超声波料位计的选用

宁静致远日照职业技术学院第四章物位传感器4.4物位传感器的安装与调试宁静致远日照职业技术学院单元四超声波料位计单元内容一、知识讲解1、超声波料位计简介2、超声波料位计的选用3、超声波料位计的使用注意事项4、超声波料位计的机械安装与电气接线（自学）5、超声波料位计的安装注意事项（自学）6、超声波料位计的调试（自学）二、归纳总结三、作业2学时宁静致远日照职业技术学院教学目标教学目标(1)能够正确的安装超声波料位计；(2)熟练的完成接线；(3)能够根据功能调试超声波料位计(4)超声波料位计的工作原理与特性；(5)超声波料位计的安装调试步骤；教学重点难点重点难点超声波料位计的安装与调试方法；超声波料位计的安装与调试过程中遇到的问题4.4超声波料位计宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计随着我国选煤自动化的不断提高，炼铁厂对于各类参数有了更高的要求，尤其是料位的准确性，要求更加严格。我们知道料仓中的结构是相当复杂的，再加上传统的料仓加料方式又各种各样，诸如：皮带给料机、刮板机、斗式提升机等。被测介质也各不相同，比重，颗粒度等给测量带来很大困难，超声波料位计在固体颗粒和块状物料的测量中已经被普遍采用，并且得到一定的认可。如何用超声波料位计实现料位的准确测量呢？宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz－2KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于2KHz则称为超声波。一般把频率在2KHz到25MHz范围的声波叫做超声波。超声波传感器频率超过20KHZ，它是一种机械波。超声波宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计超声波的频率愈高，声场的方向性愈好，能量愈集中，声波越接近光波的某些特性（如反射、折射定律）。当超声波向两个不同的介质传播时。入射波以α角从第一种界面传播到第二种介质时，在介质分界面会有部分能量反射回原介质中的波，我们称为反射波；剩余的能量透过介质分界面在第二种介质内继续传播，又称为折射波。认识超声波宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计1、超生波反射定律：入射角α的正弦与反射角θ的正弦之比等于入射波所处介质的波速c与反射波所处介质的波速c1之比。2、超生波反射定律：入射角α的正弦与折射角β的正弦之比等于入射波所处介质的波速c与反射波所处介质的波速c2之比。3、超生波投射率：当超声波从第一个介质垂直入射到第二个介质传播时，透射声压与入射声压之比。4、超生波反射率：而反射声压与入射声压之比。当入射波和反射波的波形、波速一样时，入射角等于反射角。当超生波从密度小的介质入射到密度大的介质时，透射率和反射率都较大。认识超声波宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计超声波只要分为：纵波、横波、表面波、兰姆波1、纵波：波源质点振动方向与波的传播方向一致的波。2、横波：波源质点振动方向垂直于波的传播方向的波。3、表面波：波源的质点的振动介于纵波和横波之间且沿着表面传播，随深度的增加而振幅迅速衰减的波。4、兰姆波：波源质点将以纵波分量或横波分量形式振动，以特定频率被封闭在特定有限空间时产生的制导波。横波、表面波和兰姆波只能在固体中传播，纵波可以在固体、液体和气体中传播。纵波、横波、表面波及兰姆波的传播速度取决于介质的弹性常数和介质密度，同种介质不同波形或同一波形不同介质，其传播波速度都是不相同。认识超声波宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计超声波转换元件超声波探头的分类：以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器转换元件，习惯上称为超声波探头或换能器。它可以分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）和双探头（一个探头反射、一个探头接收）。宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计超声波的工作原理：超声波由换能器（交变电能和机械能相互转换）产生的，换能器有压电式、磁致伸缩式、电磁式几种。我们仅以压电式换能器为例说明其工作原理。压电式是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器内部结构有并联的两个压电晶片和一个共振板，当压电晶片的两个极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度，一般约为340m/s。根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：超声波传感器测距的工作原理2ctS宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计超声波传感器的测量电路：一般由处理单元、输出电路组成，处理单元控制超声波信号的发送和接收、串行数据发送、计算出测距的数值和温度校正。输出电路对物体反射超声波回波信号进行放大、整形和输出数据。超声波传感器的显示仪表：一般由LED数字电路组成，LED上直接显示被测距离。超声波传感器系统：由换能器和处理单元、输出、显示电路组成。超声波传感器的测量电路及显示仪表宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计一、超声波料位计简介ＴＸＲＸ专用型a)透射式遥控器、防盗报警器、接近开关等1、超声波料位计的工作方式2学时宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计1、超声波料位计的工作方式ＴＸＲＸc）兼用型b)反射式ＲＸＴＸ接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计2、超声物位计主要的几个技术指标：（1）量程和盲区：量程和盲区是反映超声物位计的两个重要的指标。量程代表的是这个物位计能测量的最大范围。反映的是换能器的灵敏度。也就是说，量程越大，灵敏度越高。大部分厂家标称的量程都是针对平整液面来说的，也就是说实际测量的时候，液位波动，表面有漂浮物，测量是固体料位，有粉尘，有蒸汽，都是有可能导致量程不能达到标称的值。比如50m量程的设备，如果测玉米的时候，实际只能测到20m.。盲区是反映换能器好坏的重要指标。盲区也成死区，超声液位计测量不到的一段距离，它是由于超声换能器的余震造成的。比如盲区30cm，也就是说，在液体更探头的距离小于30cm的时候，将会出现不能测量的情况。那么相同量程的产品，盲区越小，说明这个换能器的设计越好。对一些密闭罐体或者短量程的测量来说，安装会越方便。因此盲区成为相同量程产品衡量换能器做得好坏的一个重要指标。宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计（2）温度和精度。温度范围大部分标称是－20~60℃这个范围。因为大部分用液晶显示的物位计，液晶屏的工作温度只能在这个范围，超出这个范围，液晶显示都会出现不正常现象。如果不考虑液晶显示的限制，一般都可以做到－40~80℃的范围。压电陶瓷有个居里温度约300度。居里温度的一般是安全温度，所以一般情况下，超声换能器的工作温度很难超过150度。当超过150℃温度的时候，很容易对里面的压电陶瓷损坏。因此150度可以看成是一个绝对破坏温度。另外超声波换能器制造过程用的部分材料，不能在100℃以上的温度长时间工作。大部分换能器的极限温度是100℃。为什么把精度和温度放在一起考虑，因为在空气中，温度测量误差1℃，对声速的影响是0.6m/S,20℃，1个大气压下声速约为340m/S。因此可以算出，对测量误差的影响是0.17%，也就是说，如果温度测量误差3℃，物位测量误差就超过大部分厂家0.5%的标称范围。因此实际0.5%的精度针对的是常温常压下的。对偏高和偏低的温度，都有可能导致测量精度超过0.5%的情况。有温度梯度，温度变化快的场合，测量误差也会因此增大。另外对测量精度影响最大的是气体成份。也就是说在一些挥发性液体的场合，因为液体的挥发导致空气成分变化，接着导致气体声速变化引起的测量误差。宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计（3）压力：在负压的情况下，一般不推荐用超声测量，因为超声传播是通过气体来实现的。负压力意味着里面的空气稀薄，超声在稀薄空气下传播，一个是声速会变化，引起测量误差，二是稀薄空气里面，声波衰减增大，导致测量量程减小甚至不能测量。正压力主要是探头结构的影响，只要探头结构没有问题。不会引起漏气现象。那么在大的压力情况下超声物位计是可以工作的。（4）腐蚀性：物位计的腐蚀性主要考验的是探头的材质。在弱酸弱碱的环境下，普通的塑料外壳就可以了。用聚四氟乙烯的外壳，可以耐大部分的强酸强碱。这里要注意的是，如果被测物质有比较强腐蚀性和挥发性，那么用一体物位计的时候，最好把电路板进行胶峰。因为大部分的可以防水的壳体，都不能防气体。气体进入一体设备里面后，会俯视电路板。宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计（5）方向性和安装结构安装结构一般有法兰和螺纹两种安装方式。不推荐使用吊装。因为吊装容易受风的影响。但安装的时候，一般要考虑盲区的影响。我们要在物理上保证最高液面到探头表面的距离大于盲区。为了避开盲区，用加长导管安装的时候，必须注意的是，探头辐射面两端与导管端面两端形成的夹角必须大于换能器的锐角度。（锐角度：波束两侧出现第一个极小值之间的夹角）大部分物位计用的换能器都可以看成一个圆形活塞阵。那么锐角的角度可以通过下面的公式计算出来：换能器锐角的计算公式：θ=2arcsin(0.61λ/a)。产品标称的是一般换能器的半功率角。半功率角的计算公式为：θ-3dB=2arcsin(0.26λ/a)。这样就验证一下厂家标称的波束角是否是真实的。波束角不是越小越好，因为对大量程的产品来说，波束角太小，那么要垂直对准液面这比较困难。λ=波长=声速/频率a=半径，是换能器的辐射面的半径（6）供电方式和信号输出方式：供电方式一般是交流电源95~230VAC,24VDC四线制，24VDC两线制三种。输出方式有：显示界面，电流4~20Ma,电压1-5V,通信方式485通信，Hart通信，GPRS通信等。宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计二、超声波料位计的选用1、选型前须知（1）了解被测介质：a)液体；物体；粉尘；是否规则；液体和平面物体用实际量程即可，其它的加大1-2个规格选配，另外我公司的现有两种程序，一种测液位，另一种是专门针对物(料)位的程序，定货时请说明b)是否需要防腐；有些化学物需要用防腐探头(材料为聚四氟乙烯(Ptfe))c)是否有挥发气体(一般为化学物)；有些场合的气体挥发到探头，会影响超声波的声速，使测量有时会有误差。这就需要了解什么气体；d)是否有雾气：处理方式，在探头底衬加4F的膜，可防止探头结水气，用4F的膜盲区会大一些，一般为40CM宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计二、超声波料位计的选用1、选型前须知（2）了解罐子：a)液位变化量程；最高液位及零位，也就是对应的4-20MA，在这里可以随意设定b)罐子本身高度；c)口径及表的安装位置到罐壁的距离；这有个波束角的问题，一般为8-10度；d)是否封闭式；e)带不带压；可承受0。3MPAf)温度：需看实际影响到表的温度，-25-80度。宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计二、超声波料位计的选用1、选型前须知（3）了解现场安装要求：a)盲区：20-60CM视量程而定，安装需预留盲区，建议设为40CMb)一体或分体c)几线制d)线缆长度(分体)标配为10M，超出部分每米5元e)安装方式：法兰规格等f)供电电压选择.（4）注：一体化(CY-3)最大量程为20米,二线制(CY-2)为15米,其它分体式为50米，液位模式下。宁静致远日照职业技术学院4.4超声波料位计二、超声波料位计的选用2、在工程设计选型时，最应注意的问题要选择一个好的安装位置，设计合适的安装接口。安装位置要尽可能选择液面平稳、料面平整的位置，同时远离扶梯、进料口、出料口，尽可能与容器壁保持较远的距离，远离搅拌器。安装接口要求开口尺寸足够大，当为