了解超聲波連續(xù)液位測(cè)量的工作原理及優(yōu)勢(shì)解析
返回列表發(fā)布日期：2019-02-16 10:27:44 |
超聲波水平是五種非接觸式連續(xù)水平測(cè)量技術(shù)之一，也是最常被濫用或誤用的技術(shù)之一。這是如何正確地做到這一點(diǎn)。
五種非接觸式液位測(cè)量技術(shù)是雷達(dá)，核，激光，重量和超聲波。他們每個(gè)人都有好點(diǎn)和壞點(diǎn)。例如，雷達(dá)在更精確的版本（頻率調(diào)制，連續(xù)波，F(xiàn)MCW）中相對(duì)昂貴，而核水平僅限于相對(duì)較小的船只，并且存在許可和安全考慮因素。激光似乎已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在散裝固體和粉末的測(cè)量方面。稱重系統(tǒng)可以用在某些容器中，但它也是一種相對(duì)簡(jiǎn)潔的應(yīng)用解決方案。在所有這些中，超聲波物位測(cè)量是最廣泛使用的非接觸技術(shù)。超聲波液位變送器在大多數(shù)行業(yè)中使用，并且廣泛用于開放式通道流量測(cè)量系統(tǒng)，位于水槽或堰上。
它是如何工作的？
超聲波液位傳感器使用聲速來通過“飛行時(shí)間”原理工作。傳感器發(fā)出高頻脈沖，通常在20 kHz至200 kHz范圍內(nèi)，然后監(jiān)聽回聲。脈沖以錐形傳播，通常在頂點(diǎn)約6°。脈沖沖擊水平面并反射回傳感器，現(xiàn)在充當(dāng)接收器（圖1），然后充當(dāng)發(fā)射器進(jìn)行信號(hào)處理。
圖1.傳感器向表面發(fā)送脈沖并接收回波脈沖。
基本上，發(fā)射器將脈沖與其回波之間的時(shí)間除以2，即距離材料表面的距離。發(fā)射器設(shè)計(jì)用于收聽最高幅度的返回脈沖（回聲）并屏蔽容器中的所有其他超聲波信號(hào)。
由于脈沖的高振幅，傳感器會(huì)物理振動(dòng)或“振鈴”。想象一下被錘擊的不動(dòng)鐘。大約12英寸到18英寸（300毫米到450毫米）的距離稱為“消隱距離”，旨在防止傳感器振鈴的虛假讀數(shù)。這對(duì)于安裝在水平面上方的距離最小的區(qū)域非常重要。
物理安裝問題
超聲波液位傳感器有一些重要的物理安裝注意事項(xiàng)。
1.確保傳感器外殼的結(jié)構(gòu)材料和傳感器的表面與容器內(nèi)的材料兼容。大多數(shù)超聲波傳感器供應(yīng)商提供多種傳感器結(jié)構(gòu)材料，以防標(biāo)準(zhǔn)傳感器外殼不兼容。大多數(shù)傳感器都帶有PVC或CPVC外殼。通?？梢允褂肞VDF，PTFE（Teflon）和PFA（Tefzel）。在某些情況下，可以提供具有聚合物面的鋁或不銹鋼外殼。
2.確保在高溫或低溫端不超過傳感器的工作溫度范圍。如果超過溫度范圍，結(jié)構(gòu)材料可能變形或壓電晶體可能改變其頻率。環(huán)境溫度的變化通常通過嵌入式溫度傳感器，遠(yuǎn)程安裝的溫度傳感器或可用于測(cè)量環(huán)境溫度的已知距離的目標(biāo)來補(bǔ)償。
3.找到傳感器，使傳感器的表面與材料表面精確成90°。這在液體和漿料液位測(cè)量中尤為重要。在一些散裝固體測(cè)量中??，可以對(duì)其進(jìn)行修改（這將在本文的后續(xù)部分中討論）。如果你不這樣做，你的回聲將完全被傳感器遺漏，或者它將使用從血管壁或血管內(nèi)部結(jié)構(gòu)而不是真實(shí)水平反彈的回聲。
4.確保容器內(nèi)部不會(huì)撞擊傳感器的脈沖信號(hào)錐。如果他們這樣做，你可能會(huì)得到一個(gè)虛假的高振幅回波，它會(huì)淹沒來自材料表面的真實(shí)回波。
5.確保避免容器中的攪拌器和其他旋轉(zhuǎn)裝置。有時(shí)您可以使用額外的波導(dǎo)來完成此操作。如果不能，請(qǐng)確保購(gòu)買的發(fā)射器可以補(bǔ)償進(jìn)出信號(hào)錐的攪拌器葉片回波的影響。
6.將傳感器安裝在容器內(nèi)無法被材料或冷凝水覆蓋的位置。涂層會(huì)使信號(hào)衰減，有時(shí)甚至?xí)雇繉訜o法通過涂層到達(dá)表面和背面。如果無法避免涂層，請(qǐng)嘗試提供一些清潔傳感器表面的方法。一些發(fā)射器提供信號(hào)“品質(zhì)因數(shù)”，可用于檢測(cè)涂層或其他信號(hào)故障并激活報(bào)警功能。
7.始終使用供應(yīng)商提供的傳感器安裝硬件。超聲波傳感器的硬管接線可能會(huì)增加聲響，并使信號(hào)無法使用。
應(yīng)用注意事項(xiàng)
由于超聲波液位傳感器和發(fā)射器價(jià)格低廉且通常易于安裝，因此它們通常用于應(yīng)用包絡(luò)的外邊緣，并且經(jīng)常導(dǎo)致不穩(wěn)定或錯(cuò)誤的信號(hào)和信號(hào)故障。
圖2.有時(shí)測(cè)量值是“攪拌器關(guān)閉時(shí)的水平。”
1.即使攪拌器位于材料表面下方，也要盡量避免攪拌罐。攪動(dòng)會(huì)產(chǎn)生漩渦或空化，這可能會(huì)削弱信號(hào)或使其從血管壁反彈。在某些情況下，攪動(dòng)可能非常極端，以至于您試圖進(jìn)行的測(cè)量是“如果關(guān)閉攪拌器，容器水平會(huì)是多少”（圖2）。這不是真正的測(cè)量，并且可能無法以任何程度的置信度或準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)量。
2.通過擴(kuò)散器或分布器將空氣或其他氣體引入容器的噴射罐可導(dǎo)致在材料表面上形成氣泡或泡沫。最好避免這種應(yīng)用。一層氣泡或泡沫可以完全或部分地衰減信號(hào)。如果它完全衰減信號(hào)，就不會(huì)有回聲。如果它只是部分地衰減信號(hào)則更加陰險(xiǎn)。在泡沫層中的某處可能發(fā)生虛假回波，而不是泡沫表面或泡沫下方液體表面（圖3）。
3.避免泡沫。泡沫可以對(duì)水平測(cè)量的準(zhǔn)確性做三件事，而且所有這些都很糟糕。
（1）它可以衰減信號(hào)，使得沒有回聲或只有間歇回聲。有時(shí)可以使用發(fā)送器中的采樣保持電路或算法來處理間歇回聲，以便在下一個(gè)良好回聲之前電平不會(huì)改變。然而，有時(shí)候這可能是危險(xiǎn)的，例如在水平非常接近最大填充點(diǎn)的船只的情況下。
圖3.氣泡，泡沫，蒸汽和內(nèi)部結(jié)構(gòu)使超聲波測(cè)量非常困難。
（2）泡沫可以提供真實(shí)水平的錯(cuò)誤讀數(shù)。您可以從泡沫層內(nèi)部獲取讀數(shù)，而不是實(shí)際級(jí)別。
（3）泡沫團(tuán)塊可能會(huì)使回聲偏離垂直方向，并且傳感器可能會(huì)收到一個(gè)回波，該回波已經(jīng)對(duì)船只的一側(cè)產(chǎn)生了一次或兩次跳躍，但仍然是一個(gè)足夠高的信號(hào)來欺騙發(fā)射器。
4.避免揮發(fā)性液體。當(dāng)我在銷售時(shí)，我向美國(guó)東北部的一家主要公用事業(yè)公司出售了一臺(tái)超聲波發(fā)射器，用于測(cè)量巨大的燃油艙中的水位。該傳感器于11月初安裝完畢，直到次年5月中旬才開始工作，當(dāng)時(shí)客戶報(bào)告?zhèn)鞲衅鲌?jiān)持認(rèn)為水箱中的水位比實(shí)際高出幾英尺。這種“重影水平”現(xiàn)象是罐中揮發(fā)性液體的函數(shù)。隨著環(huán)境溫度的升高，燃料油頂部的蒸汽覆蓋層開始變得更加密集并且高度增加。超聲波傳感器拾取蒸汽層的頂部，而不是罐中的實(shí)際油位。到6月下旬，傳感器定期讀數(shù)為80％至100％，因?yàn)槌跸牡臒崃繉?dǎo)致蒸氣層充滿油箱。我們用一臺(tái)正常工作的FMCW雷達(dá)傳感器取代了超聲波傳感器，我學(xué)到了一些東西。
5.在固體和粉末中，您可能必須將傳感器對(duì)準(zhǔn)與水平面不成90度的點(diǎn)（垂直于容器的垂直軸）。您可能希望瞄準(zhǔn)傳感器，因?yàn)樵谛菹⒔堑捻敳浚虚g或底部存在鼠洞和休止角問題。嘗試讓變送器計(jì)算出實(shí)際水平。至少有一家供應(yīng)商開發(fā)了一種多傳感器陣列，可以掃描休止角并確定容器的實(shí)際填充體積是多少。
6.避免加壓罐。聲速隨溫度和密度而變化，并且對(duì)水平面上方的蒸汽空間加壓會(huì)影響蒸汽空間的密度，從而影響聲速。
超聲波明渠流量計(jì)
超聲波液位傳感器和變送器最重要的應(yīng)用之一是測(cè)量明渠流量（圖4）。
圖4.水平傳感器的工作方式與測(cè)量水平完全相同。主要設(shè)備（水槽或堰）測(cè)量流量。流量變送器獲取液位信號(hào)并基于主裝置產(chǎn)生流量值。
大多數(shù)相同的注意事項(xiàng)適用于用作流量計(jì)的超聲波液位傳感器，適用于用作液位測(cè)量裝置的超聲波液位傳感器。還有一些：
1.避免風(fēng)吹日曬。風(fēng)可以吹過蒸汽空間并衰減信號(hào)或?qū)⑵浯底?。Sun可以將傳感器外殼本身的溫度升高到超出設(shè)備的工作溫度范圍 - 并且高于環(huán)境溫度。
2.確保表面沒有泡沫。這可能經(jīng)常發(fā)生在硝化廢水排放中。
3.確保表面上沒有太多的湍流或漣漪（或者水槽或堰足夠大，波浪作用）。
4.最重要的是，確保正確安裝水槽或堰。造成超聲波發(fā)射器的許多問題實(shí)際上是由于水槽沒有水平和垂直安裝水平以及從前到后穿過測(cè)量區(qū)域引起的問題。
5.制定措施以防止冬季在傳感器上形成冰或在夏季滴水。
One-Trick Pony - 不是！
超聲波傳感器易于理解，易于安裝且價(jià)格低廉。很容易將它們作為水平應(yīng)用的無心傳感器，就像許多人使用差壓傳感器一樣。然而，正如許多用戶所發(fā)現(xiàn)的那樣，超聲波傳感器和發(fā)射器是棘手的野獸。與任何其他現(xiàn)場(chǎng)儀表一樣，在制造商推薦的應(yīng)用范圍之外應(yīng)用超聲波液位傳感器注定會(huì)失效，有時(shí)會(huì)失敗。但是，如果您遵循這些基本準(zhǔn)則，您將獲得成功的超聲波水平安裝。
五種非接觸式液位測(cè)量技術(shù)是雷達(dá)，核，激光，重量和超聲波。他們每個(gè)人都有好點(diǎn)和壞點(diǎn)。例如，雷達(dá)在更精確的版本（頻率調(diào)制，連續(xù)波，F(xiàn)MCW）中相對(duì)昂貴，而核水平僅限于相對(duì)較小的船只，并且存在許可和安全考慮因素。激光似乎已經(jīng)開發(fā)出應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在散裝固體和粉末的測(cè)量方面。稱重系統(tǒng)可以用在某些容器中，但它也是一種相對(duì)簡(jiǎn)潔的應(yīng)用解決方案。在所有這些中，超聲波物位測(cè)量是最廣泛使用的非接觸技術(shù)。超聲波液位變送器在大多數(shù)行業(yè)中使用，并且廣泛用于開放式通道流量測(cè)量系統(tǒng)，位于水槽或堰上。
它是如何工作的？
超聲波液位傳感器使用聲速來通過“飛行時(shí)間”原理工作。傳感器發(fā)出高頻脈沖，通常在20 kHz至200 kHz范圍內(nèi)，然后監(jiān)聽回聲。脈沖以錐形傳播，通常在頂點(diǎn)約6°。脈沖沖擊水平面并反射回傳感器，現(xiàn)在充當(dāng)接收器（圖1），然后充當(dāng)發(fā)射器進(jìn)行信號(hào)處理。
圖1.傳感器向表面發(fā)送脈沖并接收回波脈沖。
基本上，發(fā)射器將脈沖與其回波之間的時(shí)間除以2，即距離材料表面的距離。發(fā)射器設(shè)計(jì)用于收聽最高幅度的返回脈沖（回聲）并屏蔽容器中的所有其他超聲波信號(hào)。
由于脈沖的高振幅，傳感器會(huì)物理振動(dòng)或“振鈴”。想象一下被錘擊的不動(dòng)鐘。大約12英寸到18英寸（300毫米到450毫米）的距離稱為“消隱距離”，旨在防止傳感器振鈴的虛假讀數(shù)。這對(duì)于安裝在水平面上方的距離最小的區(qū)域非常重要。
物理安裝問題
超聲波液位傳感器有一些重要的物理安裝注意事項(xiàng)。
1.確保傳感器外殼的結(jié)構(gòu)材料和傳感器的表面與容器內(nèi)的材料兼容。大多數(shù)超聲波傳感器供應(yīng)商提供多種傳感器結(jié)構(gòu)材料，以防標(biāo)準(zhǔn)傳感器外殼不兼容。大多數(shù)傳感器都帶有PVC或CPVC外殼。通?？梢允褂肞VDF，PTFE（Teflon）和PFA（Tefzel）。在某些情況下，可以提供具有聚合物面的鋁或不銹鋼外殼。
2.確保在高溫或低溫端不超過傳感器的工作溫度范圍。如果超過溫度范圍，結(jié)構(gòu)材料可能變形或壓電晶體可能改變其頻率。環(huán)境溫度的變化通常通過嵌入式溫度傳感器，遠(yuǎn)程安裝的溫度傳感器或可用于測(cè)量環(huán)境溫度的已知距離的目標(biāo)來補(bǔ)償。
3.找到傳感器，使傳感器的表面與材料表面精確成90°。這在液體和漿料液位測(cè)量中尤為重要。在一些散裝固體測(cè)量中??，可以對(duì)其進(jìn)行修改（這將在本文的后續(xù)部分中討論）。如果你不這樣做，你的回聲將完全被傳感器遺漏，或者它將使用從血管壁或血管內(nèi)部結(jié)構(gòu)而不是真實(shí)水平反彈的回聲。
4.確保容器內(nèi)部不會(huì)撞擊傳感器的脈沖信號(hào)錐。如果他們這樣做，你可能會(huì)得到一個(gè)虛假的高振幅回波，它會(huì)淹沒來自材料表面的真實(shí)回波。
5.確保避免容器中的攪拌器和其他旋轉(zhuǎn)裝置。有時(shí)您可以使用額外的波導(dǎo)來完成此操作。如果不能，請(qǐng)確保購(gòu)買的發(fā)射器可以補(bǔ)償進(jìn)出信號(hào)錐的攪拌器葉片回波的影響。
6.將傳感器安裝在容器內(nèi)無法被材料或冷凝水覆蓋的位置。涂層會(huì)使信號(hào)衰減，有時(shí)甚至?xí)雇繉訜o法通過涂層到達(dá)表面和背面。如果無法避免涂層，請(qǐng)嘗試提供一些清潔傳感器表面的方法。一些發(fā)射器提供信號(hào)“品質(zhì)因數(shù)”，可用于檢測(cè)涂層或其他信號(hào)故障并激活報(bào)警功能。
7.始終使用供應(yīng)商提供的傳感器安裝硬件。超聲波傳感器的硬管接線可能會(huì)增加聲響，并使信號(hào)無法使用。
應(yīng)用注意事項(xiàng)
由于超聲波液位傳感器和發(fā)射器價(jià)格低廉且通常易于安裝，因此它們通常用于應(yīng)用包絡(luò)的外邊緣，并且經(jīng)常導(dǎo)致不穩(wěn)定或錯(cuò)誤的信號(hào)和信號(hào)故障。
圖2.有時(shí)測(cè)量值是“攪拌器關(guān)閉時(shí)的水平。”
1.即使攪拌器位于材料表面下方，也要盡量避免攪拌罐。攪動(dòng)會(huì)產(chǎn)生漩渦或空化，這可能會(huì)削弱信號(hào)或使其從血管壁反彈。在某些情況下，攪動(dòng)可能非常極端，以至于您試圖進(jìn)行的測(cè)量是“如果關(guān)閉攪拌器，容器水平會(huì)是多少”（圖2）。這不是真正的測(cè)量，并且可能無法以任何程度的置信度或準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)量。
2.通過擴(kuò)散器或分布器將空氣或其他氣體引入容器的噴射罐可導(dǎo)致在材料表面上形成氣泡或泡沫。最好避免這種應(yīng)用。一層氣泡或泡沫可以完全或部分地衰減信號(hào)。如果它完全衰減信號(hào)，就不會(huì)有回聲。如果它只是部分地衰減信號(hào)則更加陰險(xiǎn)。在泡沫層中的某處可能發(fā)生虛假回波，而不是泡沫表面或泡沫下方液體表面（圖3）。
3.避免泡沫。泡沫可以對(duì)水平測(cè)量的準(zhǔn)確性做三件事，而且所有這些都很糟糕。
（1）它可以衰減信號(hào)，使得沒有回聲或只有間歇回聲。有時(shí)可以使用發(fā)送器中的采樣保持電路或算法來處理間歇回聲，以便在下一個(gè)良好回聲之前電平不會(huì)改變。然而，有時(shí)候這可能是危險(xiǎn)的，例如在水平非常接近最大填充點(diǎn)的船只的情況下。
圖3.氣泡，泡沫，蒸汽和內(nèi)部結(jié)構(gòu)使超聲波測(cè)量非常困難。
（2）泡沫可以提供真實(shí)水平的錯(cuò)誤讀數(shù)。您可以從泡沫層內(nèi)部獲取讀數(shù)，而不是實(shí)際級(jí)別。
（3）泡沫團(tuán)塊可能會(huì)使回聲偏離垂直方向，并且傳感器可能會(huì)收到一個(gè)回波，該回波已經(jīng)對(duì)船只的一側(cè)產(chǎn)生了一次或兩次跳躍，但仍然是一個(gè)足夠高的信號(hào)來欺騙發(fā)射器。
4.避免揮發(fā)性液體。當(dāng)我在銷售時(shí)，我向美國(guó)東北部的一家主要公用事業(yè)公司出售了一臺(tái)超聲波發(fā)射器，用于測(cè)量巨大的燃油艙中的水位。該傳感器于11月初安裝完畢，直到次年5月中旬才開始工作，當(dāng)時(shí)客戶報(bào)告?zhèn)鞲衅鲌?jiān)持認(rèn)為水箱中的水位比實(shí)際高出幾英尺。這種“重影水平”現(xiàn)象是罐中揮發(fā)性液體的函數(shù)。隨著環(huán)境溫度的升高，燃料油頂部的蒸汽覆蓋層開始變得更加密集并且高度增加。超聲波傳感器拾取蒸汽層的頂部，而不是罐中的實(shí)際油位。到6月下旬，傳感器定期讀數(shù)為80％至100％，因?yàn)槌跸牡臒崃繉?dǎo)致蒸氣層充滿油箱。我們用一臺(tái)正常工作的FMCW雷達(dá)傳感器取代了超聲波傳感器，我學(xué)到了一些東西。
5.在固體和粉末中，您可能必須將傳感器對(duì)準(zhǔn)與水平面不成90度的點(diǎn)（垂直于容器的垂直軸）。您可能希望瞄準(zhǔn)傳感器，因?yàn)樵谛菹⒔堑捻敳浚虚g或底部存在鼠洞和休止角問題。嘗試讓變送器計(jì)算出實(shí)際水平。至少有一家供應(yīng)商開發(fā)了一種多傳感器陣列，可以掃描休止角并確定容器的實(shí)際填充體積是多少。
6.避免加壓罐。聲速隨溫度和密度而變化，并且對(duì)水平面上方的蒸汽空間加壓會(huì)影響蒸汽空間的密度，從而影響聲速。
超聲波明渠流量計(jì)
超聲波液位傳感器和變送器最重要的應(yīng)用之一是測(cè)量明渠流量（圖4）。
圖4.水平傳感器的工作方式與測(cè)量水平完全相同。主要設(shè)備（水槽或堰）測(cè)量流量。流量變送器獲取液位信號(hào)并基于主裝置產(chǎn)生流量值。
大多數(shù)相同的注意事項(xiàng)適用于用作流量計(jì)的超聲波液位傳感器，適用于用作液位測(cè)量裝置的超聲波液位傳感器。還有一些：
1.避免風(fēng)吹日曬。風(fēng)可以吹過蒸汽空間并衰減信號(hào)或?qū)⑵浯底?。Sun可以將傳感器外殼本身的溫度升高到超出設(shè)備的工作溫度范圍 - 并且高于環(huán)境溫度。
2.確保表面沒有泡沫。這可能經(jīng)常發(fā)生在硝化廢水排放中。
3.確保表面上沒有太多的湍流或漣漪（或者水槽或堰足夠大，波浪作用）。
4.最重要的是，確保正確安裝水槽或堰。造成超聲波發(fā)射器的許多問題實(shí)際上是由于水槽沒有水平和垂直安裝水平以及從前到后穿過測(cè)量區(qū)域引起的問題。
5.制定措施以防止冬季在傳感器上形成冰或在夏季滴水。
One-Trick Pony - 不是！
超聲波傳感器易于理解，易于安裝且價(jià)格低廉。很容易將它們作為水平應(yīng)用的無心傳感器，就像許多人使用差壓傳感器一樣。然而，正如許多用戶所發(fā)現(xiàn)的那樣，超聲波傳感器和發(fā)射器是棘手的野獸。與任何其他現(xiàn)場(chǎng)儀表一樣，在制造商推薦的應(yīng)用范圍之外應(yīng)用超聲波液位傳感器注定會(huì)失效，有時(shí)會(huì)失敗。但是，如果您遵循這些基本準(zhǔn)則，您將獲得成功的超聲波水平安裝。
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