回归基本:超声波连续液位测量

超声波液位是五大非接触连续液位测量技术之一,也是最常被错用误用的技术。Walt Boyes将在本文介绍如何正确运用该技术。

五大非接触液位测量技术分别为:雷达、核能、激光、重量和超声波。这五种技术皆有利有弊,以雷达技术为例,准确度越强(调频、连续波、FMCW),成本越较高。而核能液位测量局限于相对较小的容器,且存在许可和安全性等问题。激光的应用领域发展得较为成熟,主要用于测量散装固体和粉末。某些容器中也能采用重量测量系统,但它也属于相对局限的应用解决方案。而超声波液位测量是它们之中最为常用的非接触技术,广泛用于多个工业领域,特别是明渠水流系统,且超声波液位测量常位于堰流或水槽顶端。

工作原理

超声波液位计利用声速,以“飞行时间”为工作原理。传感器通常发出范围在20-200 kHz的高频脉冲,然后收取回波。脉冲常以顶尖角度为6°的圆锥体形进行传送。脉冲对液面产生影响,随后反射回传感器,扮演接收器角色(图1),最后传送至发射器进行信号处理。

大体上发射器将脉冲和回波之间的时间分为两部分,即到材料表面的距离。发射器的设计使其能收取最大振幅回波脉冲(回波),并屏蔽容器中所有其它的超声信号。

由于脉冲振幅较大,传感器将震动或“鸣响”。形似锤击静止的鸣钟。故设计约12-18英寸(300-450mm)称为“消隐”的距离,避免传感器鸣响造成的不实读数。这对在液面上方距离较小的位置进行安装尤为关键。

超声波传感器
图1,传感器向液面发出脉冲并接收回波脉冲。

物理安装问题

超声波液位传感器物理安装需注意的重要事项如下:

1.确保传感器外壳和传感器表面的构造材料能与容器内部材料相容。为避免标准传感器外壳不相容的情况,大多数超声波传感器供应商都提供广泛的传感器构造材料以供选择。

大多数传感器都是PVC或CPVC外壳。通常可用PVDF、PTFE (聚四氟乙烯)和PFA(乙烯-四氟乙烯共聚物)。某些情况下甚至也可提供聚合的铝或不锈钢外壳。

2.确保传感器工作温度范围并未超过最低或最高限制。否则材质构造可能变形,压电晶体频率也可能改变。通常可采用内置温度传感器或远程安装的温度传感器对环境温度的改变进行补偿,亦可采用已知距离目标测量环境温度。

3.使表面以90°面向材料面的形式安装传感器。这在测量液体或浆体液位时尤为重要。在测量散装固体时则可作出调整(下文会对此进行探讨)。若不以90°安装,传感器将完全忽略回波,或仅接收容器壁或容器内部结构反弹的回波而非实际液位的回波。

4.确保容器内部构件不影响传感器的锥形脉冲信号。若产生影响,则可能产生过高的不实振幅回波,而材料表面实际回波被其吞没。

5.确保避开容器内的搅拌器或其他旋转装置。通常附加波导管即可实现这一目标。若无法采用波导管,可购买发射器,补偿搅拌器叶片进出信号锥对回波产生的影响。

6.将传感器安装至容器内不会被材料或凝露覆盖的位置。受其它物质覆盖将减弱信号,甚至使信号弱到无法穿透覆盖物表层进行回发。若无法避免覆盖,设法对传感器表面进行清洁。一些发射器具备信号“灵敏值”功能,能探测覆盖物或其他信号问题并发出预警。

7.务必采用制造商提供的传感器安装五金。硬管布线情况下,超声波传感器会增大鸣响并导致信号失效。

应用注意事项

由于超声波传感器和发射器廉价且易于安装,它们常用于应用外层的外缘,因此经常出现不稳定、错误信号或信号故障。

1. 即使搅拌器位于材料面以下,尽量避免在搅拌槽应用。搅拌可能产生漩涡或气穴,它们可能导致信号衰减或信号在容器壁上反弹。某些情况下,搅拌过于猛烈,实际需要测量的是“搅拌器关闭后的容器液位”(图2)。这样的测量结果并不真实,没有任何可信度或准确度可言。

2.在喷射罐中用喷雾器或喷洒器引入空气或其他气体时,可能导致材料表面产生气泡或泡沫。建议避免此类应用。气泡或泡沫层会使信号全部或部分衰减。若导致信号全部衰减,因此无任何回波反馈。若信号部分衰减,结果更加严重,泡沫层将产生虚假回波,而并非泡沫表面或泡沫下方液面产生的回波(图3)。

3.避免产生泡沫。泡沫会对液位测量准确度产生三个不良影响。第一,泡沫将衰减信号,从而导致无回波或间歇性回波。可在发射器中使用采样保持线路或运算来处理间歇回波,在良好回波出现前液面不受改变。然而,在容器液面距最大填充点过近等情况下,这样做便十分危险。

其次,泡沫将导致出现非真实液面的错误读数。得到的可能是泡沫层,而并非实际液位的读数。

最后,泡沫从会导致回波在垂直方向发生偏转,传感器接收到的是容器壁上反弹的一两束回波,这种反弹回波强度足以使发射器误以为真。

4.避免挥发性液体。当我还是一名销售时,曾向美国西北部大型公共设施售出过一款用于测量巨型燃油罐液位的超声波发射器。该传感器安装于11月初,直到次年5月中旬都工作良好,随后客户反应传感器报告的液位始终比罐内的实际液位高出数英尺。

这种“虚幻液位”现象即是罐内挥发性液体造成的。当环境温度升高时,燃油上的蒸汽层密度变大且高度增加。超声波传感器感知的是蒸汽层顶端,而非罐内实际燃油液位。

6月下旬,由于夏季高温度产生的蒸汽层充满了整个罐体,传感器读数基本为80%-100%。我们用FMCW雷达传感器替代超声波传感器后,读数变得正确,也让我理解了其中的原因。

5.针对固体或粉末,传感器不能定位在与液面呈90度的位置(与容器纵轴垂直)。出于鼠眼和休止角的考虑,或许可将传感器定位于休止角顶端、中点或底部。尽量使发射器计算实际液位。至少有一家供应商已开发出能扫描休止角和决定容器实际注入量的多传感器阵列。

6.避免增压箱。声速随温度和密度而改变。压缩液面上方的蒸汽空间将影响蒸汽空间的密度,从而改变声速。

安装问题
图2,某些情况下,测量值为“关闭搅拌器后的液位情况”

外层外缘的挑战
图3,气泡、泡沫、蒸汽和内部结构大幅增加了超声波测量的难度。

超声波明渠流量计

超声波液位传感器和发射器最重要的应用之一便是测量明渠水流(图4)

当超声波液位传感器作为流量计测量罐内液面时,也需注意下列事项:

1.避免风吹日晒。风能吹进蒸汽层中,从而部分或完全衰减信号。日晒将导致传感器自身外壳温度增加,超过设备工作温度限额并高于环境温度。

2.确保表面无泡沫。硝化废水排放时常产生泡沫。

3.确保表面无过多紊流或波纹(若堰流或水槽尺寸够大,还应避免波浪作用)。

4.首先,确保堰流或水槽中的安装正确。许多时候误认为超声波发射器出现的故障,实际都是由于水槽液位并未垂直和水平安装,或安装未能从前往后完全覆盖测量区域导致的。

5.制定措施,避免传感器冬季结冰,夏季滴露。

明渠水流
图4,液位传感器工作原理完全相同,即测量液位。主设备(堰流或水槽)测量流量。流量发射器接收液面信号并根据主设备产生流量值。

用法单一—不可!

超声波传感器简单易懂,易于安装且价格低廉。正如选择差压液位传感器一般,人们经常不假思索的选择超声波传感器。然而,许多用户却发现超声波传感器和发射器有时特别令人头疼。与其它任何领域的仪表一样,若不听取制造商建议,在外层过远位置安装超声波液位传感器注定失败,甚至产生一塌糊涂的结果。相反,遵守基本准则便能成功安装超声波液位传感器。

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