理，可參照本文第3章節(jié)的相關條款進行檢查處理。
5 超聲波液位計的檢定/校準
      目前，我國尚無專門針對超聲波液位計的檢定規(guī)程，檢定/校準工作可按照《JJG 971-2002 液位計檢定規(guī)程》中的相關條款進行。液位計的檢定周期一般不超過1年，也可根據(jù)使用環(huán)境條件、頻繁程度和重要性來確定。企業(yè)也可根據(jù)自身條件，參照國家計量檢定規(guī)程，制定企業(yè)內部相應的校準規(guī)范。
5.1 計量性能要求
      （1）示值誤差 示值的最大允許誤差為±（a%FS+b）
      其中：a為液位計的精度；FS為液位計的量程；b為液位計的分辨力
      （2）回差 超聲波液位計的回差應不超過示值最大允許誤差絕對值的二分之一。
      （3）穩(wěn)定性超聲波液位計連續(xù)工作24h， 示值誤差仍符合（1）的要求。
      （4）液位信號輸出誤差 輸出誤差應不超過輸出量程的±c%。
      其中：c為液位計的精度
5.2 檢定方法
      液位計的檢定方法一般有2種，檢定點的選擇應按量程基本均布，一般應包括上限、下限在內不少于5個點。
      （1）用液位計水箱檢定裝置的檢定方法：定型鑒定（或樣機試驗）和首次檢定及仲裁檢定時必須用此方法進行。
      （2）用模擬液位的檢定方法：將液位計的傳感器對準垂直放置的反射平板。距離大于量程的某點作為零點，逐漸靠近和離開以模擬液位的升高和降低進行檢定。
      在常溫、常壓的情況下，使用超聲波液位計測量液位是最佳的選擇，具有工作可靠、安裝簡便、免維護等特點。對于粘稠的、腐蝕性的、渾濁的等各種液體的液位測量，效果最佳。正確定位和合理安裝是超聲波液位計可靠工作的前提和關鍵。一般不用在負壓場合，負壓情況下空氣稀薄，超聲波在稀薄的空氣中傳播，聲速會發(fā)生變化，造成測量誤差，而且聲波衰減會增大，導致測量量程減小甚至無法測量。