超声波液位计工作原理;超声波液位计的主要原理;超声波液位差计原理及作用;

超声波液位计工作原理;超声波液位计的主要原理;超声波液位差计原理及作用;

超声波液位计是一台博采众长，吸取了国内多种物位仪优点，实现了全数字化、人性化设计理念的通用型物位仪，具有完善的液/物位测控功能，超声波液位计主芯片采用进口工业级单片机，数字温度补偿和宽电压输入稳压等，相关专用集成电路，超声波液位计具有抗干扰性强，可任意设置上下限节点及在线输出调节，并带有现场显示，由于为非接触式检测方式，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高湿、腐蚀气体等恶劣环境，具有高可靠，无污染，性能稳定，价格低廉等特点，因此可广泛应用于与物体，料位，液位测控相关的各个领域。

工作原理：

超声波液位计工作原理如图所示，超声波液位计一般采用收发合一的陶瓷超声波换能器，声波的发射和接收都由同一个探头完成，探头向被测液面发射超声波信号，超声波由探头经传播介质传播至被测液面，在液面上形成反射，反射波沿原路径传播至探头，被探头接收。

主要特点：

 ·电路设计从电源部分起就选用高质量的电源模块，元器件选择进口高稳定可靠的器件，完全可以替代同类型国外进口仪表。

 ·砖利的声波智能技术软件可进行智能化回波分析，无需任何调试及其它的特殊步骤，此技术具有动态思维、动态分析的功能。

 ·声波智能砖利技术，使仪表的精度大大提高，液位精度达到0.3％，能够抗各种干扰波。

 ·非接触式仪表，不跟液体直接接触，因此故障率低。仪表提供多种安装方式，用户完全可以通过本手册进行仪表标定。

 ·仪表的所有输入、输出线均具有防雷、防短路的保护功能。

技术指标:

测量范围：      0～15m（根据实测量程选定）

盲      区：      0.25m～0.6m

测距精度：      0.3%（标准条件）

测距分辨率：   1mm

压      力：      常压

仪表显示：      自带LCD显示液位或空间距离

模拟输出：      4～20mA

数字输出：      RS485、Modbus协议或定制协议

供电电压：      DC24V/AC220V，防雷装置内置

环境温度：      －20℃～＋60℃

防护等级：      IP65

外形尺寸：

安装方法：

超声波液位计开敞环境下一般采用支架安装方式，用仪表自带法兰固定；池或罐在安装位置上割一个略大于探头直径（60mm）的圆孔，将仪表放入，然后将法兰自下而上旋紧；安装必须保证仪表的探头面与被测液面水平。

1）探头发射面到低液位的距离，应小于选购仪表的量程。

2）探头发射面到高液位的距离，应大于选购仪表的盲区。

3）探头的发射面应该与液体表面保持平行。

4）探头的安装位置应尽量避开正下方进、出料口等液面剧烈波动的位置。

5）若池壁或罐壁不光滑，仪表安装位置需离开池壁或罐壁0.5m以上。 

6）若探头发射面到高液位的距离小于选购仪表的盲区，需加装延伸管，延伸管管径大于120mm，长度0.35m～0.50m，垂直安装，内壁光滑，罐上开孔应大于延伸管内径，或者将管子通至罐底，管径大于100mm，管底留孔保持延伸管内液面与罐内等高。

安装注意事项：

1）仪表在室外安装建议加装遮阳板以延长仪表使用寿命。

2）电线、电缆保护管，要注意密封防止积水。

3）仪表虽然自身带有防雷器件，但仪表在多雷地区使用时，建议在仪表的进出线端另外安装专用的防雷装置。

4）仪表在特别炎热、寒冷的地方使用，即周围环境温度有可能超出仪表的工作要求时，建议在液位仪周围加设防高、低温装置。

槽液位测量结果偏差原因分析及解决措施：

分析 分公司在 槽液位测量过程中使用超声波液位计时存在液位偏差的原因并提出改进措施。由于 储槽内部存在温度梯度, 影响了超声波传输速度, 导致液位测量结果出现偏差, 影响测量结果。将超声波液位计更换成雷达液位计后解决了问题, 应用效果良好。

罐区储槽、储罐是化工企业中重要的设备。由于其容积大, 需用液位数据进行物料计量以获得储存量, 故其液位测量仪表要求具有较高的测量精确度和测量重复性。

云南云天化股份有限公司 分公司 (以下简称 公司) 硫酸罐区6^# 槽是一台直径为20m、高近11 m的中型储槽, 储槽内 计量采用测量液位再折算为质量的方式。根据6^# 槽几何尺寸及 密度计算得出, 每1 cm高度的 对应质量为5.71 t。因此, 液位测量的准确性对槽存计算结果影响相当大。

6^# 槽液位的检测曾使用过浮标液位计、静压式液位计 (差压变送器方式) 、人工皮尺测量等方式, 但效果都不好。浮标液位计存在易机械变形、精度低、信号不能远传等缺点。静压式液位计测量方式不仅受温度、密度变化影响大且仪表维护、拆校不方便, 存在安全隐患。人工皮尺测量原始而又繁琐, 且测量误差大。结合 公司使用德国E+H超声波仪表多年的应用经验, 对6^# 槽的液位测量改用了E+H超声波仪表测量。由于 计量仅为 公司内部结算 (超声波液位计0.2%的精度已足够) , 但从近几年的运行情况来看, 测量效果并不理想。笔者对超声波液位计应用中存在的问题进行了分析, 并提出解决措施。

1 超声波液位测量存在问题及分析

1.1 测量原理及特点

超声波液位测量的原理如图1所示。

根据超声波的声学特性, 由超声波物位变送器利用换能器 (探头) 中的压电晶体发射超声波, 并接收从物位表面反射回来的回波, 根据超声波发射及接收的时间间隔, 计算超声波的传输距离, 再用总高度 (空高) 减去超声波传输距离, 即可得到需要测量的物位, 再由变送器转换为标准的4~20 m A信号送到DCS系统上监控。计算公式如下:

图1 储槽超声波液位测量示意 

式中:L——— 液位高度, m;

E———空高, m;

D———超声波的传输距离即探头到液面高度, m;

c———超声波在空气中的传播速度, m/s;

t———超声波脉冲由发送到接收的时间, s。

采用超声波液位计测量, 其 为明显的一个特点是非接触式测量。由于超声波是机械波的一种, 即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程, 其特点是频率高、波长短、绕射现象小及方向性好, 能够成为射线而定向传播。超声波在液体、固体中衰减很小, 穿透能力强, 尤其是在对光不透明的固体中, 超声波可穿透几十米的长度, 碰到杂质或界面就会有显著的反射, 超声波测量物位就是利用了它的这一特征。

1.2 存在问题

多年来, 超声波液位计在6^# 槽应用争议较多, 特别制定了对该液位计进行定期检查、标校的规定, 但多次检查发现超声波液位计并无故障。 生产厂认为超声波液位测量与现场浮标液位计不符, 并导致 产量计量亏损 ( 多统计为570t/月) 。现场浮标液位计精度不能与超声波液位计相比, 但因争议太大, 故协调停用6^# 槽, 将其液位控制在一定高度, 随后连续几天对此液位进行观察, 并从DCS系统中调出6^# 槽液位的历史趋势曲线, 见图2。

停用的6^# 槽并无进或出的 , 其液位应无变化, 液位历史趋势曲线应近似为一条直线。但是从图2中可以看出:液位有明显的规律性变化, 其变化的规律性与时间段有关。每日液位在07∶00到10∶00上升到大值, 从10∶00液位开始缓慢下降, 到15∶30至18∶00下降到低值, 从19∶00左右开始缓慢上升, 到次日07∶00至10∶00基本到大值, 如此循环。昼夜温差越大, 上述现象越明显, 液位变化大约15 cm, 如果折算为 质量则约为85.65 t, 这种误差引起了生产上下游环节计量结算的争议。这也说明了采用超声波液位计测量 槽液位确实存在一定的问题。

图2 储槽液位历史趋势曲线 

1.3 问题分析

首先对仪表进行了常规检查, 超声波物位计没有问题。进一步采用了替换法:即用正常工作于其他液位测量点的超声波物位计与6^# 槽的超声波液位计进行对调, 结果是6^# 槽的超声波液位计用于其他液位测量能正常工作, 而换过来的超声波液位计测量结果仍如图2相似。这就证明了超声波液位计本身没有故障, 问题应该出在周围的测量环境上。

影响超声波测量的外部环境因素主要有温度、湿度、气压、粉尘、泡沫、搅拌装置、雾气及蒸汽等。湿度及气压影响微乎其微, 可以忽略不计。6^# 槽也不存在粉尘、泡沫及搅拌装置等因素影响。 雾和蒸汽在下雨时若雨水进入槽中偶尔有之, 影响不大。至于温度, 对超声波的传播速度影响较大, 一般认为当温度每变化1℃, 将可能引起0.2%~0.4%的波速变化, 同时会引起测量结果变化0.2%~0.4%。但是制造商已考虑到温度变化对超声波液位计影响的因素, 目前几乎所有超声波液位计在探头内均集成有温度探头, 用以测量环境温度, 并自动校正温度影响, E+H超声波液位计也不例外。

考虑到液位的变化具有规律性, 将检查的放在了现场环境温度。由于超声波液位计带有温度补偿功能, 环境温度变化对液位测量准确性的影响应是很小的甚至可以忽略, 经过计算其影响仅为微米级, 不是主要的影响因素。

在检查 槽环境温度过程中, 发现 槽由液面到超声波探头的空间温度不一致, 存在较大的温度梯度。采用Pt100热电偶与温度数显仪测量的温度 (时间为16∶00即当天液位下低点时, 室外环境温度28~30℃) 见表1

表1 16∶00时 槽内的温度梯度    

注:标高是指从超声波探头处往液面方向的距离。

由表1可以看出, 在下午超声波探头外壳的温度为42.8℃, 由于温度元件集成于探头内部, 其内部温度要高于外壳, 也即超声波所测量的温度应该大于42.8℃。

次日10∶00左右 (即当天液位上升到高点时, 室外环境温度较低, 约为15℃) 测得 槽内温度如下表2。

表2 次日10∶00时 槽内的温度梯度   

由表2可以看出, 在早上情况刚好相反:探头处的温度仅为15℃, 而 温度为28℃。

通过定量计算, 分析是温度梯度引起的液位测量值的变化。

资料表明, 超声波在空气中的传播速度受温度的影响, 超声波在空气中的传播速度与温度的计算公式如下:

式中:T———温度, ℃;

c———超声波传播速度, m/s。

由于在 槽应用的超声波液位计具有温度补偿功能, 根据表1, 超声波所测得的温度为42.8℃, 按T=42.8℃时的c值为357.18 m/s。

根据 (1) 式和 (2) 式得超声波液位计所显示的液位为:E-357.18×t/2。

根据上面的分析, 由于 槽内存在温度梯度, 超声波的传播并不是恒定的357.18 m/s, 而是变化的, 其平均值要小于357.18 m/s, 按37℃计算c值为353.7 m/s。

根据 (1) 式和 (2) 式得超声波液位计实际的液位应为:E-353.7×t/2。

两者之间的误差值δ:δ= (E-353.7×t/2) - (E-357.18×t/2) =1.74t m。

此处t=2D/353.7, D为超声波传输距离。当D=8 m时, 则δ=1.74×16/353.7=0.078 m, 也即超声波显示的液位比实际偏低7.8 cm, 但由于超声波所测的温度要大于42.8℃, 因此误差应该更大一些。同理可推算在超声波液位计在上午将显示偏高约5 cm。综合估算, 超声波液位计的测量显示变化幅值约15 cm是有可能的。

综上分析, 液面到超声波探头的空间存在温度梯度是影响6^# 槽液位测量问题的主要因素, 即由于探头测量的温度与真实的温度不一致, 温度补偿功能采用了错误的数值进行补偿, 导致了液位测量不准确。且昼夜温差越大, 误差越大 (典型的南方冬天气候) ; 槽内液面越低, 误差也越大。在生产过程中, 由于6^# 槽处于使用过程中, 减小了发现问题的机会。

由于温度梯度的存在, 导致超声波液位计测量误差为15 cm, 对于高超过10 m的容器而言, 其相对误差不过1.5%, 如只作为一般过程液位测量显示完全可以满足应用, 但作为大容器的内部计量结算显然是不够的。

2 解决措施

根据上述分析, 如果能解决温度梯度的问题, 就可以保证超声波液位计的正常工作, 但实际中却很难做到这一点, 原因是 槽内液位的高低、环境气温等因素均会影响到 槽内温度的分布, 无论是在 槽加装温度测量元件还是在DCS系统中改进算法以消除温度梯度对超声波测量的影响都是困难的。一个可行的解决方案是对液位测量仪表重新选型。

在仪表的选型上, 无接触式液位测量与接触式液位测量方式相比, 优点是显而易见的。而在无接触式测量中, 20世纪90年代以来进入市场的雷达物位计, 由于其精度较高, 可靠性也高, 使用方便, 在罐区中用量迅速增加, 成为近10年罐区液位测量仪表。通过综合对比, 在6^# 槽选用了1台E+H公司的Micropiolt M系列FMR-244一体式智能型雷达液位计。

FMR-244雷达液位计采用二线制技术, 易于布线、供电及与现有系统兼容;支持HART通信的功能使得可以很方便地远程操作、设置FMR-244;采用其专利算法的Pulse Master软件让FMR-244在有效回波的辨识方面更胜一筹, 测量精度为±3 mm;FMR-244操作频率高达26 GHz, 有效减少了干扰回波^[3]。在安装上, FMR-244的限制条件并不多, 安装简单, 且该台雷达液位计价格仅与1台超声波液位计相当。

目前此雷达物位计在6^# 槽应用半年多时间, 测量效果明显, 在无 进出库时, 其液位测量稳定, 波动仅为几毫米, 完全满足了生产应用要求。而且在 的计量上未再发生过一次争议, 应用相当成功。需注意, 使用过程中雷达液位计探头上若结冷凝水或被雨水淋到会影响测量, 需要定期擦拭其探头并作好现场防护。

同是采用“俯视式”回波测距原理, 雷达液位计可以正常工作, 但超声波液位计却不能正常工作, 原因在于雷达液位计发射的是微波, 微波是一种电磁波, 以光速传播且不受介质特性影响, 而超声波液位计发射的为超声波, 超声波是机械波, 其在空气中的传播速度受温度影响大^[1]。虽然温度影响可以通过超声波液位计的温度补偿功能消除, 但由于温度梯度的影响, 超声波液位计却无能为力。

3 结语

由于超声波液位计的非接触测量原理, 从理论上讲, 它适用于各种工艺过程中的物位测量, 但在应用中, 它会受到各种因素如安装位置、温度、压力、湿度被测介质表面的泡沫、浪涌等的影响。因此针对测量介质的特性及物理环境, 选用合适的仪表以及正确的安装对的仪表的正常工作至关重要。在此例中, 超声波液位计本身无故障, 但物理环境导致超声波液位计产生了不准确的测量结果, 在改用雷达液位计后, 应用效果良好。并且在后来800kt/a 装置上, 对更大容量的7^#, 8^# 槽及液硫槽采用了更先进的FF总线型雷达液位计, 均取得较好的效果。