了解超聲波連續液位測量的工作原理及優勢解析
返回列表發布日期：2019-02-16 10:27:44 |
超聲波水平是五種非接觸式連續水平測量技術之一，也是最常被濫用或誤用的技術之一。這是如何正確地做到這一點。
五種非接觸式液位測量技術是雷達，核，激光，重量和超聲波。他們每個人都有好點和壞點。例如，雷達在更精確的版本（頻率調制，連續波，FMCW）中相對昂貴，而核水平僅限于相對較小的船只，并且存在許可和安全考慮因素。激光似乎已經開發出應用領域，特別是在散裝固體和粉末的測量方面。稱重系統可以用在某些容器中，但它也是一種相對簡潔的應用解決方案。在所有這些中，超聲波物位測量是最廣泛使用的非接觸技術。超聲波液位變送器在大多數行業中使用，并且廣泛用于開放式通道流量測量系統，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“飛行時間”原理工作。傳感器發出高頻脈沖，通常在20 kHz至200 kHz范圍內，然后監聽回聲。脈沖以錐形傳播，通常在頂點約6°。脈沖沖擊水平面并反射回傳感器，現在充當接收器（圖1），然后充當發射器進行信號處理。
圖1.傳感器向表面發送脈沖并接收回波脈沖。
基本上，發射器將脈沖與其回波之間的時間除以2，即距離材料表面的距離。發射器設計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。
由于脈沖的高振幅，傳感器會物理振動或“振鈴”。想象一下被錘擊的不動鐘。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。這對于安裝在水平面上方的距離最小的區域非常重要。
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。
1.確保傳感器外殼的結構材料和傳感器的表面與容器內的材料兼容。大多數超聲波傳感器供應商提供多種傳感器結構材料，以防標準傳感器外殼不兼容。大多數傳感器都帶有PVC或CPVC外殼。通常可以使用PVDF，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，結構材料可能變形或壓電晶體可能改變其頻率。環境溫度的變化通常通過嵌入式溫度傳感器，遠程安裝的溫度傳感器或可用于測量環境溫度的已知距離的目標來補償。
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量中尤為重要。在一些散裝固體測量中??，可以對其進行修改（這將在本文的后續部分中討論）。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部結構而不是真實水平反彈的回聲。
4.確保容器內部不會撞擊傳感器的脈沖信號錐。如果他們這樣做，你可能會得到一個虛假的高振幅回波，它會淹沒來自材料表面的真實回波。
5.確保避免容器中的攪拌器和其他旋轉裝置。有時您可以使用額外的波導來完成此操作。如果不能，請確保購買的發射器可以補償進出信號錐的攪拌器葉片回波的影響。
6.將傳感器安裝在容器內無法被材料或冷凝水覆蓋的位置。涂層會使信號衰減，有時甚至會使涂層無法通過涂層到達表面和背面。如果無法避免涂層，請嘗試提供一些清潔傳感器表面的方法。一些發射器提供信號“品質因數”，可用于檢測涂層或其他信號故障并激活報警功能。
7.始終使用供應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增加聲響，并使信號無法使用。
應用注意事項
由于超聲波液位傳感器和發射器價格低廉且通常易于安裝，因此它們通常用于應用包絡的外邊緣，并且經常導致不穩定或錯誤的信號和信號故障。
圖2.有時測量值是“攪拌器關閉時的水平。”
1.即使攪拌器位于材料表面下方，也要盡量避免攪拌罐。攪動會產生漩渦或空化，這可能會削弱信號或使其從血管壁反彈。在某些情況下，攪動可能非常極端，以至于您試圖進行的測量是“如果關閉攪拌器，容器水平會是多少”（圖2）。這不是真正的測量，并且可能無法以任何程度的置信度或準確度進行測量。
2.通過擴散器或分布器將空氣或其他氣體引入容器的噴射罐可導致在材料表面上形成氣泡或泡沫。最好避免這種應用。一層氣泡或泡沫可以完全或部分地衰減信號。如果它完全衰減信號，就不會有回聲。如果它只是部分地衰減信號則更加陰險。在泡沫層中的某處可能發生虛假回波，而不是泡沫表面或泡沫下方液體表面（圖3）。
3.避免泡沫。泡沫可以對水平測量的準確性做三件事，而且所有這些都很糟糕。
（1）它可以衰減信號，使得沒有回聲或只有間歇回聲。有時可以使用發送器中的采樣保持電路或算法來處理間歇回聲，以便在下一個良好回聲之前電平不會改變。然而，有時候這可能是危險的，例如在水平非常接近最大填充點的船只的情況下。
圖3.氣泡，泡沫，蒸汽和內部結構使超聲波測量非常困難。
（2）泡沫可以提供真實水平的錯誤讀數。您可以從泡沫層內部獲取讀數，而不是實際級別。
（3）泡沫團塊可能會使回聲偏離垂直方向，并且傳感器可能會收到一個回波，該回波已經對船只的一側產生了一次或兩次跳躍，但仍然是一個足夠高的信號來欺騙發射器。
4.避免揮發性液體。當我在銷售時，我向美國東北部的一家主要公用事業公司出售了一臺超聲波發射器，用于測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，當時客戶報告傳感器堅持認為水箱中的水位比實際高出幾英尺。這種“重影水平”現象是罐中揮發性液體的函數。隨著環境溫度的升高，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，而不是罐中的實際油位。到6月下旬，傳感器定期讀數為80％至100％，因為初夏的熱量導致蒸氣層充滿油箱。我們用一臺正常工作的FMCW雷達傳感器取代了超聲波傳感器，我學到了一些東西。
5.在固體和粉末中，您可能必須將傳感器對準與水平面不成90度的點（垂直于容器的垂直軸）。您可能希望瞄準傳感器，因為在休息角的頂部，中間或底部存在鼠洞和休止角問題。嘗試讓變送器計算出實際水平。至少有一家供應商開發了一種多傳感器陣列，可以掃描休止角并確定容器的實際填充體積是多少。
6.避免加壓罐。聲速隨溫度和密度而變化，并且對水平面上方的蒸汽空間加壓會影響蒸汽空間的密度，從而影響聲速。
超聲波明渠流量計
超聲波液位傳感器和變送器最重要的應用之一是測量明渠流量（圖4）。
圖4.水平傳感器的工作方式與測量水平完全相同。主要設備（水槽或堰）測量流量。流量變送器獲取液位信號并基于主裝置產生流量值。
大多數相同的注意事項適用于用作流量計的超聲波液位傳感器，適用于用作液位測量裝置的超聲波液位傳感器。還有一些：
1.避免風吹日曬。風可以吹過蒸汽空間并衰減信號或將其吹走。Sun可以將傳感器外殼本身的溫度升高到超出設備的工作溫度范圍 - 并且高于環境溫度。
2.確保表面沒有泡沫。這可能經常發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。造成超聲波發射器的許多問題實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量區域引起的問題。
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，易于安裝且價格低廉。很容易將它們作為水平應用的無心傳感器，就像許多人使用差壓傳感器一樣。然而，正如許多用戶所發現的那樣，超聲波傳感器和發射器是棘手的野獸。與任何其他現場儀表一樣，在制造商推薦的應用范圍之外應用超聲波液位傳感器注定會失效，有時會失敗。但是，如果您遵循這些基本準則，您將獲得成功的超聲波水平安裝。
五種非接觸式液位測量技術是雷達，核，激光，重量和超聲波。他們每個人都有好點和壞點。例如，雷達在更精確的版本（頻率調制，連續波，FMCW）中相對昂貴，而核水平僅限于相對較小的船只，并且存在許可和安全考慮因素。激光似乎已經開發出應用領域，特別是在散裝固體和粉末的測量方面。稱重系統可以用在某些容器中，但它也是一種相對簡潔的應用解決方案。在所有這些中，超聲波物位測量是最廣泛使用的非接觸技術。超聲波液位變送器在大多數行業中使用，并且廣泛用于開放式通道流量測量系統，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“飛行時間”原理工作。傳感器發出高頻脈沖，通常在20 kHz至200 kHz范圍內，然后監聽回聲。脈沖以錐形傳播，通常在頂點約6°。脈沖沖擊水平面并反射回傳感器，現在充當接收器（圖1），然后充當發射器進行信號處理。
圖1.傳感器向表面發送脈沖并接收回波脈沖。
基本上，發射器將脈沖與其回波之間的時間除以2，即距離材料表面的距離。發射器設計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。
由于脈沖的高振幅，傳感器會物理振動或“振鈴”。想象一下被錘擊的不動鐘。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。這對于安裝在水平面上方的距離最小的區域非常重要。
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。
1.確保傳感器外殼的結構材料和傳感器的表面與容器內的材料兼容。大多數超聲波傳感器供應商提供多種傳感器結構材料，以防標準傳感器外殼不兼容。大多數傳感器都帶有PVC或CPVC外殼。通常可以使用PVDF，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，結構材料可能變形或壓電晶體可能改變其頻率。環境溫度的變化通常通過嵌入式溫度傳感器，遠程安裝的溫度傳感器或可用于測量環境溫度的已知距離的目標來補償。
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量中尤為重要。在一些散裝固體測量中??，可以對其進行修改（這將在本文的后續部分中討論）。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部結構而不是真實水平反彈的回聲。
4.確保容器內部不會撞擊傳感器的脈沖信號錐。如果他們這樣做，你可能會得到一個虛假的高振幅回波，它會淹沒來自材料表面的真實回波。
5.確保避免容器中的攪拌器和其他旋轉裝置。有時您可以使用額外的波導來完成此操作。如果不能，請確保購買的發射器可以補償進出信號錐的攪拌器葉片回波的影響。
6.將傳感器安裝在容器內無法被材料或冷凝水覆蓋的位置。涂層會使信號衰減，有時甚至會使涂層無法通過涂層到達表面和背面。如果無法避免涂層，請嘗試提供一些清潔傳感器表面的方法。一些發射器提供信號“品質因數”，可用于檢測涂層或其他信號故障并激活報警功能。
7.始終使用供應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增加聲響，并使信號無法使用。
應用注意事項
由于超聲波液位傳感器和發射器價格低廉且通常易于安裝，因此它們通常用于應用包絡的外邊緣，并且經常導致不穩定或錯誤的信號和信號故障。
圖2.有時測量值是“攪拌器關閉時的水平。”
1.即使攪拌器位于材料表面下方，也要盡量避免攪拌罐。攪動會產生漩渦或空化，這可能會削弱信號或使其從血管壁反彈。在某些情況下，攪動可能非常極端，以至于您試圖進行的測量是“如果關閉攪拌器，容器水平會是多少”（圖2）。這不是真正的測量，并且可能無法以任何程度的置信度或準確度進行測量。
2.通過擴散器或分布器將空氣或其他氣體引入容器的噴射罐可導致在材料表面上形成氣泡或泡沫。最好避免這種應用。一層氣泡或泡沫可以完全或部分地衰減信號。如果它完全衰減信號，就不會有回聲。如果它只是部分地衰減信號則更加陰險。在泡沫層中的某處可能發生虛假回波，而不是泡沫表面或泡沫下方液體表面（圖3）。
3.避免泡沫。泡沫可以對水平測量的準確性做三件事，而且所有這些都很糟糕。
（1）它可以衰減信號，使得沒有回聲或只有間歇回聲。有時可以使用發送器中的采樣保持電路或算法來處理間歇回聲，以便在下一個良好回聲之前電平不會改變。然而，有時候這可能是危險的，例如在水平非常接近最大填充點的船只的情況下。
圖3.氣泡，泡沫，蒸汽和內部結構使超聲波測量非常困難。
（2）泡沫可以提供真實水平的錯誤讀數。您可以從泡沫層內部獲取讀數，而不是實際級別。
（3）泡沫團塊可能會使回聲偏離垂直方向，并且傳感器可能會收到一個回波，該回波已經對船只的一側產生了一次或兩次跳躍，但仍然是一個足夠高的信號來欺騙發射器。
4.避免揮發性液體。當我在銷售時，我向美國東北部的一家主要公用事業公司出售了一臺超聲波發射器，用于測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，當時客戶報告傳感器堅持認為水箱中的水位比實際高出幾英尺。這種“重影水平”現象是罐中揮發性液體的函數。隨著環境溫度的升高，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，而不是罐中的實際油位。到6月下旬，傳感器定期讀數為80％至100％，因為初夏的熱量導致蒸氣層充滿油箱。我們用一臺正常工作的FMCW雷達傳感器取代了超聲波傳感器，我學到了一些東西。
5.在固體和粉末中，您可能必須將傳感器對準與水平面不成90度的點（垂直于容器的垂直軸）。您可能希望瞄準傳感器，因為在休息角的頂部，中間或底部存在鼠洞和休止角問題。嘗試讓變送器計算出實際水平。至少有一家供應商開發了一種多傳感器陣列，可以掃描休止角并確定容器的實際填充體積是多少。
6.避免加壓罐。聲速隨溫度和密度而變化，并且對水平面上方的蒸汽空間加壓會影響蒸汽空間的密度，從而影響聲速。
超聲波明渠流量計
超聲波液位傳感器和變送器最重要的應用之一是測量明渠流量（圖4）。
圖4.水平傳感器的工作方式與測量水平完全相同。主要設備（水槽或堰）測量流量。流量變送器獲取液位信號并基于主裝置產生流量值。
大多數相同的注意事項適用于用作流量計的超聲波液位傳感器，適用于用作液位測量裝置的超聲波液位傳感器。還有一些：
1.避免風吹日曬。風可以吹過蒸汽空間并衰減信號或將其吹走。Sun可以將傳感器外殼本身的溫度升高到超出設備的工作溫度范圍 - 并且高于環境溫度。
2.確保表面沒有泡沫。這可能經常發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。造成超聲波發射器的許多問題實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量區域引起的問題。
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，易于安裝且價格低廉。很容易將它們作為水平應用的無心傳感器，就像許多人使用差壓傳感器一樣。然而，正如許多用戶所發現的那樣，超聲波傳感器和發射器是棘手的野獸。與任何其他現場儀表一樣，在制造商推薦的應用范圍之外應用超聲波液位傳感器注定會失效，有時會失敗。但是，如果您遵循這些基本準則，您將獲得成功的超聲波水平安裝。