物位计第三章超声测量物位仪表

　　物位计第三章超声测量物位仪表第四章超声波物位计 4.1 概述 4.1.1 测量原理 超声波物位计基于回波测距原理。工业中实用的超声波物位计大多采用气介导声的方式，即利用在空气中传播的超声脉冲在被测物体（液面或固态料面）上被反射，并接收其回波，超声脉冲来回传播的时间与声脉冲传播距离成正比，测出声脉冲行程时间，就可据之算出物位。（图4.1） h= C×Δt H=L-h=L- C×Δt 式中：C － 超声波在空气中传播速度 Δt － 超声脉冲来回传播时间 H － 被测物位 L － 超声波换能器辐射面至零位（罐底）的距离 ...

　　第四章超声波物位计 4.1 概述 4.1.1 测量原理 超声波物位计基于回波测距原理。工业中实用的超声波物位计大多采用气介导声的方式，即利用在空气中传播的超声脉冲在被测物体（液面或固态料面）上被反射，并接收其回波，超声脉冲来回传播的时间与声脉冲传播距离成正比，测出声脉冲行程时间，就可据之算出物位。（图4.1） h= C×Δt H=L-h=L- C×Δt 式中：C － 超声波在空气中传播速度 Δt － 超声脉冲来回传播时间 H － 被测物位 L － 超声波换能器辐射面至零位（罐底）的距离 超声波在空气中传播速度C与超声频率及大气压力无关，但随空气温度而变，可以近似表示如下： C=C0+0.6T=(331.6+0.6T)m/sec 式中：T － 空气温度℃ C0 － 0℃时空气中声速，为331.6 m/sec 通常是在超声波换能器中放置热敏电阻，检测空气温度，然后在计算时修正声速值。在不同于空气的其它气体或蒸气中，声波传播速度不同，必须结合实际声速值来计算距离。 超声波物位计基于回波测距，所以收到回波是测量的必要条件。 4.1.2 超声波在平面（液体或浆体表面）上的反射 超声波入射在平面上时，其反射服从几何光学定律，即入射角等于反射角，当正入射时，反射波向入射方向返回。故测量液位时，超声换能器通常装于液面上部，使超声波沿液面法线方向入射，以取得最大反射波（图4.2.a） 超声波在两种不同介质界面上的反射率与两种介质的声阻抗（密度ρ×声速c）的差别有关，反射系数可表示为 K= 由于液体与气体的声阻抗有几个数量级的差别，故超声波在液体表面上可以认为是全反射，能够获得良好反射回波，在平整的固态表面上也一样。 在液体表面偶尔有泡沫或有较薄的泡沫层时，反射的回波将不可能会受到多大影响，当泡沫变厚时，超声波部份能量将被吸而反射回波减少，甚至收不到回波，使测量无法可靠进行。当泡沫层很厚，并且致密时，超声波会在泡沫层表面反射，测得的是泡沫层表面的位置而不是液面位置，应用时须注意。 4.1.3 超声波在粗糙固体表面上的反射 超声波在粗糙的固态表面（包括颗粒状物料表面）上的反射状况与声波波长表面粗糙度（颗粒状物料的粒径）有关。当表面粗糙度与声波波长接近或大于波长时，声波会产生漫反射，类似光波在毛玻璃上的反射。固态物料堆放时，存在安息角，而且会随加料及卸料状况而变化。超声波没办法做到始终对料面正入射，故超声波测量固态物料料位的必要条件是：超声波必须在被测料面上形成漫反射，这样才可以保证无论料面形状如何变化，始终有部份超声能量沿着入射方向返回，被发射探头接收（图4.2.b）。由于大部份能量都散射了，返回的只是一小部份能量，故测量固态料面时，必须比测量同样距离的液面发射更强的超声波能量。 经验

　　，当物料表面粗糙度（或颗粒状物料的粒径）大于超声波长的四分之一时，超声波在物料表面就会形成较强的漫反射。当使用40KHz频率时，超声波波长约为.5mm，对于2～3mm以上粒径的物料，通常能够获得足够的漫反射信号。颗粒再小，必须增加发射功率或缩短有效量程。此外，反射信号强弱还与物料表面特性有关，物料松软、多孔、反射信号就弱，坚硬的物料（如金属矿石），反射信号强。使用时要考虑确定可以测量的量程。 4.1.4 超声波在液体中的传播与反射 超声波回波测距最早是应用于水中检测潜水艇（声呐）。超声波在水中传播时声速较快（例如水的声速为1450m/s），传播衰减也小，故在水等液体中通常使用较高的超声频率（几百千赫～几兆赫）。超声波也是在传播到不同声阻抗率的分界面上会产生反射。如果将超声换能器安装在容器底部外侧（图4.2.c），发射的超声波脉冲透过容器壁进入液体，在传播到液/气分界面时反射回来，再被超声换能器转换成电信号。如果液体声速已知，即可测得液位。早期有过成功的应用，例如50年代末美国土星Ⅴ火箭中，燃料加注时液位的精密测量就用此方法。但是进一步推广应用时遇到了困难，因为工业过程中各种罐中的液体不同，声速有时无法精确知道，因此应用不广。但是在污水处理中测水中污泥界面时得到成功应用（图4.2.d）。超声换能器从沉淀池上部伸入水中，不断发射超声脉冲，并接收水/污泥界面上的反射回波。水的声速是已知的，可据之计算出污泥界面高度。 4.2 超声换能器 超声换能器用来在电能与声能之间双向能量转换，相当于一个喇叭及微音器（话筒）的组合：在电子检测单元的电脉冲激励下发射超声脉冲，当接收到回波脉冲时再转换成电信号传回电子单元处理。 结构： 超声换能器结构上由激励元件与外壳组成。激励元件通常由单电压片陶瓷或压电陶瓷片与金属块组成的夹心振子来实现，可以设计成不同频率。为了改善其与空气的声匹配，通常用低声阻抗率的材料组成1/4波长过渡层，贴在振子的前端，能加强声发射，再将其封装在外壳中以适应现场较恶劣的工况。 在测量大量程、需要发射大功率超声的场合，可以将几个振子列阵的方式，例如用3个振子或7个振子贴在一块振子膜片上，来构成一个较大面积的辐射面，以增强发射功率。在测量大量程需要发射大功率超声的场合，可以用纵向振子列阵的方式（图4.3b） 通常还将温度补偿用的热敏电阻温度传感器装入超声换能器外壳中，同时将代表温度的电信号叠加到发/收脉冲中一起传回电子单元识别处理。这样使用较方便，不必另外安装温度补偿探头及布线。 声发射角： 超声换能器发射及接收均有一些范围，此范围呈束状，声发射角是用来表示换能器发射及接收超声波的方向性的参数。若以换能器为圆心，以固定距离（例如1m）的不同位置来接收其发射的声波强度，不难发现正对着换能器辐射面的位置声波最强，向两侧移动，接收声强均减弱。当声强减弱到正中间的 2/2时（半功率点），此两个位置对换能器的夹角即为声发射角。它可以定量地表示换能器的方向性，但并不是在声发射以外就没有声波信号了。声波的减弱是逐渐的。有时换能器在侧向还会有边瓣。同一换能器其发射角与接收角基本是相同的。 换能器的指向性与频率及换能器发射面的直径有关：工作频率越高声发射角越小，同样频率下，随换能器发射面直径增大而发射角减小。 4.3 回波信号处理技术 在实际测量过程中，超声换能器收到的回波信号是很复杂的。除了料面反射回波外，还有间接反射及多次反射的回波，以及在声束范围内仓壁焊缝、构件、樑及线缆上产生的干扰反射波。除此以外还有：物料撞击声、机械振动等经超声换能器转换成电信号成为声噪声；马达启停及可控硅通断时在电源中形成的尖脉冲、以及换能器与电子单元之间连接电缆受空间电磁场干扰产生的电噪声。这些干扰都和回波信号混在一起。因此从这些复杂的回波中识别出有效回波是超声物位计能否可靠测量的关键。生产超声物位计的各个公司都有自己的信号处理技术，其功能的强弱决定了物位计对复杂工况的适应能力及测量可靠性。 目前，由于数字技术的发展，回波处理都采用数字方法。通常的处理方法是：接收到的回波信号进行数字化，将其包络线转换成数字信号存储起来，然后根据逐项识别，剔除虚假回波，确认有效回波，然后再进行距离计算，声速补偿计算，最后得出准确物位值。 固定干扰回波消除 图表示了典型的回波信号，安装在超声换能器附件的电容物位开关探头、料仓壁上的焊缝焊缝、物件都产生固定形状回波，因为没有办法避开这些物件，当物位低于这些部件时，这些干扰回波就会影响正常测量。通常使用的解决办法是在空仓或低料位时进行一次物位测量，将某一位置（有效回波位置）以上的固定反射波都予以

　　储存，在以后每次测量时，都将这些位置的回波信号予以抑制，只要这些干扰回波的位置及幅值不变，将不会影响测量，干扰将被消除。 声智能回波处理技术 但只有上述处理功能对极复杂工况仍不能解决。例如：有时料仓无法放空来进行空仓校准；空仓校准后，积料变化，回波幅度变化；电干扰等随机因素必须有更复杂的回波处理技术才能胜任。 下面以SIEMENS公司的声智能@回波处理技术为例，简述如下： 1 形成回波包络线：用软件技术将换能器送到电子单元的包括发射脉冲和它余振在内的完整的包络线都数字化并储存起来（平均化几次）（图4.4a ） 2 增强回波包络线：原始的包络线中，包括一些干扰信号，在下列处理中除去，以使回波包络线) 尖峰滤波器：可控硅通、断，大电机启、停时，电源负荷突然变化，会产生尖峰脉冲，叠加在回波包络线上，如不加处理，会误认为回波脉冲。但这类电气干扰是狭而高幅度的，而真实回波脉冲较宽，所以在启动这个功能时，测量每个尖峰的宽度，比设定值狭的尖峰都会被除去，而留下有效回波。（图4.4b ） 2) 狭回波滤波器：许多料仓声通道内有反射物存在，如：仓壁上的焊缝、人梯等构件。有时安装时无法避开，这些回波也是真实回波，不能用尖峰回波滤波器滤去。它们产生的回波会给可靠测量带来困难。（图4.4c ） 在固体物料测量中可以启动狭回波滤波器来消除这类回波，因为这类回波比料面上产生的回波狭，因料面回波是在一定面积的倾斜的固体表面上产生的，回波较宽。在测量液面时要断开这滤波器，因为在液面上产生的回波也是很狭的。 3) 回波复原：在较深的固态物料测量中，从超声换能器到物料表面并返回的过程中要遇到许多障碍，包括：粉尘、气流、空气密度变化以及物料表面高低不平，这些障碍会造成回波破碎。回波复原功能可使破碎的回波复原成单一、强大，能很好确认的回波脉冲。（图4.4d） 用微量增幅还原的方法，可将破碎回波的几个峰组合起来，产生一个大而平滑的回波。 3 形成TVT（随时间变化的阈值）曲线) TVT类型 TVT曲线是被增强的回波包络线的比较基准（阈值曲线），凡是幅值超过TVT曲线的尖峰，均作为有效回波确认。由于远处返回的回波传播了较远距离，衰减较大因而幅度减小，为了使远、近的回波都得到相等的确认条件，作为比较基准的阈值曲线必须是随时间而变化的。 若料仓中声波传播途径上粉尘、温度及湿度状况是均匀不变的，声波在传播途径上的衰减是均匀的，因此理想的TVT曲线在对数座标上是一根斜率等于声衰减率（以db/m为单位）的直线，称为线性TVT。 为了适应不一样工况，有几种TVT曲线可选择，例如：平滑TVT是将包络线平滑化而形成的TVT曲线) TVT整形（消除固定干扰回波） 当超声换能器安装时，若无法避开料仓内的固定障碍物，而且障碍物的尺寸较大，无法用尖峰及狭回波滤波器消除，形成固定干扰回波，影响测量时，可以用此功能。 启动此功能时，将TVT曲线段，每段均可调整上升或下降。可以在固定干扰回波位置上调整TVT曲线形状，使其阈值提高，盖住干扰回波，使其无法被确认。调整时需用示波器或手提电脑观察回波包络线的情况下来做调整。调整不必十分精确，通常只要切掉干扰波的一半，使其重要性降低，在后面的处理中就能将其剔除。 4 ALF－面积、幅值、首波算法（图4.5 ） 经过前面的处理，消除了许多干扰回波，但有时还会有一个以上的回波通过鉴别而被确认，这时必须在这几个回波中挑出一个从物料面上反射的真正回波。ALF算法就是从面积（A）、幅值（L）、首波（F）三个方面综合判别，来确定有效回波。 对每一个波都测量其回波面积、幅值及是否首波，分别进行打分计算，然后将每个回波的三项得分累加，得出每个回波的总分，最后以总分最高者判定为从物料面来的真正回波。这种采用多重判据的方法，能较可靠选出有效回波。根据具体工况，也可选用A.L.F.的任何组合来作为回波选择的判据。 在选定了有效回波的同时，还计算其置信度，即将回波最高分（有效回波）与次高分进行相比，计算有效回波置信度。若最高分与次高分相差很大，确认的有效回波置信度高。两者相接近，则置信度低。置信度低于一定值，则不能确认有效回波，这次测量无效。物位值保持原来值，进行下一次测量，同时启动一个“失效－保安定时器”开始计时。若连续测量均无法选出有效回波，在“失效－保安定时器”计时到某一设定时间后，测量系统发出回波丢失（LOE）信号，进入“失效－保安状态”。在此状态下物位输出值有“三种选项”：最高值、最低值、最后一次有效确认的测量值。可预先设定为其中一项（出厂时设定为保持最后测量值）。其后若测量系统收到有效回波，则自动取消“失效－保安”状态，回到正常状态测量状态。 若确定了有效回波，还要经过两项处理： 1) 搅拌器滤波器：在有搅拌器场合，需启动此功能，因为超声波在搅拌器叶片上的反射波，一般均能通过上述判据，易引起干扰。由于两次测量之间间隔时间很短（约零点几秒），这期间物位不可能有很大变化，因此一旦确认了有效回波，可以预计下一个有效回波的到达位置，可以在这一个位置的前后设定一个回波窗口，只有在这个窗口中收到的回波才能进入确定程序。如果下一次回波正巧打在搅拌器叶片上，其位置在料面以上，因此回波通不过搅拌器滤波器窗口而被去除。 2) 微动滤波器：尽管正确回波已被选定，但每次测量的读数本身仍会起伏，这是由于料仓内状态变化产生的。对读数平均化可减少此起伏，但物位变化时会导致响应滞后。微动滤波器是一种强功能的统计技术，能给出稳定的读数，而对物位的真实变化仍能快速响应。 4.4 仪表构成 超声物位计由超声换能器（探头）及电子单元两部分组成。超声换能器安装在料仓顶部，向被测物料发射超声脉冲并接收料面回波，电子单元将回波脉冲进行信号处理，计算物位值并转换成所需信号输出。 超声物位计在结构上可大致分为以下三类： 1 一体型：超声换能器与电子单元合为一体，使用时直接安装在被测容器顶部或被测物料上方。数字显示物位并输出

　　4～20mADC模拟信号及其它信号（数字通讯信号及报警信号等）。这种形式的超声物位计因其安装使用起来更便捷，价格低，性能可靠，在水及废污水处理及一般液位测量中得到普遍应用。可以耐酸、碱等腐蚀介质，也可以24VDC二线制回路供电及本安防爆。但不能耐高温，长期工作时候的温度应低于80℃，量程一般在10m以内，大多数都用在测量液位，是电容式、压力式液位计的强力竞争对手。 2 分体型：超声换能器与电子单元互相独立，超声换能器安装在现场料罐上，电子单元安装在现场仪表箱内，或远处控制室内，两者之间用高频同轴电缆相连，相距可达360m。由于换能器耐环境能力强，耐高温可达150℃，低温-40℃，换能器有Kynar,Teflon,PP等耐腐蚀工程塑料外壳，可用于腐蚀场合。换能器可以制成全密封结构，满足防爆要求，可用于防爆场合，测量量程最大可达100m，是目前超声物位计的主要形式。 3 多点检测型：是一个电子单元，对多个料仓（每个料仓安装一个相应量程的换能器）进行各自独立的检测。对各个料仓可分别显示及各自独立地输出模拟信号及报警信号。虽然对各个料仓是扫描检测，每个点检测时间约3秒（检测若干次，统计处理后得出一次测量值），10个点约30秒可扫描一周。而大型料仓物位变化很慢，可完全实时跟踪物位变化。而设备价格可降低很多，而且调整设置都方便，故在电厂煤仓、洗煤厂煤仓、钢铁厂矿仓中都大范围的应用。（图4.6为十点物位计的系统组成图）。 十点物位计XPL+与安装在10个不同料仓（罐）上的换能器相连接，扫描检测各料仓物位，在显示屏上轮流显示仓号及物位值。同时还有三种选件供用户选用，以输出不同信号： 1) 模拟输出单元（AO-10）：输出10路4～20mADC信号，分别代表各料仓物位值。 2) 报警输出单元（SA M-20）：有20个可编程继电器，输出触点开关信号。继电器报警位置由主机编程设定，可对10个料仓设定各自的H、L报警。 3) 现场总线接口输出：提供各种现场总线

　　的通讯接口板，如：Profibus,DP, Modbus-RTU。直接与工控机数字通讯，并可由工控机在控制室内设定修改现场参数值。通讯接口板直接安装在XPL+主机内。 主机与AO-10及SAM-20可放在控制室内，现场主控制室内只要一根双芯屏蔽线连接，在控制室内再输出10路4～20mADC模拟信号及20个继电器的触点信号，大幅度减少了从现场至控制室的电缆敷设成本。 4.5 超声物位计选型要点 1 测量距离 选型时首先要考虑的是根据要求的最大测量距离，来选择相应换能器及电子转换单元。量程短的换能器发射的超声功率小，不能测量较长的距离。 由于液面始终是水平的，反射波的信号较强，固态物料表面不平，是利用漫反射，声波的反射信号较弱。故同量程的换能器，在用于测量固态物料时的最大测量距离比测量液面时要相应缩减。通常为1/2~3/5。一般在选型资料上都会注明。如某种型号换能器测量液体时20m max，测量固体时12m max，选型时要注意。也有的公司如Siemens-Milltronics的ECHOMAX换能器，在用于测量固态物料时，不是选用更大量程的换能器，而是在原来量程的换能器上增加泡沫贴面选项。通过改善声阻抗匹配，可在同样电功率激励下，增强声发射达5倍。这样做才能够测量同样量程的固态物位。这样换能器尺寸较小，价格也较低。缺点是耐腐蚀和抗老化性能稍差，好在固态物料一般都没有较强腐蚀性。 以上只是初步考虑，还有考虑下列两个因素影响。 2 物料表面的构成及特性 除了液体与固态物料对超声波发射有较大差别外，同类物料表面构成及特性变化，也会对声波反射率产生一定的影响，使最大测量距离产生一定的影响，如液体表面如有泡沫或漂浮物存在或存在波动，会使超声反射信号减小。固态物料如果颗粒较细，或物料较松软，反射信号会减弱。物料流动性差，或易吸潮结块的料面形状会较复杂，也会导致反射信号减弱。在这一些状况下，有效测量距离均要缩减，选型时要考虑。 3 工况条件 超声换能器虽不与被测介质接触，但由于安装在料仓（罐）中，所以必须能承受容器内的环境，包括：温度、压力、腐蚀性气氛、爆炸危险。一定要选择能满足工况条件的换能器。同时所发射的超声脉冲必须穿越料仓中的气相层，它对声脉冲的影响也一定要考虑，具体要考虑以下因素：尘埃、蒸气、温度、压力、气体成份变化等。 1) 压力： 气体压力对超声波的传播速度基本上没有影响，但不建议超声物位计用于压力超过0.2Mpa的工况，因为压力过高时，超声换能器的辐射面上会受到很大压力，此压力会阻碍发射面的振动，降低超声换能器的发射效率。也不建议用于-0.03Mpa以下的负压，因为超声波是借助媒介传播的，超声波不能在真空中传播，负压时，空气减少，声传播损耗会增大。 2) 温度 温度的影响有两个方面： (1) 超声换能器本身的耐温能力，普通型换能器耐温可达90℃，高温型换能器可高达150℃，可根据工况条件选择。 (2) 温度对空气中声速的影响为0.17％/℃。虽然在超声换能器中均安置了热敏元件，可测出环境和温度进行补偿，但换能器是安装在料仓顶部，当被测物料温度比较高时，上下会存在温度梯度，以顶部换能器安装点测到的温度来代表行程的平均温度会带来测量误差，如：上下温差40℃，会带来3.4％误差。如果在物料处安装另一个温度传感器，将测温信号输入电子单元，和换能器中温度信号取平均值后来计算平均声速，这样计算的物位误差会小很多。 3) 气体成分 通常，超声物位计中是以大气中声速为基准，来进行回波信号处理的。如果声波传播的介质是其它成份的气体或蒸汽，其声速是不同的，会有误差。解决的方法是在编程时输入该气体的声速值来代替空气声速。或在测量范围中某一点，用其它方法实测物位，输入电子单元之中用以计算实际声速，并以此值替代空气中声速。但前提都必须是声传播途径上气体成份及温度都必须是均匀一致的并且恒定，否则就会有误差。 4) 防爆场所 用于防爆场所的换能器，必须取得国家相关防爆认证机构的防爆证书。一体型超声物位计有本安型。分体型的换能器，因为输入的电功率大，无法做成本安型，通常是胶封型防爆结构。电缆线需穿金属导管或防爆软管。 4 安装 选择正真适合的安装的地方对保证测量系统正常工作是很重要的。应保证超声换能器与被测物料表面之间不存在任何障碍物，人梯、横梁、搅拌器等均可能会导致干扰回波，故不能太靠边安装。对于固态物料，因加料时会形成尖峰，卸料时会形成碗状料面，测量点最优选择在能反映平均料位的位置上。如：料仓如果是中间加料，底部也是中间卸料，则超声换能器安装在料仓半径中点位置。 当测量固态物料，换能器不是安装在料仓中心，而出料口在中心位置时，须要使用对准器（角度调整器）来调整超声换能器的安装角度，使其对准出料口。其作用是：由于料仓底部大多是锥形的，出料口在中心，当料仓接近放开时，最后一点物料是在出料口附件的，如换能器按液位方式垂直向下，此时声波可能打在斜锥底上而收不到回波。而如调整换能器安装角度，使其对准出料口，则可从物料上收到漫反射回波，保证测量接近零位的物位。（图4.7） 安装时还应该要考虑换能器盲区必须在最高物位以上，否则必须加装立管，使换能器抬高。立管应尽量短，直径应尽量大。如果立管要比较长而又无法加大立管直径，则可采用图4.8 方式，将立管下端斜切成45°截面形状，安装时立管斜切部分伸入仓内。这样避免超声波传播到立管下端管口处会产生干扰回波。 图4.2.a 图4.7使用角度对准器 图4.6十点物位计组成图 图4.4a回波包络线.1 图4.4b尖峰滤波器 图4.5 ALF－面积、幅值、首波算法 图4.8立管安装说明示意图 图4.4c狭回波滤波器 图4.2.d 10 _1110027174.unknown

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