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超声波液位计在测量中的故障分析
点击次数:453 发布时间:2015-09-15

 超声波液位计是由微处理器控制的数字物位仪表。在测量中脉冲超声波由传感器(换能器)发出声波,经物体表面反射后被同一传感器接收,转换成电信号,并由声波的发射和接收之间的时间来计算传感器到被测物体的距离。 无机械可动部分, 可靠性高。
安装简单、方便,属于非接触测量,且不受液体的粘度、密度等影响。但精度比较低,测试容易有盲区,不可以测量压力容器,不能测量易挥发性介质。但使用中性能可靠,维护量小,值得向大家推荐。
1 超声波液位计的测量原理
超声波液位计能测量液位是基于超声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波,随着频率的增加,其方向性就愈强,在介质中的愈大。超声波遇到不同物质的界面时,会产生反射与折射。超声波液位计就是利用超声波遇到不同物质的界面产生反射,通过测量回声距离的原理进行测量的。
也就是说超声波液位计的工作原理,是根据超声波的发射和接收来实现的。超声波在空气中传输的速度是一定的,超声波发射出去, 然后接收液面或物面反射回来的波,控制从发射开始计时,到接收到回波结束。超声波在空气中传输的时间就定了。距离L= 速度 S* 时间 T,因为是一个来回,那实际距离就是距离 L 的一半。池子的深度或罐体的高度是一定的。那实际液位就是池子的深度减去超声波测量的距离,就是液位或物位的高度了。由此,就实现了超声波测量液位或者物位了。
由于超声波可以在不同的介质中传播,所以超声波液位计可分为气体式、液体式和固体式三种。
而我们常用的zui多是气体式,并且是单探头的超声波液位计, (本文如不作说明,液位计是指气体式单探头超声波液位计)其测量距离可表示为:
L=1/2(C *T)
式中 C --- 超声波在介质中(气体介质)的传播速度
L--- 超声波经过的传播距离
T--- 超声波一次来回经过的时间
上式中,如果超声波在介质中的传播速度C 已知道, 通过测量超声波传播时间T,就可准确测量液位高度,由于单探头液位计测量简单,安装方便,维护工作量小,可以直接测出距离L, 所以在工程中使用较广泛。
但有时被测传播介质较复杂,或测量距离较远时,可采用双探头测量方式,这种方式这里不再论述。
2 测量中常见的问题分析
2. 1 超声波传播速度 C 引起的测量不准
由于超声波在不同介质中传播速度 C不同,如 0℃时,空气中声波传播速度约为331m /s,在水蒸气中为 403m /s,且随着压力和温度变化,传播速度 C 也变化,当温度为 0℃,空气中声波传播速度约为 331m /s;当温度为 100℃,空气中声波传播速度增加为 387m /s,并且测量探头越接近液面传播速度 C 变化越显著,这样由于传播速度 C 的变化和不确定就产生测量误差,甚至造成测量的不准确,因此必须通过物理标定或采用压力、温度补偿等办法来减少测量中的误差和不准确性,现在也有许多测量探头带有压力、温度补偿部分,这些参数都是实时测量,当压力和温度稳定时,也可以直接通过整定压力和温度值到当前值,进行压力和温度补偿。
2. 2 由于电源电压波动引起的测量不准
对于单探头的测量装置,同一测量探头既做发射器又做接收器,那么在发射超声波时,当探头上加了较高的激励电压,会使盲区距离加大,使测量的范围产生变化,有可能超出测量的范围;当探头上电压过低,由于测量距离较远,可能接受不到回返的信号,这样本来能正常工作,现在不能正常工作,或产生测量错误,这时需要调整电源电压到额定值,使探头正常工作。
2. 3 所选测量的量程不合适
由于盲区距离的存在及超声波在传播过程中会产生衰减,因此利用超声波测量液位有一定的测量范围,不是无限制的,所以应选择合适的探头及工作方式。
2. 4 测量传播介质引起的故障
在测量中,传播介质中含有较大的液滴颗粒时(本论述是对气体测量方式而言,液体式测量方式与固体式测量方式,传播介质中含有其他杂质,与气体式产生结果基本一样,只有稍微不同,这里不再多述),当超声波遇到这些液滴时会产生散射和反射,这些液滴也会吸收超声波,造成超声波的衰减,从而造成测量错误、虚假测量或者测量探头无法工作, 这种现象在我国的北方地区,尤其是冬天更是常见。当这些液滴附到测量探头表面时,危害更大,一方面会使测量探头不能工作,另一方面时间过长液滴可能会腐蚀探头表面,使测量探头永远不可用,因此应及时通过通风和擦拭, 并加装过滤装置,对测量探头加装保护罩。当液滴颗粒较小且没有附到探头表面时,也可以采用大功率的探头或双探头测量方式解决。
2. 5 测量液位液面引起的故障
当被测液位液面附有其他杂质或液面很不平时,超声波遇到漫反射或波束反射到其他方向,而回到测量探头的超声波很少,超出测量探头灵敏度范围,这样测量探头测不到波束,不能反映,无法正常工作,这时应在测量探头的下方放置铁丝围井等方式。
2. 6 安装方式引起的故障
超声波液位计是有盲区的,如同人的眼睛一样,盲区是当物体离眼睛非常近的时候, 反而看不清楚了, 这一段距离就叫盲区。超声波液位计的盲区,根据量程的不同,盲区也不同。量程小,则盲区小,量程大,则盲区大。但一般都在 30cm -50cm 之间。所以一般在安装超声波液位计的时候盲区一定是要考虑进去的。超声波测量探头应垂直安装到合适的
位置,当安装倾斜时,测量探头发出的超声波束就会反射到其他方向,测量探头的收不到超声波束,不能正常工作,所以应校正重新安装,当测量探头距液面过近或过远时,也影响测量,所以测量探头应安装到距液面合适的位置,使液面高度变化范围在测量探头的测量范围内, 液面zui高应在盲区距离外。
在特殊场合,会要求盲区很小,这个时候可以考虑小盲区超声波液位计,其盲区一般只有 4 ~ 6cm 。但其量程很小,只有0. 6m 。在很多液位测量的领域,因为空间的限制,安装条件的限制,需要盲区很小的超声波液位计。
3 其他
由于测量探头发射的功率大,测量探头也有一定的使用寿命,通过测量探头输出的电压或电流变化来判断其好坏。现在测量技术智能仪表被广泛应用,超声波液位计测量大多与智能变送器配套使用,但由于现场环境的复杂,可能造成智能仪表的损坏及整定参数的丢失, 以致测量系统不能正常工作,这时更换变送器或重新整定测量系统工作参数。

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