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超聲波物位計的原理和運用

超聲波物位計也稱超聲波液位計，超聲波水位計，超聲波料
位計。是一種優(yōu)良的非接觸的界面測量設備。適合石油、化工、自
來水、污水處理、水利水文、鋼鐵、煤礦、電力、交通以及食品加工等行業(yè)。
它安裝，操作簡便，適用性廣，價格低廉。是一種物美價廉的物
位物位、液位測量設備。
一、超聲波物位計的原理：超聲波物位計安裝于容器上部，
在電子單元的控制下，探頭向被測物體發(fā)射一束超聲波脈沖。聲
波被物體表面反射，部分反射回波由探頭接收并轉換為電信號。
從超聲波發(fā)射到被重新被接收，其時間與探頭至被測物體的距離
成正比。電子單元檢測該時間，并根據已知的聲速計算出被測距
離。用探頭到罐底的距離－探頭到液位的距離＝實際液位或者
物位高度。把液位高度轉換成４～２０ｍＡ電流信號、１～５Ｖ
電壓信號輸出。或者通過４８５通信，Ｈａｒｔ通信，ＧＰＲＳ
通信傳輸到控制中心。由于溫度對聲速具有較大的影響，所以儀
表應測量環(huán)境溫度，以修正聲速。超聲物位計的測量原理見圖
（１）
圖（１）
二、超聲波物位計運用的系統(tǒng)框圖：見圖（２）
在系統(tǒng)運用中，由超聲物位計測量液位的高度并轉換成標準信
號送到控制中心?？刂浦行臋z測到儀表送來的液位信息，并根據
液位的高度和實際需要來對加料或者減料進行控制。
控制中心
電源
物位儀表檢測液位物位
高度
物位高度
加料控制
減料控制
需要加料
需要減料
圖（２）
三、超聲物位計的主要的幾個技術指標
１、量程和盲區(qū)：量程和盲區(qū)是反映超聲物位計的兩個重要的
指標。
量程代表的是這個物位計能測量的zui大范圍。反映的是換
能器的靈敏度。也就是說，量程越大，靈敏度越高。大部分廠家
標稱的量程都是針對平整液面來說的，也就是說實際測量的時
候，液位波動，表面有漂浮物，測量是固體料位，有粉塵，有蒸
汽，都是有可能導致量程不能達到標稱的值。比如５０ｍ量程的
設備，如果測玉米的時候，實際只能測到２０ｍ。
盲區(qū)是反映換能器好壞的重要指標。盲區(qū)也稱死區(qū)，超聲
液位計測量不到的一段距離，他是由于*的余震造成
的。比如盲區(qū)３０ｃｍ，也就是說，在液面跟探頭的距離小于３
０ｃｍ的時候，將會出現(xiàn)不能測量的情況。那么相同量程的產品，
盲區(qū)越小，說明這個換能器的設計越好。對一些密閉罐體或者短
量程的測量來說，安裝會越方便。因此盲區(qū)成為相同量程產品衡
量換能器做得好壞的一個重要指標。
２、溫度和精度。
溫度范圍大部分標稱是－２０～６０°Ｃ這個范圍。因為
大部分用液晶顯示的物位計，液晶屏的工作溫度只能在這個范
圍，超出這個范圍，液晶顯示都會出現(xiàn)不正常現(xiàn)象。如果不考慮
液晶顯示的限制，一般都可以做到－４０～８０°Ｃ的范圍。壓
電陶瓷有個居里溫度約300度。居里溫度的一般是安全溫度，所
以一般情況下，*的工作溫度很難超過150度。當超過
150°Ｃ溫度的時候，很容易對里面的壓電陶瓷損壞。因此150
度可以看成是一個破壞溫度。另外*制造過程用的
部分材料，不能在１００°Ｃ以上的溫度長時間工作。大部分換
能器的極限溫度是100°Ｃ。
為什么把精度和溫度放在一起考慮，因為在空氣中，溫度
測量誤差１°Ｃ，對聲速的影響是0.6ｍ/S，20°Ｃ，１個大氣壓
下聲速約為340ｍ／Ｓ。因此可以算出，對測量誤差的影響是0.17
％，也就是說，如果溫度測量誤差超過３°Ｃ，物位測量誤差就
超過大部分廠家0.5%的標稱范圍。因此實際0.5％的精度針對的
是常溫常壓下的。對偏高和偏低的溫度，都有可能導致測量精度
超過0.5％的情況。有溫度梯度，溫度變化快的場合，測量誤差
也會因此增大。另外對測量精度影響zui大的是氣體成份。也就是
說在一些揮發(fā)性液體的場合，因為液體的揮發(fā)導致空氣成分變
化，接著導致氣體聲速變化引起的測量誤差。
３、壓力。
在負壓的情況下，一般不推薦用超聲測量，因為超聲傳播
是通過氣體來實現(xiàn)的。負壓力意味著里面的空氣稀薄，超聲在稀
薄空氣下傳播，一個是聲速會變化，引起測量誤差，二是稀薄空
氣里面，聲波衰減增大，導致測量量程減小甚至不能測量。
正壓力主要是探頭結構的影響，只要探頭結構沒有問題。
不會引起漏氣現(xiàn)象。那么在大的壓力情況下超聲物位計是可以工
作的。
４、腐蝕性：物位計的腐蝕性主要考驗的是探頭的材質。在弱
酸弱堿的環(huán)境下，普通的塑料外殼就可以了。用聚四氟乙烯的
外殼，可以耐大部分的強酸強堿。這里要注意的是，如果被測
物質有比較強的腐蝕性和揮發(fā)性，那么用一體物位計的時候，
把電路板進行膠峰。因為大部分的可以防水的殼體，都不
能防氣體。氣體進入一體設備里面后，會俯視電路板。
５、方向性和安裝結構
安裝結構一般有法蘭和螺紋兩種安裝方式。不推薦使用吊
裝。因為吊裝容易受風的影響。但安裝的時候，一般要考慮盲區(qū)
的影響。我們要在物理上保證zui高液面到探頭表面的距離大于盲
區(qū)。為了避開盲區(qū)，用加長導管安裝的時候，必須注意的是，探
頭輻射面兩端與導管端面兩端形成的夾角必須大于換能器的銳
度角。（銳度角：波束兩側出現(xiàn)*個極小值之間的夾角）大部分物
位計用的換能器都可以看成一個圓型活塞陣。那么銳度角的角度可以
通過下面的公式計算出來：換能器銳度角的計算公式：θ ＝
2arcsin（0.61λ/a）。產品標稱的是一般是換能器的半功率角。半功率角
的計算公式為：θ-3dB=2arcsin（0.26λ/a）。這樣就可以驗證一下廠家標
稱的波束角是否是真實的。波束角不是越小越好，因為對大量程的
產品來說，波束角太小，那么要垂直對準液面則比較困難。
λ= 波長＝ 聲速/頻率
a=半徑，是換能器的輻射面的半徑
６、供電方式和信號輸出方式：供電方式一般是交流電源９
５～２３０ＶＡＣ，24ＶＤＣ四線制，２４ＶＤＣ兩線制三種。
輸出方式有：顯示界面，電流４～２０ｍＡ，電壓１～５Ｖ，
通信方式４８５通信，Ｈａｒｔ通信，ＧＰＲＳ通信等。
三、超聲物位計現(xiàn)場使用時候的安裝注意事項
１、垂直
換能器安裝的時候，要保證換能器的發(fā)射面和要被探測的平
面平行，這樣聲波就可以垂直發(fā)射到被測物體表面。這樣可以保
證zui大的能量返回。
技巧：如果現(xiàn)場環(huán)境有蒸汽，容易形成水珠附在探頭的表面，
并且探頭的量程比實際要測量的距離大比較多。那么可以傾斜3
度左右，這樣可以避免水珠結水的影響。
２、盲區(qū)
zui高液位到超聲液位計探頭表面的距離應該大于探頭的
盲區(qū)。
這里需要注意的是：我們的盲區(qū)是在比較理想的狀態(tài)下
測得的。因此如果我們的安裝的是封閉的灌體，那么盲區(qū)值
加大20%。如果因為液位會攪動，用了很長的導管來安裝，那么
盲區(qū)值也加大20％為了避開盲區(qū)，我們經常會用加長導管
的方式來避開盲
在利用加長導管安裝的時候，必須保證角度ＡＯＢ>探
頭的銳度角。
A
o
B
超聲探頭
加長導管
３、罐壁和障礙物
如果罐壁是光滑的，并且液位降低的時候，不會出
現(xiàn)掛料的情況，那么大部分距離灌壁３０ｃｍ的距離安
裝就可以。如果灌壁是粗糙的，那么探頭安裝的位置要
遠離灌壁。灌底不是平面的，那么在零液位的時候可能
出現(xiàn)誤測。如果是圓錐型底面，可以考慮把探頭安裝在
圓錐頂點正上方。對于圓型的橫桿，只要距離超過１ｍ，
直徑不超過５ｃｍ，影響不大。否則盡量避開。但對平
面的橫桿，灌壁有直角的情況，要盡量的避開。
４、有攪拌和波動
如果有攪拌或者波動的場合，可以用加長導管安
裝。導管直接申入液位底面。導管的直徑只要大于探頭的
輻射面即可，但是要保證導管的內壁光滑，并且液位什降
過程中不掛料，管內液位和管外一致。如果大量程不適合
用導管安裝的，可以減小量程使用，具體減小多少要看波
浪的大小。
四、超聲物位計和雷達射頻導納物位測量設備相比的優(yōu)缺點
產品優(yōu)點缺點
超聲波物位計安裝方便，性能
穩(wěn)定，測量精度高，
價格低廉。
對溫度，粉塵，
蒸汽，壓力的影響比
較敏感。
雷達物位計安裝方便，性能穩(wěn)定，
測量精度高。對溫度，
壓力的影響不敏感，
價格高昂，低頻
的雷達體積龐大。對
射頻干擾的影響明
顯。對被測介質的介
電常數有要求。對粉
塵和蒸汽的影響和超
聲是一樣的。
射頻導納物位
計
不怕粉塵干擾，
適合固體粉塵環(huán)境測
量。價格低廉。
安裝比較麻煩，
是接觸式的測量方
式，測量精度不高。
五、超聲波物位計的相關產品
超聲波物位計有很多相關產品，原理一樣，只是測量的方
式有點不同。大致有以下幾種：
１、超聲淤泥計。放入水中檢測淤泥的高度。
２、灌底安裝外貼式超聲波物位計
３、超聲波液位開關
４、外貼式液位開關
總結：超聲波物位計是優(yōu)良的界面測量設備。在水處理，化工，
冶金，電力，水利等許多領域都有廣泛的運用。但每個產品
都有它的優(yōu)缺點，在運用過程中，盡量避開它的缺點，利用
它的優(yōu)點，那么在實際使用的時候，就能發(fā)揮它的zui大作用。
福州飛鷹超聲波
張思榕