了解超声波连续液位测量的工作原理及优势解析
返回列表发布日期：2019-02-16 10:27:44 |
超声波水平是五种非接触式连续水平测量技术之一，也是最常被滥用或误用的技术之一。这是如何正确地做到这一点。
五种非接触式液位测量技术是雷达，核，激光，重量和超声波。他们每个人都有好点和坏点。例如，雷达在更精确的版本（频率调制，连续波，FMCW）中相对昂贵，而核水平仅限于相对较小的船只，并且存在许可和安全考虑因素。激光似乎已经开发出应用领域，特别是在散装固体和粉末的测量方面。称重系统可以用在某些容器中，但它也是一种相对简洁的应用解决方案。在所有这些中，超声波物位测量是最广泛使用的非接触技术。超声波液位变送器在大多数行业中使用，并且广泛用于开放式通道流量测量系统，位于水槽或堰上。
它是如何工作的？
超声波液位传感器使用声速来通过“飞行时间”原理工作。传感器发出高频脉冲，通常在20 kHz至200 kHz范围内，然后监听回声。脉冲以锥形传播，通常在顶点约6°。脉冲冲击水平面并反射回传感器，现在充当接收器（图1），然后充当发射器进行信号处理。
图1.传感器向表面发送脉冲并接收回波脉冲。
基本上，发射器将脉冲与其回波之间的时间除以2，即距离材料表面的距离。发射器设计用于收听最高幅度的返回脉冲（回声）并屏蔽容器中的所有其他超声波信号。
由于脉冲的高振幅，传感器会物理振动或“振铃”。想象一下被锤击的不动钟。大约12英寸到18英寸（300毫米到450毫米）的距离称为“消隐距离”，旨在防止传感器振铃的虚假读数。这对于安装在水平面上方的距离最小的区域非常重要。
物理安装问题
超声波液位传感器有一些重要的物理安装注意事项。
1.确保传感器外壳的结构材料和传感器的表面与容器内的材料兼容。大多数超声波传感器供应商提供多种传感器结构材料，以防标准传感器外壳不兼容。大多数传感器都带有PVC或CPVC外壳。通常可以使用PVDF，PTFE（Teflon）和PFA（Tefzel）。在某些情况下，可以提供具有聚合物面的铝或不锈钢外壳。
2.确保在高温或低温端不超过传感器的工作温度范围。如果超过温度范围，结构材料可能变形或压电晶体可能改变其频率。环境温度的变化通常通过嵌入式温度传感器，远程安装的温度传感器或可用于测量环境温度的已知距离的目标来补偿。
3.找到传感器，使传感器的表面与材料表面精确成90°。这在液体和浆料液位测量中尤为重要。在一些散装固体测量中??，可以对其进行修改（这将在本文的后续部分中讨论）。如果你不这样做，你的回声将完全被传感器遗漏，或者它将使用从血管壁或血管内部结构而不是真实水平反弹的回声。
4.确保容器内部不会撞击传感器的脉冲信号锥。如果他们这样做，你可能会得到一个虚假的高振幅回波，它会淹没来自材料表面的真实回波。
5.确保避免容器中的搅拌器和其他旋转装置。有时您可以使用额外的波导来完成此操作。如果不能，请确保购买的发射器可以补偿进出信号锥的搅拌器叶片回波的影响。
6.将传感器安装在容器内无法被材料或冷凝水覆盖的位置。涂层会使信号衰减，有时甚至会使涂层无法通过涂层到达表面和背面。如果无法避免涂层，请尝试提供一些清洁传感器表面的方法。一些发射器提供信号“品质因数”，可用于检测涂层或其他信号故障并激活报警功能。
7.始终使用供应商提供的传感器安装硬件。超声波传感器的硬管接线可能会增加声响，并使信号无法使用。
应用注意事项
由于超声波液位传感器和发射器价格低廉且通常易于安装，因此它们通常用于应用包络的外边缘，并且经常导致不稳定或错误的信号和信号故障。
图2.有时测量值是“搅拌器关闭时的水平。”
1.即使搅拌器位于材料表面下方，也要尽量避免搅拌罐。搅动会产生漩涡或空化，这可能会削弱信号或使其从血管壁反弹。在某些情况下，搅动可能非常极端，以至于您试图进行的测量是“如果关闭搅拌器，容器水平会是多少”（图2）。这不是真正的测量，并且可能无法以任何程度的置信度或准确度进行测量。
2.通过扩散器或分布器将空气或其他气体引入容器的喷射罐可导致在材料表面上形成气泡或泡沫。最好避免这种应用。一层气泡或泡沫可以完全或部分地衰减信号。如果它完全衰减信号，就不会有回声。如果它只是部分地衰减信号则更加阴险。在泡沫层中的某处可能发生虚假回波，而不是泡沫表面或泡沫下方液体表面（图3）。
3.避免泡沫。泡沫可以对水平测量的准确性做三件事，而且所有这些都很糟糕。
（1）它可以衰减信号，使得没有回声或只有间歇回声。有时可以使用发送器中的采样保持电路或算法来处理间歇回声，以便在下一个良好回声之前电平不会改变。然而，有时候这可能是危险的，例如在水平非常接近最大填充点的船只的情况下。
图3.气泡，泡沫，蒸汽和内部结构使超声波测量非常困难。
（2）泡沫可以提供真实水平的错误读数。您可以从泡沫层内部获取读数，而不是实际级别。
（3）泡沫团块可能会使回声偏离垂直方向，并且传感器可能会收到一个回波，该回波已经对船只的一侧产生了一次或两次跳跃，但仍然是一个足够高的信号来欺骗发射器。
4.避免挥发性液体。当我在销售时，我向美国东北部的一家主要公用事业公司出售了一台超声波发射器，用于测量巨大的燃油舱中的水位。该传感器于11月初安装完毕，直到次年5月中旬才开始工作，当时客户报告传感器坚持认为水箱中的水位比实际高出几英尺。这种“重影水平”现象是罐中挥发性液体的函数。随着环境温度的升高，燃料油顶部的蒸汽覆盖层开始变得更加密集并且高度增加。超声波传感器拾取蒸汽层的顶部，而不是罐中的实际油位。到6月下旬，传感器定期读数为80％至100％，因为初夏的热量导致蒸气层充满油箱。我们用一台正常工作的FMCW雷达传感器取代了超声波传感器，我学到了一些东西。
5.在固体和粉末中，您可能必须将传感器对准与水平面不成90度的点（垂直于容器的垂直轴）。您可能希望瞄准传感器，因为在休息角的顶部，中间或底部存在鼠洞和休止角问题。尝试让变送器计算出实际水平。至少有一家供应商开发了一种多传感器阵列，可以扫描休止角并确定容器的实际填充体积是多少。
6.避免加压罐。声速随温度和密度而变化，并且对水平面上方的蒸汽空间加压会影响蒸汽空间的密度，从而影响声速。
超声波明渠流量计
超声波液位传感器和变送器最重要的应用之一是测量明渠流量（图4）。
图4.水平传感器的工作方式与测量水平完全相同。主要设备（水槽或堰）测量流量。流量变送器获取液位信号并基于主装置产生流量值。
大多数相同的注意事项适用于用作流量计的超声波液位传感器，适用于用作液位测量装置的超声波液位传感器。还有一些：
1.避免风吹日晒。风可以吹过蒸汽空间并衰减信号或将其吹走。Sun可以将传感器外壳本身的温度升高到超出设备的工作温度范围 - 并且高于环境温度。
2.确保表面没有泡沫。这可能经常发生在硝化废水排放中。
3.确保表面上没有太多的湍流或涟漪（或者水槽或堰足够大，波浪作用）。
4.最重要的是，确保正确安装水槽或堰。造成超声波发射器的许多问题实际上是由于水槽没有水平和垂直安装水平以及从前到后穿过测量区域引起的问题。
5.制定措施以防止冬季在传感器上形成冰或在夏季滴水。
One-Trick Pony - 不是！
超声波传感器易于理解，易于安装且价格低廉。很容易将它们作为水平应用的无心传感器，就像许多人使用差压传感器一样。然而，正如许多用户所发现的那样，超声波传感器和发射器是棘手的野兽。与任何其他现场仪表一样，在制造商推荐的应用范围之外应用超声波液位传感器注定会失效，有时会失败。但是，如果您遵循这些基本准则，您将获得成功的超声波水平安装。
五种非接触式液位测量技术是雷达，核，激光，重量和超声波。他们每个人都有好点和坏点。例如，雷达在更精确的版本（频率调制，连续波，FMCW）中相对昂贵，而核水平仅限于相对较小的船只，并且存在许可和安全考虑因素。激光似乎已经开发出应用领域，特别是在散装固体和粉末的测量方面。称重系统可以用在某些容器中，但它也是一种相对简洁的应用解决方案。在所有这些中，超声波物位测量是最广泛使用的非接触技术。超声波液位变送器在大多数行业中使用，并且广泛用于开放式通道流量测量系统，位于水槽或堰上。
它是如何工作的？
超声波液位传感器使用声速来通过“飞行时间”原理工作。传感器发出高频脉冲，通常在20 kHz至200 kHz范围内，然后监听回声。脉冲以锥形传播，通常在顶点约6°。脉冲冲击水平面并反射回传感器，现在充当接收器（图1），然后充当发射器进行信号处理。
图1.传感器向表面发送脉冲并接收回波脉冲。
基本上，发射器将脉冲与其回波之间的时间除以2，即距离材料表面的距离。发射器设计用于收听最高幅度的返回脉冲（回声）并屏蔽容器中的所有其他超声波信号。
由于脉冲的高振幅，传感器会物理振动或“振铃”。想象一下被锤击的不动钟。大约12英寸到18英寸（300毫米到450毫米）的距离称为“消隐距离”，旨在防止传感器振铃的虚假读数。这对于安装在水平面上方的距离最小的区域非常重要。
物理安装问题
超声波液位传感器有一些重要的物理安装注意事项。
1.确保传感器外壳的结构材料和传感器的表面与容器内的材料兼容。大多数超声波传感器供应商提供多种传感器结构材料，以防标准传感器外壳不兼容。大多数传感器都带有PVC或CPVC外壳。通常可以使用PVDF，PTFE（Teflon）和PFA（Tefzel）。在某些情况下，可以提供具有聚合物面的铝或不锈钢外壳。
2.确保在高温或低温端不超过传感器的工作温度范围。如果超过温度范围，结构材料可能变形或压电晶体可能改变其频率。环境温度的变化通常通过嵌入式温度传感器，远程安装的温度传感器或可用于测量环境温度的已知距离的目标来补偿。
3.找到传感器，使传感器的表面与材料表面精确成90°。这在液体和浆料液位测量中尤为重要。在一些散装固体测量中??，可以对其进行修改（这将在本文的后续部分中讨论）。如果你不这样做，你的回声将完全被传感器遗漏，或者它将使用从血管壁或血管内部结构而不是真实水平反弹的回声。
4.确保容器内部不会撞击传感器的脉冲信号锥。如果他们这样做，你可能会得到一个虚假的高振幅回波，它会淹没来自材料表面的真实回波。
5.确保避免容器中的搅拌器和其他旋转装置。有时您可以使用额外的波导来完成此操作。如果不能，请确保购买的发射器可以补偿进出信号锥的搅拌器叶片回波的影响。
6.将传感器安装在容器内无法被材料或冷凝水覆盖的位置。涂层会使信号衰减，有时甚至会使涂层无法通过涂层到达表面和背面。如果无法避免涂层，请尝试提供一些清洁传感器表面的方法。一些发射器提供信号“品质因数”，可用于检测涂层或其他信号故障并激活报警功能。
7.始终使用供应商提供的传感器安装硬件。超声波传感器的硬管接线可能会增加声响，并使信号无法使用。
应用注意事项
由于超声波液位传感器和发射器价格低廉且通常易于安装，因此它们通常用于应用包络的外边缘，并且经常导致不稳定或错误的信号和信号故障。
图2.有时测量值是“搅拌器关闭时的水平。”
1.即使搅拌器位于材料表面下方，也要尽量避免搅拌罐。搅动会产生漩涡或空化，这可能会削弱信号或使其从血管壁反弹。在某些情况下，搅动可能非常极端，以至于您试图进行的测量是“如果关闭搅拌器，容器水平会是多少”（图2）。这不是真正的测量，并且可能无法以任何程度的置信度或准确度进行测量。
2.通过扩散器或分布器将空气或其他气体引入容器的喷射罐可导致在材料表面上形成气泡或泡沫。最好避免这种应用。一层气泡或泡沫可以完全或部分地衰减信号。如果它完全衰减信号，就不会有回声。如果它只是部分地衰减信号则更加阴险。在泡沫层中的某处可能发生虚假回波，而不是泡沫表面或泡沫下方液体表面（图3）。
3.避免泡沫。泡沫可以对水平测量的准确性做三件事，而且所有这些都很糟糕。
（1）它可以衰减信号，使得没有回声或只有间歇回声。有时可以使用发送器中的采样保持电路或算法来处理间歇回声，以便在下一个良好回声之前电平不会改变。然而，有时候这可能是危险的，例如在水平非常接近最大填充点的船只的情况下。
图3.气泡，泡沫，蒸汽和内部结构使超声波测量非常困难。
（2）泡沫可以提供真实水平的错误读数。您可以从泡沫层内部获取读数，而不是实际级别。
（3）泡沫团块可能会使回声偏离垂直方向，并且传感器可能会收到一个回波，该回波已经对船只的一侧产生了一次或两次跳跃，但仍然是一个足够高的信号来欺骗发射器。
4.避免挥发性液体。当我在销售时，我向美国东北部的一家主要公用事业公司出售了一台超声波发射器，用于测量巨大的燃油舱中的水位。该传感器于11月初安装完毕，直到次年5月中旬才开始工作，当时客户报告传感器坚持认为水箱中的水位比实际高出几英尺。这种“重影水平”现象是罐中挥发性液体的函数。随着环境温度的升高，燃料油顶部的蒸汽覆盖层开始变得更加密集并且高度增加。超声波传感器拾取蒸汽层的顶部，而不是罐中的实际油位。到6月下旬，传感器定期读数为80％至100％，因为初夏的热量导致蒸气层充满油箱。我们用一台正常工作的FMCW雷达传感器取代了超声波传感器，我学到了一些东西。
5.在固体和粉末中，您可能必须将传感器对准与水平面不成90度的点（垂直于容器的垂直轴）。您可能希望瞄准传感器，因为在休息角的顶部，中间或底部存在鼠洞和休止角问题。尝试让变送器计算出实际水平。至少有一家供应商开发了一种多传感器阵列，可以扫描休止角并确定容器的实际填充体积是多少。
6.避免加压罐。声速随温度和密度而变化，并且对水平面上方的蒸汽空间加压会影响蒸汽空间的密度，从而影响声速。
超声波明渠流量计
超声波液位传感器和变送器最重要的应用之一是测量明渠流量（图4）。
图4.水平传感器的工作方式与测量水平完全相同。主要设备（水槽或堰）测量流量。流量变送器获取液位信号并基于主装置产生流量值。
大多数相同的注意事项适用于用作流量计的超声波液位传感器，适用于用作液位测量装置的超声波液位传感器。还有一些：
1.避免风吹日晒。风可以吹过蒸汽空间并衰减信号或将其吹走。Sun可以将传感器外壳本身的温度升高到超出设备的工作温度范围 - 并且高于环境温度。
2.确保表面没有泡沫。这可能经常发生在硝化废水排放中。
3.确保表面上没有太多的湍流或涟漪（或者水槽或堰足够大，波浪作用）。
4.最重要的是，确保正确安装水槽或堰。造成超声波发射器的许多问题实际上是由于水槽没有水平和垂直安装水平以及从前到后穿过测量区域引起的问题。
5.制定措施以防止冬季在传感器上形成冰或在夏季滴水。
One-Trick Pony - 不是！
超声波传感器易于理解，易于安装且价格低廉。很容易将它们作为水平应用的无心传感器，就像许多人使用差压传感器一样。然而，正如许多用户所发现的那样，超声波传感器和发射器是棘手的野兽。与任何其他现场仪表一样，在制造商推荐的应用范围之外应用超声波液位传感器注定会失效，有时会失败。但是，如果您遵循这些基本准则，您将获得成功的超声波水平安装。