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作者簡(jiǎn)介：柳北劍（1987—）江蘇徐州人，從事化工行業(yè)12年，曾多次參與建廠及原始開(kāi)車，實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)較為豐富，任工程師職位。

聯(lián)系方式：

概述

超聲波液位計(jì)是一種非接觸式、高可靠性、高性價(jià)比、易安裝維護(hù)的物位測(cè)量?jī)x器，它是一個(gè)可以發(fā)射能量波（一般為脈沖信號(hào)）的裝置發(fā)射能量波，能量波遇到障礙物反射，由一個(gè)接收裝置接收反射信號(hào)。根據(jù)測(cè)量能量波運(yùn)動(dòng)過(guò)程的時(shí)間差來(lái)確定物位變化情況。由電子裝置對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行處理，最終轉(zhuǎn)化成與物位相關(guān)的電信號(hào)。

超聲波液位計(jì)由三部分組成：超聲波換能器、處理單元、輸出單元。

超聲波液位計(jì)的結(jié)構(gòu)及工作原理

超聲波傳感器主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個(gè)探頭發(fā)射、一個(gè)探頭接收)等。

超聲傳感器的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)傳感器的性能是不同的

超聲波液位計(jì)工作原理：

超聲波液位計(jì)安裝于容器上部，在電子單元的控制下探頭向被測(cè)介質(zhì)發(fā)射一束超聲波脈沖。聲波被介質(zhì)表面反射，部分反射回波由探頭接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)（如4-20mA信號(hào)），從聲波發(fā)射到聲波反射回來(lái)被接收，其時(shí)間與探頭至被測(cè)介質(zhì)的距離成正比。電子單元檢測(cè)該時(shí)間，并根據(jù)已知的聲速計(jì)算被測(cè)距離，通過(guò)減法運(yùn)算就可得出物位值。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，超聲波液位計(jì)就是利用它的這一原理而工作的。由于溫度對(duì)聲速有影響，所以儀表應(yīng)測(cè)量溫度以修正聲速，也就是常說(shuō)的溫度補(bǔ)償。

超聲波液位計(jì)的的種類及應(yīng)用

按使用環(huán)境劃分，超聲波液位計(jì)可分為普通型超聲波液位計(jì)和防腐型超聲波液位計(jì)。普通型超聲波液位計(jì)換能器的材質(zhì)為PC，能應(yīng)用于大部分非強(qiáng)腐環(huán)境的測(cè)量。防腐型超聲波液位計(jì)換能器的材質(zhì)為PTFE，能應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的強(qiáng)腐蝕環(huán)境的測(cè)量，如測(cè)量硫酸、鹽酸等。

按結(jié)構(gòu)形式劃分，超聲波液位計(jì)可分為一體式和分體式兩種。一體式超聲波液位計(jì)是儀表表頭和換能器為一整體，此一體式超聲波液位計(jì)防護(hù)等級(jí)高、抗干擾能力強(qiáng)，能適應(yīng)大多數(shù)工業(yè)環(huán)境。分體式超聲波液位計(jì)是儀表表頭與換能器分開(kāi)安裝，表頭與換能器之間用導(dǎo)線連接。分體式超聲波液位計(jì)適合于不便于維護(hù)、調(diào)試等復(fù)雜的環(huán)境場(chǎng)合，并且表頭上的總線通訊和開(kāi)關(guān)量輸出等功能，可以用于變送和遠(yuǎn)傳控制。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

超聲波液位計(jì)的的單機(jī)測(cè)試

根據(jù)GB 50093-2013 《自動(dòng)化儀表工程施工及質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》12.2.11要求，儲(chǔ)罐液位計(jì)、料面計(jì)可在安裝完成后，直接模擬物位進(jìn)行校準(zhǔn)。

我們?cè)诎惭b前無(wú)需對(duì)它進(jìn)行校正，說(shuō)白了我們也想不到什么好的辦法對(duì)它進(jìn)行校正。但是在安裝前我們可以對(duì)它進(jìn)行通電測(cè)試，順便用Hart475手操器對(duì)它進(jìn)行量程、位號(hào)、單位、顯示之類的參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃。這樣做的目的可以減少后面回路測(cè)試時(shí)的工作量，還可以檢查出來(lái)這臺(tái)表在運(yùn)輸途中有沒(méi)有受到顛簸以致?lián)p壞。

工廠在建設(shè)初期，條件比較惡劣，一般采用24VDC明緯電源給儀表供電用于單機(jī)測(cè)試。這樣接線儀表回路是沒(méi)有電阻的，所以必須在回路中串入250Ω電阻，或者用可調(diào)電阻箱供給阻值，否則無(wú)法與儀表通訊（連接方式詳如下）。

接線注意事項(xiàng)：

通常情況下超聲波液位計(jì)有二線制與四線制兩種接法，左圖為二線制接法：1號(hào)端子接負(fù)極，2號(hào)端子接正極。右圖為四線制接法 ：1號(hào)端子接電源線正極，2號(hào)端子接電源正極，5號(hào)端子接顯示正極，6號(hào)端子接顯示負(fù)極。

二線制接線時(shí)注意儀表端子與電源線正負(fù)極不能接反，否則變送器無(wú)數(shù)據(jù)顯示。

四線制接線時(shí)注意電源端子與顯示端子不能接錯(cuò)，需按照順序接入儀表端子。

溫度對(duì)聲速有影響，實(shí)際上聲速不僅受溫度影響還與氣體的密度、濕度、氣壓、噪聲、空氣中的懸浮物等因素有關(guān)。因此在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中僅利用測(cè)量溫度的方法進(jìn)行補(bǔ)償還有諸多不足，且在溫度測(cè)量過(guò)程中也會(huì)存在一些誤差。因此溫度補(bǔ)償方法只適用于一般應(yīng)用，而無(wú)法滿足高精度測(cè)量。也正是因?yàn)槿绱耍谑袠I(yè)超聲波液位計(jì)通常應(yīng)用于敞口容器或水池等不需要高精度測(cè)量液位的設(shè)備上。

超聲波液位計(jì)標(biāo)定：

超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，如果能測(cè)出超聲波在空氣中的傳播時(shí)間，就能算出其傳播的距離。超聲波測(cè)量液位，就是通過(guò)測(cè)定超聲波傳播的時(shí)間間隙來(lái)測(cè)出聲波傳送的距離。

具體方法：見(jiàn)上圖。由安裝于被測(cè)容器頂部的超聲波探頭向液面發(fā)射一束超聲波，聲波被液面反射后，由探頭接收。

控制器測(cè)得傳播時(shí)間t，根據(jù)聲速v=340m/s，即可得出液面至探頭的空間距離L。探頭至容器底部距離為H，容器內(nèi)的液位高度h。

計(jì)算公式為：h=H-L其中L=v×t/2

由于溫度對(duì)聲速有影響，需測(cè)出空氣溫度T以修正聲速。

修正公式為：v=331.46×T（℃）

B為盲區(qū)，盲區(qū)是指從超聲波探頭向下開(kāi)始的一小段距離無(wú)法正常檢測(cè)反射回波，這一小段距離被稱為超聲波液位計(jì)的盲區(qū)。在這一小段距離內(nèi)無(wú)法正常檢測(cè)反射波，那是因?yàn)槌暡ㄒ何挥?jì)在發(fā)射超聲波脈沖時(shí)，不能同時(shí)檢測(cè)反射回波。而且由于發(fā)射的超聲波脈沖具有一定的時(shí)間寬度，且發(fā)射完超聲波后傳感器還有余振，期間超聲波液位計(jì)不能檢測(cè)反射回波。在測(cè)量液位時(shí)，如果被測(cè)的最高液位如進(jìn)入盲區(qū)，超聲波液位計(jì)將不能正確檢測(cè)液位實(shí)際高度，會(huì)出現(xiàn)誤差。當(dāng)碰到類似情況時(shí)，可以根據(jù)需要將液位計(jì)加高安裝，或者降低液面。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

所以超聲波液位計(jì)量程為：0～（H-B）

超聲波液位計(jì)的應(yīng)用注意以下幾點(diǎn)：

1、超聲波液位計(jì)的盲區(qū)，當(dāng)拿到超聲波液位計(jì)時(shí)，首先查看一下儀表的盲區(qū)，他和超聲波液位計(jì)的安裝高度有著密切的關(guān)系，安裝高度必須滿足：最高液位時(shí)的液位面距離液位計(jì)的距離應(yīng)大于盲區(qū)值。

2、超聲波液位計(jì)有測(cè)量距離的功能，它是檢查測(cè)量功能是否正常的重要依據(jù)，測(cè)量距離功能完好，說(shuō)明該液位計(jì)完好。其次根據(jù)超聲波液位計(jì)的量程(更確切的說(shuō)應(yīng)該是測(cè)量距離的能力，即發(fā)射功率，量程只是和輸出信號(hào)有關(guān)的一個(gè)電參數(shù))比如：儀表測(cè)量距離能力是5米，當(dāng)發(fā)射平面(液面)離開(kāi)超聲波液位計(jì)發(fā)射口的距離是5米加盲區(qū)的值時(shí)，測(cè)得距離應(yīng)該等于實(shí)際距離，說(shuō)明儀表完好。這就是安裝設(shè)置時(shí)為什么要求在低水位時(shí)進(jìn)行，在高液位設(shè)置完好，不一定在低液位運(yùn)行正常，所以，安裝設(shè)置必須在低液位時(shí)進(jìn)行，這樣才能夠保證液位在任何狀態(tài)下工作正常。 　　

3、注意測(cè)量周圍環(huán)境，比如：儲(chǔ)存罐內(nèi)是否有梯子，管道，以及管壁是否有小臺(tái)階(很不平整現(xiàn)象)等等，有必要時(shí)可以起用虛假目標(biāo)學(xué)習(xí)(或稱為遇阻學(xué)習(xí))功能，以便儀表識(shí)別該假目標(biāo)?！?/p>

4、如果儀表用在寒冷的北方，可以選配附加嚴(yán)寒自適應(yīng)功能，可以在-40°不死機(jī)。

5、在真空狀態(tài)下不能測(cè)量，因?yàn)槁曇粼谡婵罩胁荒軅鞑?因?yàn)槁曇舻膫鞑バ枰橘|(zhì),真空中沒(méi)有介質(zhì),聲音是機(jī)械波，機(jī)械波是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的。而機(jī)械波的傳播要靠介質(zhì)如：空氣，水等等。

6、不可在超低溫工況下測(cè)量。

7、測(cè)量介質(zhì)霧化，影響其測(cè)量的準(zhǔn)確性。

8、氣體流動(dòng)影響其測(cè)量。

9、工況壓力必須低于3Kg/Cm2。

10、儲(chǔ)槽內(nèi)如有泡沫現(xiàn)象，會(huì)造成測(cè)量誤差。

同一設(shè)備裝兩臺(tái)超聲波液位計(jì)的應(yīng)用

在復(fù)雜工況下，安裝一臺(tái)以上的超聲波液位計(jì)測(cè)量液位的情況時(shí)有發(fā)生。譬如在測(cè)量一些容量較大的液體儲(chǔ)罐時(shí)，一臺(tái)超聲波液位計(jì)的測(cè)量范圍可能不足以覆蓋整個(gè)液面從而出現(xiàn)部分盲區(qū)，這時(shí)就需要安裝兩臺(tái)超聲波液位計(jì)才能達(dá)到最佳的測(cè)量效果。那么，兩臺(tái)超聲波液位計(jì)同時(shí)使用，是否會(huì)形成相互干擾呢？其實(shí)，只要按照要求正確安裝，相互干擾的現(xiàn)象是完全可以避免的。

在安裝這兩臺(tái)超聲波液位計(jì)時(shí)我們需要做到以下幾點(diǎn)：

1、換能器發(fā)射脈沖超聲波時(shí)，都有一定的發(fā)射開(kāi)角，從換能器下沿到被測(cè)介質(zhì)表面之間，由發(fā)射時(shí)超聲波波束所輻射的區(qū)域內(nèi)，盡可能沒(méi)有障礙物，因此安裝時(shí)應(yīng)盡可能避開(kāi)罐內(nèi)設(shè)施，如果有障礙物干擾情況下，安裝時(shí)需要進(jìn)行"虛假回波存儲(chǔ)"。

2、最高料位點(diǎn)不得進(jìn)入超聲波液位計(jì)的盲區(qū)，儀表距罐壁必須保持一定的距離，儀表的安裝盡可能使換能器的發(fā)射方向與液面垂直，安裝在防爆區(qū)域內(nèi)的儀表必須遵守國(guó)家防爆危險(xiǎn)區(qū)的安裝規(guī)定，且儀表可安裝在有防爆要求的場(chǎng)合，儀表必須接地。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

3、超聲波液位計(jì)的探頭發(fā)波打到液位后反射回探頭，探頭接收到后計(jì)算發(fā)波到收波的時(shí)間，得到測(cè)量距離L，儀表安裝高度TH減去測(cè)量距離L將得到當(dāng)前液位H。

4、儀表量程指儀表能夠測(cè)量的距離，安裝高度TH應(yīng)小于量程，儀表盲區(qū)指儀表在探頭附近無(wú)法測(cè)量的區(qū)域，最高液位與探頭間距應(yīng)大于盲區(qū)，例盲區(qū)為0.3m，則最高液位與探頭間距必須大于0.3m。探頭發(fā)波是個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，即有方向角，安裝的時(shí)候要注意，否則可能打到池壁的凸起物或渠道邊沿。

5、超聲波液位計(jì)雖然自身帶有防雷器件，但儀表在多雷地區(qū)使用時(shí)，建議在儀表的進(jìn)出線端另外安裝專用的防雷裝置。

6、在特別炎熱/寒冷的地方使用，即周圍環(huán)境溫度有可能超出儀表的工作要求時(shí)，建議在超聲波液位計(jì)周圍加設(shè)防高、低溫裝置。

7、若探頭發(fā)射面到最高液位的距離小于選購(gòu)儀表的盲區(qū)，需加裝延伸管，管徑大于120mm，長(zhǎng)度0.35m～0.50m，垂直安裝，內(nèi)壁光滑，罐上開(kāi)孔應(yīng)大于延伸管內(nèi)徑。 或者將管子通至罐底，管徑大于80mm，管底留孔保持延伸管內(nèi)液面與罐內(nèi)等高。

案例1：

大個(gè)是新來(lái)公司的儀表工，二狗帶著他學(xué)習(xí)了半年左右，簡(jiǎn)單的儀表維護(hù)及維修工作可以輕松搞定。某天接到分廠地下廢水槽的改造任務(wù)：給廢水槽新安裝一個(gè)超聲波液位計(jì)，大個(gè)與其他幾個(gè)同仁協(xié)同作業(yè)下，完成了安裝任務(wù)并且調(diào)試正常。我對(duì)他們的動(dòng)手能力和時(shí)效性還是比較滿意的。但是第二天一早接到分廠的電話：說(shuō)新安裝的超聲波液位計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)確，需要儀控專業(yè)再次確認(rèn)。我正好當(dāng)天沒(méi)其他工作，帶著大個(gè)一起奔分廠而去。

至現(xiàn)場(chǎng)后我發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題如下：

1、 廢水槽帶攪拌器。

2、 廢水槽液位波動(dòng)較大。

3、 廢水槽內(nèi)有大量泡沫

結(jié)論：

超聲波液位計(jì)測(cè)量距離，是指平靜的水面。比如5米量程的超聲波液位計(jì)，通常是指測(cè)量平靜的水面最大距離是5米，實(shí)際出廠會(huì)做到6米。遇到容器里面有攪拌的情況下，水面不是平靜的，反射信號(hào)會(huì)減弱到正常信號(hào)的一半以下。泡沫也會(huì)吸收超聲波，導(dǎo)致回波信號(hào)非常弱。因此當(dāng)液體表面40-50%以上面積覆蓋了泡沫，超聲波液位計(jì)發(fā)射的信號(hào)就被會(huì)吸收絕大部分，造成液位計(jì)接收不到反射的信號(hào)。這個(gè)跟泡沫的厚度沒(méi)有太大關(guān)系，主要跟泡沫的覆蓋面積有關(guān)。

解決辦法如下：

1、更換為雷達(dá)波液位計(jì)，并增加導(dǎo)波管，雷達(dá)液位計(jì)對(duì)5厘米以內(nèi)的泡沫都可以穿透，另外導(dǎo)波管內(nèi)的液面基本是平穩(wěn)的。

2.如果不換超聲波液位計(jì)，而且液體無(wú)粘性，還可以安裝導(dǎo)波管，把超聲波液位計(jì)探頭放在導(dǎo)波管內(nèi)測(cè)量液位高度。

因?yàn)榉桨?周期較長(zhǎng)，為了使廢水槽盡早投運(yùn)我們選擇了方案2，后續(xù)廢水槽的液位實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的測(cè)量。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

案例2：

某天接到調(diào)度電話：某蒸汽冷凝水回收槽超聲波液位計(jì)測(cè)量不準(zhǔn)確，請(qǐng)儀控專業(yè)派員處理。因?yàn)榇髠€(gè)有了上次調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，我點(diǎn)名讓大個(gè)去處理。大個(gè)屁顛屁顛跑至現(xiàn)場(chǎng)，用了大概一上午的時(shí)間處理好了，并向我匯報(bào)戰(zhàn)況。

結(jié)論：

現(xiàn)場(chǎng)冷凝水回收槽內(nèi)溫度比較高，并且有大量蒸汽產(chǎn)生，影響超聲波液位計(jì)測(cè)量。水在30-40度以下通常不會(huì)產(chǎn)生蒸汽和霧氣，超過(guò)這個(gè)溫度容易產(chǎn)生蒸汽或霧氣，超聲波液位計(jì)發(fā)射的超聲波在發(fā)射過(guò)程中穿過(guò)蒸汽會(huì)衰減一次，從液面反射回來(lái)的時(shí)候又要衰減一次，造成最后回到探頭的超聲波信號(hào)很弱，所以測(cè)量不到。而且在這種環(huán)境下，超聲波液位計(jì)探頭容易結(jié)水珠，水珠會(huì)阻礙超聲波的發(fā)射和接收。

解決辦法如下：

1、把量程加大，實(shí)際水槽高度是3米，要選擇6米-9米的超聲波液位計(jì)?？梢詼p少或削弱蒸汽或者霧氣對(duì)測(cè)量的影響。

2、探頭要用聚四氟乙烯或者PVDF做，做成物理密封型的，這樣的探頭發(fā)射面上不容易凝結(jié)水珠。其他材質(zhì)的發(fā)射面，水珠都比較容易凝結(jié)。

以上2種辦法都不具備條件，大個(gè)是用了什么辦法解決的呢？

大個(gè)說(shuō)：他來(lái)公司半年時(shí)間了，但是他家一直住在工廠旁，對(duì)當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r比較了解。一年只刮一場(chǎng)東風(fēng)，從年初刮到年尾。而這臺(tái)超聲波液位計(jì)裝在水池的西側(cè)，正好位于下風(fēng)口蒸汽都吹到超聲波液位計(jì)那了，所以無(wú)法測(cè)量準(zhǔn)確。因此他把超聲波液位計(jì)更換了個(gè)位置，挪動(dòng)至沒(méi)有蒸汽干擾的上風(fēng)口，重新標(biāo)定后就測(cè)量準(zhǔn)確了。這也算是大個(gè)的獨(dú)創(chuàng)了吧！