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1、超声波物位变送器介绍一、前言超声波物位变送器利用换能器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，通过测量超声波发射及接收的时间间隔，计算超声波的传输距离，从而完成物位的准确测 量。超声波物位计具有以下特点： 非接触式测量，可以测量普通液体、浆状物、固体等介质及腐蚀性液体； 测量范围宽，通常可测量0.2560m量程，有的产品甚至可达125m； 测量不受介质密度、介电常数、导电性的影响，在一定范围内容器里的压力也不影响测 量； 测量精度高，大致在0.10.25%之间； 可采用两线制24VDC电源，可带HART、PROFIBUS-PA等类型的现场总线。但超声波物位计在实际应用中也存在
2、一些问题，如在泡沫、粉尘、雾气存在的情况下不能 进行测量，因而在这些情况下，只好用价格昂贵的雷达式物位计取代它的应用。比如作者在硫 酸槽的物位测量中选用过某公司的超声波物位变送器， 当硫酸生产不正常时，槽顶有大量酸雾， 物位无显示，生产一恢复正常，酸雾消失，物位显示也就正常了。广东东深供水工程的生物硝 化池采用了某公司的超声波物位变送器， 但在某些条件下池内可能产生较多的气泡， 物位就无 法准确测量了1。近年来，以加拿大妙声力（ MILLTRONICS ）公司为首的国外公司的超声波物位变送器大 量进入中国市场，使以往各种机械式（如浮标式、重锤式、旋转式、音叉式）、核辐射式、电 气式、差压式料位
3、计的市场份额缩小。除了妙声力公司外，德国VEGA、德国E+H、美国DE、 以色列速利德等公司也在中国市场上销售他们的产品。美国索尔（SOR）公司1997年进入中国， 推出了他们的超声波物位计产品。二、索尔公司 U 系列超声波物位计索尔公司是美国一家有五十多年历史的物位仪表专业仪表厂， 主要生产超声波、磁致伸缩、 射频导纳、音叉等多种形式的物位仪表。针对常规超声波物位计无法解决的在泡沫、粉尘、雾 气情况下存在的测量问题，索尔公司推出了 U系列超声波物位计，它具有以下特点：1、高能量超声脉冲发射U系列超声波物位计的激励电压为800V，功耗为10W，远高于其它产品的功耗，如VEGA公 司的5153超
4、声波物位计功耗为1.0W，5456超声波物位计功耗为2.0W，E+H公司130、131、 232超声波物位计功耗小于2.5W，这说明U系列超声波物位计在声波发射上的能量比其它产品 要高的多。高能量超声脉冲发射有利于增大回波信号的强度。U系列超声波物位计的电子部分 还设有控制增益自动调整功能，它连续监视过程回波的强度，如果回波信号过小或过大，就相 应加大或减小增益，直到回波信号正常为止，这样可使物位计自动适应现场条件的变化。2、低频声波低频声波在恶劣的工作环境中穿透能力强、 测量范围大。但采用高频射波的超声波物位计 价格便宜，所以超声波物位计通常要根据被测对象及量程确定发射声波频率值。 测量范围
5、越小， 超声波物位计所选频率越高，同时，同样量程固体物位计频率应低一点。通常超声波是指高于 20kHz频率的声波，而U系列超声波物位计为提高其穿透能力。在大量程就选用了 10kHz、5kHz 这样更低频率的频率的声波。表1列出了 U系列超声波物位计的测量范围及频率值。表 1 U 系列超声波物位计的测量范围及频率值最大测量范围m液体12880000固体30138发射频率，Hz320153、回波辨识 采用超声波原理进行物位测量时，能否接收到并分辨出正确的回波信号是关键，此时要考 虑因容器形状、固体料面堆积形状等产生的虚假回波。 一些超声波物位计生产厂采用静态方式 来处理虚假回波，例如对应虚假回波设
6、置盲区或根据容器形状预先存贮一个模型， 但这些方法 的使用效果并不理想，原因是它们可能需要将容器放空及未能考虑到过程的变化。由于来自过程的回波信号中最强的仍是被测物位的回波，但它与虚假回波信号的差值可能 很小，u系列超声波物位计采用的所谓回波辨识就是将所有接收到的回波信号通过数学运算将 回波差值放大，这样就比较容易挑选出最大的回波即被测物位的回波信号并锁定它。 如果 仍不能正确辨识回波，可通过菜单修改算法，以根据特定应用编制程序。4、声速温度补偿u 系列超声波物位计内置温度探头，可连续检测声波传导介质的温度变化并进行相应的补 偿，从而消除因温度变化对检测带来的影响。由于U系列超声波物位计具有以
7、上特点，所以对以往超声波物位计常常遇到的困难问题可 以针对性的解决（见表 4）。表 4 应用中的困难问题及其解决方法应用中的困难问题解决方法粉尘声波脉冲被吸收/散 射高能量超声脉冲发射、增益自动调 整、低频声波水蒸气声波脉冲被衰减/阻 隔高能量超声脉冲发射、低频声波安息角变化的物料堆积形状（变化的回波反射表 面）高能量超声脉冲发射、增益自动调整、 真正的垂直安装泡沫声波脉冲被吸收高能量超声脉冲发射、增益自动调整其他气体（非空气）声速变化声速调节三、应用实例1、电厂灰料仓料位测量美国 Georgia Pacific 电力公司灰料仓曾采用过多种料位计，如射频导纳、电容、雷达等，因仓内浮尘太多导致探
8、头磨损、反射信号微弱等问题而不能长期使用。改用索尔公司U系 列超声波物位计后，其高能量超声脉冲发射的特点可以满足应用中要求的穿透能量， 低频声波 的特点可以更容易绕过障碍粉尘而顺利获得料位， 智能化回波处理程序的特点可以保证能够始 终锁定真实料位回波，特殊的聚丙烯探头的特点可以减小飞灰对探头的磨损，从而使u系列超 声波物位计能长期、准确、可靠地运行。试运行后， Georgia Pacific 电力公司全面采用 u 系列超声波物位计，安装总数达到 40 台。2、石灰石溜井料位测量山西铝厂矿山分厂的石灰石溜井料位测量中采用了 U 系列超声波物位计，其测量难点在于 溜井的直径小（仅3m）、测量范围大
9、（80m）、粉尘多，这在冶金矿山中是一个长期未能解决 的测量难题。该厂曾采用过雷达物位计等多种物位仪表，但均未获得成功。而采用 U 系列超声 波物位计后，测量正常，受到用户好评。3、污水坑液位测量 某用户的污水坑的顶部装有安全用格栅盖，要求不移走格栅盖测量液位，采用在格 栅上方0.3m处安装U系列超声波物位计，声波频率为30kHz，其频率较低，可绕过格栅使声 波不受大的影响，测量准确可靠。四、结束语U 系列超声波物位计具有高能量超声脉冲发射、低频声波、回波辨识、声速温度补偿等特 点，在泡沫、粉尘、雾气存在情况下可以完成测量任务。但它也存在精度稍低（ 0.25%）、测量 盲区稍大（约0.461.52 m）、未带Profibus-PA或FF现场总线接口等不足之处。
