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超聲波技術(shù)在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用

2010-08-25

                                                       超聲波技術(shù)在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用

１ 引言
　　超聲波技術(shù)的聲學(xué)特性早已為人們所認(rèn)識(shí)。但是，把超聲波技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)測(cè)量中，則是近一、二十年來(lái)，隨著微電腦及電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超聲波信號(hào)發(fā)射、捕捉及處理手段的日益完善才得以實(shí)現(xiàn)的。目前，超聲波物位計(jì)和超聲波流量計(jì)已被廣泛使用。
２ 超聲波的聲學(xué)特性
　　超聲波是指頻率超過(guò)２０ｋＨｚ的聲波。為了充分認(rèn)識(shí)超聲儀表，有必要了解其相關(guān)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(jìn)行傳播，其速度受介質(zhì)溫度、壓力等因素的影響，但在相同外部環(huán)境下，超聲波在同一介質(zhì)中的傳播速度是一常數(shù)。這是所有超聲儀表進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)。
    （２）反射特性
　　超聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，由于兩種介質(zhì)密度不同，因而在兩種介質(zhì)分界面，其方向傳播會(huì)發(fā)生改變：其中一部分折射入另一種介質(zhì)，另一部分被反射回來(lái)。
　　當(dāng)超聲波以氣體傳播到固體或液體時(shí)，由于兩種介質(zhì)密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射，超聲波物位計(jì)充分利用了這一特性。
　　當(dāng)超聲波以固體傳播到液體（或反過(guò)來(lái)）時(shí)，聲波因?yàn)閭鞑サ慕橘|(zhì)密度相近而幾乎全部折射，超聲波流量計(jì)則利用了這一特性。
   （３）衰減特性
　　超聲波在傳播過(guò)程中，由于受介質(zhì)和介質(zhì)中雜質(zhì)的阻礙或吸收，其強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生衰減。不論是超聲波流量計(jì)還是超聲波物位計(jì)，對(duì)所接受的聲波強(qiáng)度都有一定要求，所以都要對(duì)各種衰減進(jìn)行抑制。
３ 超聲波流量計(jì)及其應(yīng)用概況
    ３．１兩類超聲波流量計(jì)
　　目前應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量的超聲波流量計(jì)主要有兩類，即多譜勒式超聲波流量計(jì)和時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它們都采用了現(xiàn)代高精技術(shù)來(lái)處理超聲波信號(hào)，都應(yīng)用了超聲波的相關(guān)聲學(xué)特性，但其工作原理及應(yīng)用場(chǎng)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(jì)測(cè)量原理
表１ 為了正確選型和合理使用超聲波流量計(jì)，并且對(duì)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析、總結(jié)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(jì)
　　兩個(gè)探頭對(duì)稱地裝在待測(cè)流體管路兩側(cè),發(fā)射探頭發(fā)射頻率為ｆ１的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)管道內(nèi)液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發(fā)生偏移，以ｆ２的頻率反射到接收探頭，這就是多譜勒效應(yīng)，ｆ２與ｆｌ之差即為多譜勒頻移ｆｄ。
設(shè)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(dāng)管道條件、探頭安裝位置、發(fā)射頻率、聲速確定以后，ｃ、ｆ１、θ即為常數(shù)，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過(guò)測(cè)量頻移就可得到流體流速，進(jìn)而求得流體流量。
    （２）時(shí)差式超聲波流量計(jì)
　　時(shí)差式超聲波流量計(jì)的兩個(gè)探頭裝在待測(cè)流體管道的上游和下游，對(duì)于小口徑管道，裝在管道一側(cè)，為Ｖ方式，對(duì)于大口徑管道（直徑大于２００ｍｍ）則裝在兩側(cè)，為Ｚ方式。兩個(gè)探頭（即換能器）都可以發(fā)射和接收超聲波信號(hào)。由于液體流速的作用，從上游側(cè)探頭發(fā)向下游的聲速將增加；反之減小。兩者傳播的時(shí)間差直接與流體流速成正比，通過(guò)對(duì)時(shí)間差的檢測(cè)即可計(jì)算出液壓體流速，進(jìn)而求得流量。
    ３．３超聲波流量計(jì)在山西鋁廠應(yīng)用概況
　　目前，山西鋁廠對(duì)上述兩類超聲波流量計(jì)都有現(xiàn)場(chǎng)使用。根據(jù)實(shí)際情況，氧化鋁生產(chǎn)工藝中，料漿、精液、洗液等適合使用多譜勒式超聲波流量計(jì)，如拜爾法工藝上溶出洗液的測(cè)量就使用了該儀表，而對(duì)清水的測(cè)量則適合使用時(shí)差式超聲波流量計(jì)。從使用效果看，前者運(yùn)行不太穩(wěn)定，效果不太理想，而后者則已達(dá)到了令人滿意的結(jié)果。
　　根據(jù)我們分析，一方面，使用多譜勒式超產(chǎn)波流量計(jì)所測(cè)管道的介質(zhì)多為粘稠、高溫等流體，特性各不相同，而且長(zhǎng)期流動(dòng)導(dǎo)致管壁結(jié)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(shí)差技術(shù)比多譜勒技術(shù)更成熟、更可靠。
４ 超聲波物位計(jì)及其應(yīng)用
　 超聲波物位計(jì)，作為一種成熟的物位測(cè)量?jī)x表，可以測(cè)量固體、液體的料位。目前，蒸發(fā)、沉降、二期中分等工藝現(xiàn)場(chǎng)大量使用了德國(guó)Ｅ＋Ｈ公司生產(chǎn)的超聲波物位計(jì)。主要有ＦＭＵ６７１、ＦＭＵ４２１和ＦＭＵ２３１等系列產(chǎn)品，探頭則有ＤＵ３３、ＤＵ４２等型號(hào)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及主要處理信號(hào)方式卻大體相同。本文重點(diǎn)以山西鋁廠８車間沉降槽上使用的ＦＭＵ４２１（ＤＵ４２探頭）為例，來(lái)介紹超聲波物位計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)使用及其相關(guān)內(nèi)容。
    ４．１超聲波物位計(jì)的測(cè)量原理
　　超聲波物位計(jì)運(yùn)用了超聲波的聲學(xué)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(guò)測(cè)量超聲波從探頭傳播至料位表面并返回到探頭所用的時(shí)間，來(lái)計(jì)算探頭到料位的距離，再用槽子的總高減去這個(gè)距離即可得實(shí)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(shí)間，ｓ；
Ｃ。為０℃時(shí)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(shù)，ｍ?℃；
ｔ為溫度度，℃。
　　超聲波物位計(jì)的核心部件是測(cè)量探頭、微處理器，信號(hào)的發(fā)送、接收和處理就是通過(guò)這兩者來(lái)完成的。
    ４．２超聲波物位計(jì)的應(yīng)用概況
　　在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)用超聲波物位計(jì)時(shí)，會(huì)有各種因素對(duì)其穩(wěn)定、可靠的測(cè)量產(chǎn)生影響，下面我們將結(jié)合實(shí)際，講述各種干擾對(duì)超聲波物位計(jì)選用、使用、安裝的影響。
   （１）介質(zhì)及環(huán)境溫度的影響
　　超聲波從物料表面反射時(shí)，其反射頻率會(huì)受到物料溫度的影響而發(fā)生變化，為了補(bǔ)償這一變化，超聲波探頭內(nèi)裝有溫度傳感器，當(dāng)探頭向處理器發(fā)送反射信號(hào)的同時(shí)，也把溫度信號(hào)送到微處理器，處理器將自動(dòng)補(bǔ)償由于溫度對(duì)料位測(cè)量的影響。
　　此外，為了保證探頭的可靠工作，要求環(huán)境溫度不超過(guò)６０℃。
    （２）攪拌器對(duì)物位計(jì)測(cè)量的影響
　　如果物料容器內(nèi)裝攪拌器，它同樣會(huì)反射超聲波信號(hào)，造成假反射回波，并被傳送到微處理器。微處理器將根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)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(yīng)至少為從攪拌器臂反射的回波的３倍。適當(dāng)降低攪拌器的轉(zhuǎn)速，或?qū)⑻筋^偏離攪拌中心，都可以有效消除攪拌器產(chǎn)生的假面反射對(duì)料位測(cè)量的影響。
    （３）超聲波物位計(jì)測(cè)量料位的極限值
     １）更高料位
　　當(dāng)一束超聲波脈沖向物料表面?zhèn)魉瓦^(guò)程中，若收到從物料表面來(lái)的反射波，將無(wú)法進(jìn)行測(cè)量，這段距離就是盲區(qū)。物料更高料位不得高于盲區(qū)。
    ２）低料位
　　低料位也就是使超聲波能到達(dá)的距離傳感器的遠(yuǎn)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(guò)程中的衰減以及物料表面對(duì)聲波的吸收，這一傳播距離對(duì)物料性質(zhì)依賴性很強(qiáng)，對(duì)于ＤＵ３３來(lái)說(shuō)，可測(cè)液體范圍為２５ｍ，固體范圍為１５ｍ。
　　總之，只要儀表選型、安裝適當(dāng)，超聲波物位計(jì)的應(yīng)用效果還是比較滿意的。
５ 結(jié)束語(yǔ)
　　超聲波類儀表是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在工業(yè)測(cè)量中的具體運(yùn)用，是高新電子技術(shù)與聲學(xué)原理相結(jié)合的產(chǎn)物。比起常規(guī)儀表，它們的智能化更高，應(yīng)用的技術(shù)更先進(jìn)，也給用戶帶來(lái)更大方便。