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                超声波技术在工业测量中的应用

                点击:   作者:天友利标准光源有限公司      发布日期:2014-07-08
                1 引言  超声波技术的声学特性ㄨ早已为人们所认识。但是,把超声波技术运用到工业测量中,则是近一、二十年来,随着微电脑及电子技术∮的发展,对超声波信号酸麻让发射、捕捉及处理手段的日益完善才得以实现的。目前,超声波物位计▲和超声波流量计已被广泛使用。2 超声波的声→学

                1 引言
                  超声波技术的声学特性早已№为人们所认识。但是,把超声波技术运用到工业测量中,则是近一、二十年来,随着微♂电脑及电子技术的发展,对超声波信号发射、捕捉及处理手段的日益完善才得以实现的。目前,超声波物位计和超声波流还有不到十个人量计已被广泛使用。
                2 超声波的№声学特性
                  超声波是指频率超过20kHz的声波。为了充分认识超声仪表,有必要了解干干净净其相关的特性。
                     (1)声速特性
                   超声波可以在固体』、液体和气体中以不同的速度进行传播,其速度受介质温度、压力等因素的影响,但在相同外部环境⌒ 下,超声波在同一游戏介质中的传播速度是一常数。这是所有超声仪表进行测量的基▓础。
                    (2)反射特性
                  超声波从一种介质进入另一种介质时,由于两种介质密度不同,因而在两种介质分界面,其方向传播会▽发生改变:其中一部分折射入另一种介质,另一部分被反射回来。
                  当超声波以气体传播到固体或液体时,由于两种介质≡密度相差悬殊,声波几乎全部被反射,超声波物位计充分利〓用了这一特性。
                  当超声波以固体传播到液体(或反过来)时,声波因为传播的介质密度相近而几乎全部折射,超声波流◥量计则利用了这一特性。
                   (3)衰减特性
                  超声波在传播过程中,由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收,其强度会产生衰减。不论是超婷亦研声波流量计还是超声波物位计,对所接受的声波强度都有一定▂要求,所以都↑要对各种衰减进行抑制。
                3 超声波流量计及其应用概况
                    3.1两类超声波流量计
                  目前应用于工业测¤量的超声波流量计主各种版本也都出世了要有两类,即多谱勒式超声波流量计和∩时差式超声波流量计。它们都采用了现代高精技术来处理超声波信号,都应用了超声波@ 的相关声学特性,但其工作原理及应用场合等方面仍有很大不☆同,如表1所示。
                    3.2两类超声波流量计测量原理
                表1 为了正确选型和合理使用超声波流量计,并且对实际应用中出现的问题进行分析、总结和◆解决,需要了解两类仪表的工作原理。
                    (1)多谱勒超声波流量计
                  两个探头对称地装在待测流体管路两侧,发射︻探头发射频率为f1的超声波信号,经过管∑道内液体中的悬浮颗粒或气泡后,频率发生偏移,以f2的频率反射←到接收探头,这就是多谱勒效应,f2与fl之√差即为多谱勒频移fd。
                设流体流速为v,超声波声速为c,多谱勒频移fd正比书友110224214337234于流体流速v:
                即:fd=f2-f1=×v
                所以流体●流速:v=×fd
                  当管人道条件、探头安装位●置、发射频率、声速确定以后,c、f1、θ即为常数,流体流速和多谱勒频移成正比,通过测量频移就可得到流哦体流速,进而求得流体々流量。
                    (2)时差式超声波流量计
                  时差式超声波流量计的两√个探头装在待测流体管道的上游和下游,对于小口径是屋内管道,装在管道一侧,为V方式,对于大☉口径管道(直径大于200mm)则装在两侧,为Z方式。两个探头(即换能器)都可以发射和接收超声波信号。由于液体流速的作用,从◥上游侧探头发向下游的声速将增加;反之减小。两者传播的时间差直接与流体流速成正比,通过对时间■差的检测即可计算出液压体流速,进而求得流量。
                    3.3超声波流量计在山西铝厂应用概↘况
                  目前,山西铝厂对上述两类超声波流量计都有现道场使用▓。根据〗实际情况,氧化铝生产工艺中,料浆、精液、洗液等适合㊣使用多谱勒式超声波流量计,如动作很简单拜尔法工艺上溶出洗液的测量就使用了该》仪表,而对清水的测量则适合使用时差式超声波流量计。从使用效果看,前者运行不◢太稳定,效但这并不影响果不太理想,而后者则已达到了令人满意的结果。
                  根据我们分析,一方面,使用多谱勒式超产波流量计所测管道的介质多为粘稠、高温ζ等流体,特性各不相同,而且长期流动导致管壁结垢,影响超声波的正常穿透和传播;另一方面,从已掌握的资料♂看,时差技术比多谱勒技术更成熟、更可靠。
                4 超声波◥物位计及其应用
                  超声波物位计,作为一种成熟的物位测量仪表,可以测量固体、液体的料』位。目前,蒸发、沉降、二期中分等工艺现场大量使用了德国E+H公司生产的超声波物位计。主要有FMU671、FMU421和FMU231等系列产品,探头则有DU33、DU42等型号,其具体使用步没有多作停留骤、操作形式〓各不相同,但它们对方功力的基本原理、系统结构、功能及主要处理信号方式却≡大体相同。本文重点以山西铝厂8车间沉降槽上使用的FMU421(DU42探头)为例,来介绍超声波物位计的现场使用及其相关「内容。
                    4.1超声波物位计的测量原理
                  超声波物位计运用了超声沉默着波的声学特性,即在一定条件下超声波在空气中的传播㊣ 速度是一定的,所以通过测量超声波从探头传播至料位表面并返回到探杨阿花头所用的时间,来计算探头到料位的距离,再用槽子的总高减去这个距离即可得实际料位。
                即: L=H-h=H-CT/2=H-(Co+at)T?2
                其中: H为零╲料位到探头的距离,m;
                h为料位表面到探头的距离,m;
                T为时间,s;
                C。为0℃时超声波在空气中的传播速度,m?s;
                α为超声波速度的温度系数,m?℃;
                t为温度度,℃。
                  超声波物位计的核心部件〓是测量探头、微处理器,信号的发送、接收和处难度之大理就是通过这两者来完成的。
                    4.2超声波物位计的应用概况
                  在现场实际运用超声波物位计时,会有各种因素对其稳定、可靠的测量产生影联想起之前响,下面我们将结合卐实际,讲述各种干扰对超声波物位计选用、使用、安装的影响。
                   (1)介质及环境温度的影响
                  超声波从※物料表面反射时,其反射频率会受到物料温度却不会失态的影响而发生变化,为了补偿这一变化,超声波探头内装有温度传感器,当探头向处理器发送反射信号的同时,也把卐温度信号送到微处理器,处理器将自动补偿由于温度对料位测量的影响。
                  此外,为了保证探头的可靠工作,要求环境顾独行喉咙里呻吟一声温度不超过Ψ 60℃。
                    (2)搅拌器对物位计测量的影响
                  如果物料容器内装搅拌器,它同样会反射超声波信号,造成假反射▅回波,并被传送到微处理器。微处理器将根据统计学⊙原理处理真假面具回波,所以要求超声波从物料表面反射的回波应至少为从搅拌器臂反射的回波的3倍。适当降低搅拌〖器的转速,或将探头偏离搅拌中心,都可以有效消除搅拌器产生的假面反射对料位测量的影响。
                    (3)超声波物位计测量料位的极限值
                     1)最高料位
                  当一束超ζ 声波脉冲向物料表面传送过程中,若收到从物料表面来那就是九劫剑第一截剑尖的反射波,将无法】进行测量,这段距离就是盲区。物料最高料位不得高于盲区。
                    2)最低料位
                  最低料位也就是使超声波能到达的距离传感器的最远距○离,并且使反射回波能被传感器接收。由于超声波在传播过程中的衰减以及物料表面对声波的吸收,这一传播距离对物料性质依赖︽性很强,对于DU33来说,可测液体范围为25m,固体总部正安插在这里范围为〗〗15m。
                  总之,只要仪表选型、安装适当,超声波物位计的应用效果还是比较满意的。
                5 结束语
                  超声波类仪表是现代科学技术在工业测量中的¤具体运用,是高新电子技术与声学原理相结合的产物。比起常规仪表,它们的智能化更高,应用▆的技术更先进,也给用户带来更大方便。