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技術(shù)專題

超聲波技術(shù)在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用

發(fā)布日期:2014-07-08 點(diǎn)擊:1458
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,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。
  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(或反過來)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)過管道內(nèi)液體中的懸浮顆?;驓馀莺螅l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)量儀表,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這兩者來完成的。
    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^程中,若收到從物料表面來的反射波,將無法進(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)最低料位
  最低料位也就是使超聲波能到達(dá)的距離傳感器的最遠(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來說,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
  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),也給用戶帶來更大方便。

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