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作者簡介：柳北劍（1987—）江蘇徐州人，從事化工行業12年，曾多次參與建廠及原始開車，實戰經驗較為豐富，任工程師職位。

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概述

超聲波液位計是一種非接觸式、高可靠性、高性價比、易安裝維護的物位測量儀器，它是一個可以發射能量波（一般為脈沖信號）的裝置發射能量波，能量波遇到障礙物反射，由一個接收裝置接收反射信號。根據測量能量波運動過程的時間差來確定物位變化情況。由電子裝置對微波信號進行處理，最終轉化成與物位相關的電信號。

超聲波液位計由三部分組成：超聲波換能器、處理單元、輸出單元。

超聲波液位計的結構及工作原理

超聲波傳感器主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭(縱波)、斜探頭(橫波)、表面波探頭(表面波)、蘭姆波探頭(蘭姆波)、雙探頭(一個探頭發射、一個探頭接收)等。

超聲傳感器的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個傳感器的性能是不同的

超聲波液位計工作原理：

超聲波液位計安裝于容器上部，在電子單元的控制下探頭向被測介質發射一束超聲波脈沖。聲波被介質表面反射，部分反射回波由探頭接收并轉換為電信號（如4-20mA信號），從聲波發射到聲波反射回來被接收，其時間與探頭至被測介質的距離成正比。電子單元檢測該時間，并根據已知的聲速計算被測距離，通過減法運算就可得出物位值。超聲波在液體、固體中衰減很小，因而穿透能力強，尤其是在對光不透明的固體中，超聲波可穿透幾十米的長度，碰到雜質或界面就會有顯著的反射，超聲波液位計就是利用它的這一原理而工作的。由于溫度對聲速有影響，所以儀表應測量溫度以修正聲速，也就是常說的溫度補償。

超聲波液位計的的種類及應用

按使用環境劃分，超聲波液位計可分為普通型超聲波液位計和防腐型超聲波液位計。普通型超聲波液位計換能器的材質為PC，能應用于大部分非強腐環境的測量。防腐型超聲波液位計換能器的材質為PTFE，能應用于工業現場的強腐蝕環境的測量，如測量硫酸、鹽酸等。

按結構形式劃分，超聲波液位計可分為一體式和分體式兩種。一體式超聲波液位計是儀表表頭和換能器為一整體，此一體式超聲波液位計防護等級高、抗干擾能力強，能適應大多數工業環境。分體式超聲波液位計是儀表表頭與換能器分開安裝，表頭與換能器之間用導線連接。分體式超聲波液位計適合于不便于維護、調試等復雜的環境場合，并且表頭上的總線通訊和開關量輸出等功能，可以用于變送和遠傳控制。#p#分頁標題#e#

超聲波液位計的的單機測試

根據GB 50093-2013 《自動化儀表工程施工及質量驗收規范》12.2.11要求，儲罐液位計、料面計可在安裝完成后，直接模擬物位進行校準。

我們在安裝前無需對它進行校正，說白了我們也想不到什么好的辦法對它進行校正。但是在安裝前我們可以對它進行通電測試，順便用Hart475手操器對它進行量程、位號、單位、顯示之類的參數進行規劃。這樣做的目的可以減少后面回路測試時的工作量，還可以檢查出來這臺表在運輸途中有沒有受到顛簸以致損壞。

工廠在建設初期，條件比較惡劣，一般采用24VDC明緯電源給儀表供電用于單機測試。這樣接線儀表回路是沒有電阻的，所以必須在回路中串入250Ω電阻，或者用可調電阻箱供給阻值，否則無法與儀表通訊（連接方式詳如下）。

接線注意事項：

通常情況下超聲波液位計有二線制與四線制兩種接法，左圖為二線制接法：1號端子接負極，2號端子接正極。右圖為四線制接法 ：1號端子接電源線正極，2號端子接電源正極，5號端子接顯示正極，6號端子接顯示負極。

二線制接線時注意儀表端子與電源線正負極不能接反，否則變送器無數據顯示。

四線制接線時注意電源端子與顯示端子不能接錯，需按照順序接入儀表端子。

溫度對聲速有影響，實際上聲速不僅受溫度影響還與氣體的密度、濕度、氣壓、噪聲、空氣中的懸浮物等因素有關。因此在實際應用當中僅利用測量溫度的方法進行補償還有諸多不足，且在溫度測量過程中也會存在一些誤差。因此溫度補償方法只適用于一般應用，而無法滿足高精度測量。也正是因為如此，在石化行業超聲波液位計通常應用于敞口容器或水池等不需要高精度測量液位的設備上。

超聲波液位計標定：

超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，如果能測出超聲波在空氣中的傳播時間，就能算出其傳播的距離。超聲波測量液位，就是通過測定超聲波傳播的時間間隙來測出聲波傳送的距離。

具體方法：見上圖。由安裝于被測容器頂部的超聲波探頭向液面發射一束超聲波，聲波被液面反射后，由探頭接收。

控制器測得傳播時間t，根據聲速v=340m/s，即可得出液面至探頭的空間距離L。探頭至容器底部距離為H，容器內的液位高度h。

計算公式為：h=H-L其中L=v×t/2

由于溫度對聲速有影響，需測出空氣溫度T以修正聲速。

修正公式為：v=331.46×T（℃）

B為盲區，盲區是指從超聲波探頭向下開始的一小段距離無法正常檢測反射回波，這一小段距離被稱為超聲波液位計的盲區。在這一小段距離內無法正常檢測反射波，那是因為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。而且由于發射的超聲波脈沖具有一定的時間寬度，且發射完超聲波后傳感器還有余振，期間超聲波液位計不能檢測反射回波。在測量液位時，如果被測的最高液位如進入盲區，超聲波液位計將不能正確檢測液位實際高度，會出現誤差。當碰到類似情況時，可以根據需要將液位計加高安裝，或者降低液面。#p#分頁標題#e#

所以超聲波液位計量程為：0～（H-B）

超聲波液位計的應用注意以下幾點：

1、超聲波液位計的盲區，當拿到超聲波液位計時，首先查看一下儀表的盲區，他和超聲波液位計的安裝高度有著密切的關系，安裝高度必須滿足：最高液位時的液位面距離液位計的距離應大于盲區值。

2、超聲波液位計有測量距離的功能，它是檢查測量功能是否正常的重要依據，測量距離功能完好，說明該液位計完好。其次根據超聲波液位計的量程(更確切的說應該是測量距離的能力，即發射功率，量程只是和輸出信號有關的一個電參數)比如：儀表測量距離能力是5米，當發射平面(液面)離開超聲波液位計發射口的距離是5米加盲區的值時，測得距離應該等于實際距離，說明儀表完好。這就是安裝設置時為什么要求在低水位時進行，在高液位設置完好，不一定在低液位運行正常，所以，安裝設置必須在低液位時進行，這樣才能夠保證液位在任何狀態下工作正常。 　　

3、注意測量周圍環境，比如：儲存罐內是否有梯子，管道，以及管壁是否有小臺階(很不平整現象)等等，有必要時可以起用虛假目標學習(或稱為遇阻學習)功能，以便儀表識別該假目標。　

4、如果儀表用在寒冷的北方，可以選配附加嚴寒自適應功能，可以在-40°不死機。

5、在真空狀態下不能測量，因為聲音在真空中不能傳播,因為聲音的傳播需要介質,真空中沒有介質,聲音是機械波，機械波是由于物體振動產生的。而機械波的傳播要靠介質如：空氣，水等等。

6、不可在超低溫工況下測量。

7、測量介質霧化，影響其測量的準確性。

8、氣體流動影響其測量。

9、工況壓力必須低于3Kg/Cm2。

10、儲槽內如有泡沫現象，會造成測量誤差。

同一設備裝兩臺超聲波液位計的應用

在復雜工況下，安裝一臺以上的超聲波液位計測量液位的情況時有發生。譬如在測量一些容量較大的液體儲罐時，一臺超聲波液位計的測量范圍可能不足以覆蓋整個液面從而出現部分盲區，這時就需要安裝兩臺超聲波液位計才能達到最佳的測量效果。那么，兩臺超聲波液位計同時使用，是否會形成相互干擾呢？其實，只要按照要求正確安裝，相互干擾的現象是完全可以避免的。

在安裝這兩臺超聲波液位計時我們需要做到以下幾點：

1、換能器發射脈沖超聲波時，都有一定的發射開角，從換能器下沿到被測介質表面之間，由發射時超聲波波束所輻射的區域內，盡可能沒有障礙物，因此安裝時應盡可能避開罐內設施，如果有障礙物干擾情況下，安裝時需要進行"虛假回波存儲"。

2、最高料位點不得進入超聲波液位計的盲區，儀表距罐壁必須保持一定的距離，儀表的安裝盡可能使換能器的發射方向與液面垂直，安裝在防爆區域內的儀表必須遵守國家防爆危險區的安裝規定，且儀表可安裝在有防爆要求的場合，儀表必須接地。#p#分頁標題#e#

3、超聲波液位計的探頭發波打到液位后反射回探頭，探頭接收到后計算發波到收波的時間，得到測量距離L，儀表安裝高度TH減去測量距離L將得到當前液位H。

4、儀表量程指儀表能夠測量的距離，安裝高度TH應小于量程，儀表盲區指儀表在探頭附近無法測量的區域，最高液位與探頭間距應大于盲區，例盲區為0.3m，則最高液位與探頭間距必須大于0.3m。探頭發波是個擴散過程，即有方向角，安裝的時候要注意，否則可能打到池壁的凸起物或渠道邊沿。

5、超聲波液位計雖然自身帶有防雷器件，但儀表在多雷地區使用時，建議在儀表的進出線端另外安裝專用的防雷裝置。

6、在特別炎熱/寒冷的地方使用，即周圍環境溫度有可能超出儀表的工作要求時，建議在超聲波液位計周圍加設防高、低溫裝置。

7、若探頭發射面到最高液位的距離小于選購儀表的盲區，需加裝延伸管，管徑大于120mm，長度0.35m～0.50m，垂直安裝，內壁光滑，罐上開孔應大于延伸管內徑。 或者將管子通至罐底，管徑大于80mm，管底留孔保持延伸管內液面與罐內等高。

案例1：

大個是新來公司的儀表工，二狗帶著他學習了半年左右，簡單的儀表維護及維修工作可以輕松搞定。某天接到分廠地下廢水槽的改造任務：給廢水槽新安裝一個超聲波液位計，大個與其他幾個同仁協同作業下，完成了安裝任務并且調試正常。我對他們的動手能力和時效性還是比較滿意的。但是第二天一早接到分廠的電話：說新安裝的超聲波液位計測量不準確，需要儀控專業再次確認。我正好當天沒其他工作，帶著大個一起奔分廠而去。

至現場后我發現的問題如下：

1、 廢水槽帶攪拌器。

2、 廢水槽液位波動較大。

3、 廢水槽內有大量泡沫

結論：

超聲波液位計測量距離，是指平靜的水面。比如5米量程的超聲波液位計，通常是指測量平靜的水面最大距離是5米，實際出廠會做到6米。遇到容器里面有攪拌的情況下，水面不是平靜的，反射信號會減弱到正常信號的一半以下。泡沫也會吸收超聲波，導致回波信號非常弱。因此當液體表面40-50%以上面積覆蓋了泡沫，超聲波液位計發射的信號就被會吸收絕大部分，造成液位計接收不到反射的信號。這個跟泡沫的厚度沒有太大關系，主要跟泡沫的覆蓋面積有關。

解決辦法如下：

1、更換為雷達波液位計，并增加導波管，雷達液位計對5厘米以內的泡沫都可以穿透，另外導波管內的液面基本是平穩的。

2.如果不換超聲波液位計，而且液體無粘性，還可以安裝導波管，把超聲波液位計探頭放在導波管內測量液位高度。

因為方案1周期較長，為了使廢水槽盡早投運我們選擇了方案2，后續廢水槽的液位實現了準確的測量。#p#分頁標題#e#

案例2：

某天接到調度電話：某蒸汽冷凝水回收槽超聲波液位計測量不準確，請儀控專業派員處理。因為大個有了上次調試經驗，我點名讓大個去處理。大個屁顛屁顛跑至現場，用了大概一上午的時間處理好了，并向我匯報戰況。

結論：

現場冷凝水回收槽內溫度比較高，并且有大量蒸汽產生，影響超聲波液位計測量。水在30-40度以下通常不會產生蒸汽和霧氣，超過這個溫度容易產生蒸汽或霧氣，超聲波液位計發射的超聲波在發射過程中穿過蒸汽會衰減一次，從液面反射回來的時候又要衰減一次，造成最后回到探頭的超聲波信號很弱，所以測量不到。而且在這種環境下，超聲波液位計探頭容易結水珠，水珠會阻礙超聲波的發射和接收。

解決辦法如下：

1、把量程加大，實際水槽高度是3米，要選擇6米-9米的超聲波液位計?？梢詼p少或削弱蒸汽或者霧氣對測量的影響。

2、探頭要用聚四氟乙烯或者PVDF做，做成物理密封型的，這樣的探頭發射面上不容易凝結水珠。其他材質的發射面，水珠都比較容易凝結。

以上2種辦法都不具備條件，大個是用了什么辦法解決的呢？

大個說：他來公司半年時間了，但是他家一直住在工廠旁，對當地的天氣情況比較了解。一年只刮一場東風，從年初刮到年尾。而這臺超聲波液位計裝在水池的西側，正好位于下風口蒸汽都吹到超聲波液位計那了，所以無法測量準確。因此他把超聲波液位計更換了個位置，挪動至沒有蒸汽干擾的上風口，重新標定后就測量準確了。這也算是大個的獨創了吧！