超聲波液位計在液位測量中的應用

1 測量原理
      一般把振動頻率超過20kHz的聲波稱為超聲波，屬于機械波的一種，其特征是頻率高、波長短、繞射現象小，另外方向性強，能夠成為射線而定向傳播。超聲波在液體中的衰減很小，因而穿透能力強，超聲波液位計測量液位正是利用了它的這一特征。
      超聲波液位計工作時，超聲波換能器（探頭）發出高頻脈沖聲波，遇到被測水面的表面被反射回來，折回的反射回波被換能器接收，轉換成電信號。聲波的傳播時間與換能器到被測介質表面的距離成正比。聲波傳輸距離L與聲速C和傳輸時間T的關系可用公式 （1）表示：
L=C×T/2                   （1）
超聲波液位計 在發射超聲波脈沖時，不能同時檢測反射回波。由于發射的超聲波脈沖具有一定的時間寬度，且發射完超聲波后換能器存在余振，期間不能檢測反射回波，造成探頭表面下的一小段區域內的反射波與發射波重迭，無法識別，不能正常檢測，這一段區域稱為測量盲區。盲區的大小與超聲波液位計的量程有關。
2 安裝
2.1 安裝應遵循的原則
      （1）探頭發射面到最低液位之間的距離應小于液位計的量程；
      （2）探頭發射面到最高液位之間的距離應大于液位計的盲區（安裝高度>最高液位+盲區），如圖1所示；
      （3）探頭發射面應該與被測液面保持平行，這樣聲波就可以垂直發射到被測液面，以保證最大的能量返回。

2.2 安裝要求及注意事項
      （1）一般采用法蘭或螺紋安裝方式，不建議吊裝，因為吊裝易受風的影響而產生晃動；
      （2）探頭的正下方應盡量避開進、出料口等液面有劇烈波動的位置，如圖2所示；
      （3） 由于聲束角的存在，探頭安裝時應與器壁或池壁保持一定的間距，如圖3所示；
      （4）超聲波波束所輻射的范圍內， 不能有障礙物，安裝時應盡量避開池內或容器內設施，如扶梯、管路、攪拌器等；
      （5）安裝地點應盡可能遠離易產生強電磁干擾的設備；
      （6）不要在同一個容器里安裝多個超聲波液位計，以避免彼此干擾而產生測量誤差；
      （7） 對于頂部為拱形的容器，液位計安裝應偏離罐頂中心位置，以避免形成多次反射回波，如圖4所示；
      （8） 頂部為平面的錐形容器，液位計應盡可能安裝在頂部中心，如圖5所示；
      （9） 當容器上有接管且接管無法縮短使得探頭發射面不能伸出容器內壁時或者探頭發射面到最高液位的距離小于盲區，導致無法正確檢測時，需加裝延伸管，延伸管應與液面垂直，內壁要光滑；
      （10）應盡量避免安裝在液面容易堆積泡沫、漂浮物或劇烈波動的地方，因為會影響回波質量，產生虛假回波，從而影響測量精度。必要時可加裝導波管，其長度至最低液位即可，應保證管內、外液體能自由、同步升降，內壁要光滑；
      （11）盡量不要使用在有水蒸汽的場合，如果有蒸汽，易形成水珠附著在探頭的表面， 對正常測量造成影響；
      （12）安裝位置應避免強震動，如安裝在輕震動區域，可安裝橡膠墊圈減振；
      （13）露天安裝時應加裝遮陽（雨）罩；
      （14）信號線應采用屏蔽電纜，且單點接地；
      （15）應在液位計的標稱環境溫度下使用。

3 溫度補償與聲速校正
      空氣中的聲速與空氣溫度的關系為V=（331.5 + 0.6t）m/s，從這個聲速的溫度補償公式可以看出，聲速受溫度影響較大。在空氣中，溫度差1℃，對聲速的影響就是0.6ｍ/s。在20℃，1標準大氣壓下，聲速約為344ｍ/s， 從而可知， 對測量誤差的影響約為0.17％，當溫度誤差超過3℃時，液位的測量誤差就超過了0.5%。所以，應測量環境溫度，以修正聲速。我們在實際應用中，應選擇有溫度補償功能的超聲波液位計，以克服環境溫度變化對液位測量帶來的影響。
4 常見故障診斷
      在液位計使用過程中出現故障時，可按照如下方法進行故障診斷，以便快速正確地處理：
      （1）檢查線路連接是否正確；
      （2）如液面劇烈波動，可考慮適當增加阻尼時間；
      （3）探頭表面是否被噴濺或有凝結，從而阻擋聲波的收發；
      （4）檢查液面是否堆積、漂浮泡沫，泡沫會給回波帶來不利影響；
      （5）液位是否進入盲區范圍之內；
      （6）電源電壓是否在標稱范圍之內；
      （7）液位計周圍是否有干擾源；
      （8）安裝是否合理，可參照本文第3章節的相關條款進行檢查處理。
5 超聲波液位計的檢定/校準
      目前，我國尚無專門針對超聲波液位計的檢定規程，檢定/校準工作可按照《JJG 971-2002 液位計檢定規程》中的相關條款進行。液位計的檢定周期一般不超過1年，也可根據使用環境條件、頻繁程度和重要性來確定。企業也可根據自身條件，參照國家計量檢定規程，制定企業內部相應的校準規范。
5.1 計量性能要求
      （1）示值誤差 示值的最大允許誤差為±（a%FS+b）
      其中：a為液位計的精度；FS為液位計的量程；b為液位計的分辨力
      （2）回差 超聲波液位計的回差應不超過示值最大允許誤差絕對值的二分之一。
      （3）穩定性超聲波液位計連續工作24h， 示值誤差仍符合（1）的要求。
      （4）液位信號輸出誤差 輸出誤差應不超過輸出量程的±c%。
      其中：c為液位計的精度
5.2 檢定方法
      液位計的檢定方法一般有2種，檢定點的選擇應按量程基本均布，一般應包括上限、下限在內不少于5個點。
      （1）用液位計水箱檢定裝置的檢定方法：定型鑒定（或樣機試驗）和首次檢定及仲裁檢定時必須用此方法進行。
      （2）用模擬液位的檢定方法：將液位計的傳感器對準垂直放置的反射平板。距離大于量程的某點作為零點，逐漸靠近和離開以模擬液位的升高和降低進行檢定。
      在常溫、常壓的情況下，使用超聲波液位計測量液位是最佳的選擇，具有工作可靠、安裝簡便、免維護等特點。對于粘稠的、腐蝕性的、渾濁的等各種液體的液位測量，效果最佳。正確定位和合理安裝是超聲波液位計可靠工作的前提和關鍵。一般不用在負壓場合，負壓情況下空氣稀薄，超聲波在稀薄的空氣中傳播，聲速會發生變化，造成測量誤差，而且聲波衰減會增大，導致測量量程減小甚至無法測量。