超聲波技術在工業測量中的應用
發布日期：2014-07-08
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１ 引言
超聲波技術的聲學特性早已為人們所認識。但是，把超聲波技術運用到工業測量中，則是近一、二十年來，隨著微電腦及電子技術的發展，對超聲波信號發射、捕捉及處理手段的日益完善才得以實現的。目前，超聲波物位計和超聲波流量計已被廣泛使用。
２ 超聲波的聲學特性
超聲波是指頻率超過２０ｋＨｚ的聲波。為了充分認識超聲儀表，有必要了解其相關的特性。
（１）聲速特性
超聲波可以在固體、液體和氣體中以不同的速度進行傳播，其速度受介質溫度、壓力等因素的影響，但在相同外部環境下，超聲波在同一介質中的傳播速度是一常數。這是所有超聲儀表進行測量的基礎。
（２）反射特性
超聲波從一種介質進入另一種介質時，由于兩種介質密度不同，因而在兩種介質分界面，其方向傳播會發生改變：其中一部分折射入另一種介質，另一部分被反射回來。
當超聲波以氣體傳播到固體或液體時，由于兩種介質密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射，超聲波物位計充分利用了這一特性。
當超聲波以固體傳播到液體（或反過來）時，聲波因為傳播的介質密度相近而幾乎全部折射，超聲波流量計則利用了這一特性。
（３）衰減特性
超聲波在傳播過程中，由于受介質和介質中雜質的阻礙或吸收，其強度會產生衰減。不論是超聲波流量計還是超聲波物位計，對所接受的聲波強度都有一定要求，所以都要對各種衰減進行抑制。
３ 超聲波流量計及其應用概況
３．１兩類超聲波流量計
目前應用于工業測量的超聲波流量計主要有兩類，即多譜勒式超聲波流量計和時差式超聲波流量計。它們都采用了現代高精技術來處理超聲波信號，都應用了超聲波的相關聲學特性，但其工作原理及應用場合等方面仍有很大不同，如表１所示。
３．２兩類超聲波流量計測量原理
表１ 為了正確選型和合理使用超聲波流量計，并且對實際應用中出現的問題進行分析、總結和解決，需要了解兩類儀表的工作原理。
（１）多譜勒超聲波流量計
兩個探頭對稱地裝在待測流體管路兩側,發射探頭發射頻率為ｆ１的超聲波信號，經過管道內液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發生偏移，以ｆ２的頻率反射到接收探頭，這就是多譜勒效應，ｆ２與ｆｌ之差即為多譜勒頻移ｆｄ。
設流體流速為ｖ，超聲波聲速為ｃ，多譜勒頻移ｆｄ正比于流體流速ｖ：
即：ｆｄ＝ｆ２－ｆ１＝×ｖ
所以流體流速：ｖ＝×ｆｄ
當管道條件、探頭安裝位置、發射頻率、聲速確定以后，ｃ、ｆ１、θ即為常數，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進而求得流體流量。
（２）時差式超聲波流量計
時差式超聲波流量計的兩個探頭裝在待測流體管道的上游和下游，對于小口徑管道，裝在管道一側，為Ｖ方式，對于大口徑管道（直徑大于２００ｍｍ）則裝在兩側，為Ｚ方式。兩個探頭（即換能器）都可以發射和接收超聲波信號。由于液體流速的作用，從上游側探頭發向下游的聲速將增加；反之減小。兩者傳播的時間差直接與流體流速成正比，通過對時間差的檢測即可計算出液壓體流速，進而求得流量。
３．３超聲波流量計在山西鋁廠應用概況
目前，山西鋁廠對上述兩類超聲波流量計都有現場使用。根據實際情況，氧化鋁生產工藝中，料漿、精液、洗液等適合使用多譜勒式超聲波流量計，如拜爾法工藝上溶出洗液的測量就使用了該儀表，而對清水的測量則適合使用時差式超聲波流量計。從使用效果看，前者運行不太穩定，效果不太理想，而后者則已達到了令人滿意的結果。
根據我們分析，一方面，使用多譜勒式超產波流量計所測管道的介質多為粘稠、高溫等流體，特性各不相同，而且長期流動導致管壁結垢，影響超聲波的正常穿透和傳播；另一方面，從已掌握的資料看，時差技術比多譜勒技術更成熟、更可靠。
４ 超聲波物位計及其應用
超聲波物位計，作為一種成熟的物位測量儀表，可以測量固體、液體的料位。目前，蒸發、沉降、二期中分等工藝現場大量使用了德國Ｅ＋Ｈ公司生產的超聲波物位計。主要有ＦＭＵ６７１、ＦＭＵ４２１和ＦＭＵ２３１等系列產品，探頭則有ＤＵ３３、ＤＵ４２等型號，其具體使用步驟、操作形式各不相同，但它們的基本原理、系統結構、功能及主要處理信號方式卻大體相同。本文重點以山西鋁廠８車間沉降槽上使用的ＦＭＵ４２１（ＤＵ４２探頭）為例，來介紹超聲波物位計的現場使用及其相關內容。
４．１超聲波物位計的測量原理
超聲波物位計運用了超聲波的聲學特性，即在一定條件下超聲波在空氣中的傳播速度是一定的，所以通過測量超聲波從探頭傳播至料位表面并返回到探頭所用的時間，來計算探頭到料位的距離，再用槽子的總高減去這個距離即可得實際料位。
即： Ｌ＝Ｈ－ｈ＝Ｈ－ＣＴ／２＝Ｈ－（Ｃｏ＋ａｔ）Ｔ?２
其中： Ｈ為零料位到探頭的距離，ｍ；
ｈ為料位表面到探頭的距離，ｍ；
Ｔ為時間，ｓ；
Ｃ。為０℃時超聲波在空氣中的傳播速度，ｍ?ｓ；
α為超聲波速度的溫度系數，ｍ?℃；
ｔ為溫度度，℃。
超聲波物位計的核心部件是測量探頭、微處理器，信號的發送、接收和處理就是通過這兩者來完成的。
４．２超聲波物位計的應用概況
在現場實際運用超聲波物位計時，會有各種因素對其穩定、可靠的測量產生影響，下面我們將結合實際，講述各種干擾對超聲波物位計選用、使用、安裝的影響。
（１）介質及環境溫度的影響
超聲波從物料表面反射時，其反射頻率會受到物料溫度的影響而發生變化，為了補償這一變化，超聲波探頭內裝有溫度傳感器，當探頭向處理器發送反射信號的同時，也把溫度信號送到微處理器，處理器將自動補償由于溫度對料位測量的影響。
此外，為了保證探頭的可靠工作，要求環境溫度不超過６０℃。
（２）攪拌器對物位計測量的影響
如果物料容器內裝攪拌器，它同樣會反射超聲波信號，造成假反射回波，并被傳送到微處理器。微處理器將根據統計學原理處理真假面具回波，所以要求超聲波從物料表面反射的回波應至少為從攪拌器臂反射的回波的３倍。適當降低攪拌器的轉速，或將探頭偏離攪拌中心，都可以有效消除攪拌器產生的假面反射對料位測量的影響。
（３）超聲波物位計測量料位的極限值
１）更高料位
當一束超聲波脈沖向物料表面傳送過程中，若收到從物料表面來的反射波，將無法進行測量，這段距離就是盲區。物料更高料位不得高于盲區。
２）最低料位
最低料位也就是使超聲波能到達的距離傳感器的最遠距離，并且使反射回波能被傳感器接收。由于超聲波在傳播過程中的衰減以及物料表面對聲波的吸收，這一傳播距離對物料性質依賴性很強，對于ＤＵ３３來說，可測液體范圍為２５ｍ，固體范圍為１５ｍ。
總之，只要儀表選型、安裝適當，超聲波物位計的應用效果還是比較滿意的。
５ 結束語
超聲波類儀表是現代科學技術在工業測量中的具體運用，是高新電子技術與聲學原理相結合的產物。比起常規儀表，它們的智能化更高，應用的技術更先進，也給用戶帶來更大方便。
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