智能超声波物位计实际应用中的问题及解决

　　0 引 言

　　近年来，随着微电子技术在仪表测量领域的飞速发展，TOF(TOF-Time of flight行程时间或传播时间)测量技术成为发展最快、应用最广的一种物位测量技术超声波物位测量技术即是其中极具代表性的一类。它以其非接触测量方式以及独特的声智能技术、抗腐蚀、免维护、使用寿命长、性价比高等优势，被广泛应用于石化、冶金、水泥、医药等工业部门。酒钢从2000 年起，在选矿自动化、不锈钢、碳钢冷轧、焦化干熄焦等多项技改、新上工程中大范围设计、使用。该测量技术对液体、固体物位的测量都具有良好的适用性。但在实际使用中，超声波物位计测量技术也遇到了各种问题，笔者根据设计选用和调试超声波物位计的经验，谈谈超声波料位计应用中的问题及解决方法。

　　1 超声波物位计的测量原理

　　TOF 测量技术，又称回波测距技术，其原理是：当声波从一种介质向另一种介质传播时，在密度不同、声波不同的分界面上传播方向就要发生改变，即一部分被反射(入射角= 反射角)，一部分折射入相邻介质内。假设两种介质对声波的密度分别为ρ1、ρ2，声波在两种介质内传播的速度分别为μ1、μ2，反射波的声强为IR，入射波的声强为IB，则存在以下关系：

式中，α为入射角，β为折射角，ρ1 μ1 和ρ2 μ2 分别为两种介质的声阻抗。当声波垂直入射时(α= β= 0 )，其反射率为：

　　利用超声波技术测量物位，是应用最为广泛的是超声脉冲回波方法，它的工作原理是：从发射探头发出超声波脉冲在媒介中传到界面，经反射后再通过媒介回到接收探头，根据测出的超声脉冲从发射到接收的时间以及媒质中的声速，即可以求得探头到物料间的距离，从而确定出物位。超声波物位计的高频脉冲声波由一个压电陶瓷换能器(探头)发出，其声源传感器由一只与一块或多块压电晶体相连的测量膜片组成。声波的发射与接收均通过这些压电晶片实现压电晶片一供电就产生微小的机械运动，而此机械运动由膜片转换为声信号。反之，接收声波时，膜片亦会产生机械运动，而此机械运动则被相连的压电晶体转换为电信号(反射信号)。图1 给出了超声波物位仪的测量原理。当发出的声波信号遇到被测物体( 物料) 表面反回，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。脉冲发射和接收之间的时间( 声波运动时间) 与换能器到物体表面的距离成正比，声波传输距离s 与声速c 和传输时间t之间的关系可用表示:

　　表面的距离，通过这个物体(物料)上空距离值就可以得到容器内的物料高度h=H-S。式中：H 为料仓高度,探头到料仓内零料位的距离;S 为超声波物位计实测到的物料上空距离;h 为物料的实际高度。超声波物位计的主要技术性能见表1。