超声波液位计在液位测量中的应用

超声波液位计在液位测量中的应用

1 测量原理
      一般把振动频率超过20kHz的声波称为超声波，属于机械波的一种，其特征是频率高、波长短、绕射现象小，另外方向性强，能够成为射线而定向传播。超声波在液体中的衰减很小，因而穿透能力强，超声波液位计测量液位正是利用了它的这一特征。
      超声波液位计工作时，超声波换能器（探头）发出高频脉冲声波，遇到被测水面的表面被反射回来，折回的反射回波被换能器接收，转换成电信号。声波的传播时间与换能器到被测介质表面的距离成正比。声波传输距离L与声速C和传输时间T的关系可用公式 （1）表示：
L=C×T/2                   （1）
超声波液位计 在发射超声波脉冲时，不能同时检测反射回波。由于发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度，且发射完超声波后换能器存在余振，期间不能检测反射回波，造成探头表面下的一小段区域内的反射波与发射波重迭，无法识别，不能正常检测，这一段区域称为测量盲区。盲区的大小与超声波液位计的量程有关。
2 安装
2.1 安装应遵循的原则
      （1）探头发射面到最低液位之间的距离应小于液位计的量程；
      （2）探头发射面到最高液位之间的距离应大于液位计的盲区（安装高度>最高液位+盲区），如图1所示；
      （3）探头发射面应该与被测液面保持平行，这样声波就可以垂直发射到被测液面，以保证最大的能量返回。

2.2 安装要求及注意事项
      （1）一般采用法兰或螺纹安装方式，不建议吊装，因为吊装易受风的影响而产生晃动；
      （2）探头的正下方应尽量避开进、出料口等液面有剧烈波动的位置，如图2所示；
      （3） 由于声束角的存在，探头安装时应与器壁或池壁保持一定的间距，如图3所示；
      （4）超声波波束所辐射的范围内， 不能有障碍物，安装时应尽量避开池内或容器内设施，如扶梯、管路、搅拌器等；
      （5）安装地点应尽可能远离易产生强电磁干扰的设备；
      （6）不要在同一个容器里安装多个超声波液位计，以避免彼此干扰而产生测量误差；
      （7） 对于顶部为拱形的容器，液位计安装应偏离罐顶中心位置，以避免形成多次反射回波，如图4所示；
      （8） 顶部为平面的锥形容器，液位计应尽可能安装在顶部中心，如图5所示；
      （9） 当容器上有接管且接管无法缩短使得探头发射面不能伸出容器内壁时或者探头发射面到最高液位的距离小于盲区，导致无法正确检测时，需加装延伸管，延伸管应与液面垂直，内壁要光滑；
      （10）应尽量避免安装在液面容易堆积泡沫、漂浮物或剧烈波动的地方，因为会影响回波质量，产生虚假回波，从而影响测量精度。必要时可加装导波管，其长度至最低液位即可，应保证管内、外液体能自由、同步升降，内壁要光滑；
      （11）尽量不要使用在有水蒸汽的场合，如果有蒸汽，易形成水珠附着在探头的表面， 对正常测量造成影响；
      （12）安装位置应避免强震动，如安装在轻震动区域，可安装橡胶垫圈减振；
      （13）露天安装时应加装遮阳（雨）罩；
      （14）信号线应采用屏蔽电缆，且单点接地；
      （15）应在液位计的标称环境温度下使用。

3 温度补偿与声速校正
      空气中的声速与空气温度的关系为V=（331.5 + 0.6t）m/s，从这个声速的温度补偿公式可以看出，声速受温度影响较大。在空气中，温度差1℃，对声速的影响就是0.6ｍ/s。在20℃，1标准大气压下，声速约为344ｍ/s， 从而可知， 对测量误差的影响约为0.17％，当温度误差超过3℃时，液位的测量误差就超过了0.5%。所以，应测量环境温度，以修正声速。我们在实际应用中，应选择有温度补偿功能的超声波液位计，以克服环境温度变化对液位测量带来的影响。
4 常见故障诊断
      在液位计使用过程中出现故障时，可按照如下方法进行故障诊断，以便快速正确地处理：
      （1）检查线路连接是否正确；
      （2）如液面剧烈波动，可考虑适当增加阻尼时间；
      （3）探头表面是否被喷溅或有凝结，从而阻挡声波的收发；
      （4）检查液面是否堆积、漂浮泡沫，泡沫会给回波带来不利影响；
      （5）液位是否进入盲区范围之内；
      （6）电源电压是否在标称范围之内；
      （7）液位计周围是否有干扰源；
      （8）安装是否合理，可参照本文第3章节的相关条款进行检查处理。
5 超声波液位计的检定/校准
      目前，我国尚无专门针对超声波液位计的检定规程，检定/校准工作可按照《JJG 971-2002 液位计检定规程》中的相关条款进行。液位计的检定周期一般不超过1年，也可根据使用环境条件、频繁程度和重要性来确定。企业也可根据自身条件，参照国家计量检定规程，制定企业内部相应的校准规范。
5.1 计量性能要求
      （1）示值误差 示值的最大允许误差为±（a%FS+b）
      其中：a为液位计的精度；FS为液位计的量程；b为液位计的分辨力
      （2）回差 超声波液位计的回差应不超过示值最大允许误差绝对值的二分之一。
      （3）稳定性超声波液位计连续工作24h， 示值误差仍符合（1）的要求。
      （4）液位信号输出误差 输出误差应不超过输出量程的±c%。
      其中：c为液位计的精度
5.2 检定方法
      液位计的检定方法一般有2种，检定点的选择应按量程基本均布，一般应包括上限、下限在内不少于5个点。
      （1）用液位计水箱检定装置的检定方法：定型鉴定（或样机试验）和首次检定及仲裁检定时必须用此方法进行。
      （2）用模拟液位的检定方法：将液位计的传感器对准垂直放置的反射平板。距离大于量程的某点作为零点，逐渐靠近和离开以模拟液位的升高和降低进行检定。
      在常温、常压的情况下，使用超声波液位计测量液位是最佳的选择，具有工作可靠、安装简便、免维护等特点。对于粘稠的、腐蚀性的、浑浊的等各种液体的液位测量，效果最佳。正确定位和合理安装是超声波液位计可靠工作的前提和关键。一般不用在负压场合，负压情况下空气稀薄，超声波在稀薄的空气中传播，声速会发生变化，造成测量误差，而且声波衰减会增大，导致测量量程减小甚至无法测量。