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作者简介：柳北剑（1987—）江苏徐州人，从事化工行业12年，曾多次参与建厂及原始开车，实战经验较为丰富，任工程师职位。

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概述

超声波液位计是一种非接触式、高可靠性、高性价比、易安装维护的物位测量仪器，它是一个可以发射能量波（一般为脉冲信号）的装置发射能量波，能量波遇到障碍物反射，由一个接收装置接收反射信号。根据测量能量波运动过程的时间差来确定物位变化情况。由电子装置对微波信号进行处理，最终转化成与物位相关的电信号。

超声波液位计由三部分组成：超声波换能器、处理单元、输出单元。

超声波液位计的结构及工作原理

超声波传感器主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头发射、一个探头接收)等。

超声传感器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个传感器的性能是不同的

超声波液位计工作原理：

超声波液位计安装于容器上部，在电子单元的控制下探头向被测介质发射一束超声波脉冲。声波被介质表面反射，部分反射回波由探头接收并转换为电信号（如4-20mA信号），从声波发射到声波反射回来被接收，其时间与探头至被测介质的距离成正比。电子单元检测该时间，并根据已知的声速计算被测距离，通过减法运算就可得出物位值。超声波在液体、固体中衰减很小，因而穿透能力强，尤其是在对光不透明的固体中，超声波可穿透几十米的长度，碰到杂质或界面就会有显著的反射，超声波液位计就是利用它的这一原理而工作的。由于温度对声速有影响，所以仪表应测量温度以修正声速，也就是常说的温度补偿。

超声波液位计的的种类及应用

按使用环境划分，超声波液位计可分为普通型超声波液位计和防腐型超声波液位计。普通型超声波液位计换能器的材质为PC，能应用于大部分非强腐环境的测量。防腐型超声波液位计换能器的材质为PTFE，能应用于工业现场的强腐蚀环境的测量，如测量硫酸、盐酸等。

按结构形式划分，超声波液位计可分为一体式和分体式两种。一体式超声波液位计是仪表表头和换能器为一整体，此一体式超声波液位计防护等级高、抗干扰能力强，能适应大多数工业环境。分体式超声波液位计是仪表表头与换能器分开安装，表头与换能器之间用导线连接。分体式超声波液位计适合于不便于维护、调试等复杂的环境场合，并且表头上的总线通讯和开关量输出等功能，可以用于变送和远传控制。#p#分页标题#e#

超声波液位计的的单机测试

根据GB 50093-2013 《自动化仪表工程施工及质量验收规范》12.2.11要求，储罐液位计、料面计可在安装完成后，直接模拟物位进行校准。

我们在安装前无需对它进行校正，说白了我们也想不到什么好的办法对它进行校正。但是在安装前我们可以对它进行通电测试，顺便用Hart475手操器对它进行量程、位号、单位、显示之类的参数进行规划。这样做的目的可以减少后面回路测试时的工作量，还可以检查出来这台表在运输途中有没有受到颠簸以致损坏。

工厂在建设初期，条件比较恶劣，一般采用24VDC明纬电源给仪表供电用于单机测试。这样接线仪表回路是没有电阻的，所以必须在回路中串入250Ω电阻，或者用可调电阻箱供给阻值，否则无法与仪表通讯（连接方式详如下）。

接线注意事项：

通常情况下超声波液位计有二线制与四线制两种接法，左图为二线制接法：1号端子接负极，2号端子接正极。右图为四线制接法 ：1号端子接电源线正极，2号端子接电源正极，5号端子接显示正极，6号端子接显示负极。

二线制接线时注意仪表端子与电源线正负极不能接反，否则变送器无数据显示。

四线制接线时注意电源端子与显示端子不能接错，需按照顺序接入仪表端子。

温度对声速有影响，实际上声速不仅受温度影响还与气体的密度、湿度、气压、噪声、空气中的悬浮物等因素有关。因此在实际应用当中仅利用测量温度的方法进行补偿还有诸多不足，且在温度测量过程中也会存在一些误差。因此温度补偿方法只适用于一般应用，而无法满足高精度测量。也正是因为如此，在石化行业超声波液位计通常应用于敞口容器或水池等不需要高精度测量液位的设备上。

超声波液位计标定：

超声波在空气中的传播速度为340m/s，如果能测出超声波在空气中的传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测量液位，就是通过测定超声波传播的时间间隙来测出声波传送的距离。

具体方法：见上图。由安装于被测容器顶部的超声波探头向液面发射一束超声波，声波被液面反射后，由探头接收。

控制器测得传播时间t，根据声速v=340m/s，即可得出液面至探头的空间距离L。探头至容器底部距离为H，容器内的液位高度h。

计算公式为：h=H-L其中L=v×t/2

由于温度对声速有影响，需测出空气温度T以修正声速。

修正公式为：v=331.46×T（℃）

B为盲区，盲区是指从超声波探头向下开始的一小段距离无法正常检测反射回波，这一小段距离被称为超声波液位计的盲区。在这一小段距离内无法正常检测反射波，那是因为超声波液位计在发射超声波脉冲时，不能同时检测反射回波。而且由于发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度，且发射完超声波后传感器还有余振，期间超声波液位计不能检测反射回波。在测量液位时，如果被测的最高液位如进入盲区，超声波液位计将不能正确检测液位实际高度，会出现误差。当碰到类似情况时，可以根据需要将液位计加高安装，或者降低液面。#p#分页标题#e#

所以超声波液位计量程为：0～（H-B）

超声波液位计的应用注意以下几点：

1、超声波液位计的盲区，当拿到超声波液位计时，首先查看一下仪表的盲区，他和超声波液位计的安装高度有着密切的关系，安装高度必须满足：最高液位时的液位面距离液位计的距离应大于盲区值。

2、超声波液位计有测量距离的功能，它是检查测量功能是否正常的重要依据，测量距离功能完好，说明该液位计完好。其次根据超声波液位计的量程(更确切的说应该是测量距离的能力，即发射功率，量程只是和输出信号有关的一个电参数)比如：仪表测量距离能力是5米，当发射平面(液面)离开超声波液位计发射口的距离是5米加盲区的值时，测得距离应该等于实际距离，说明仪表完好。这就是安装设置时为什么要求在低水位时进行，在高液位设置完好，不一定在低液位运行正常，所以，安装设置必须在低液位时进行，这样才能够保证液位在任何状态下工作正常。 　　

3、注意测量周围环境，比如：储存罐内是否有梯子，管道，以及管壁是否有小台阶(很不平整现象)等等，有必要时可以起用虚假目标学习(或称为遇阻学习)功能，以便仪表识别该假目标。　

4、如果仪表用在寒冷的北方，可以选配附加严寒自适应功能，可以在-40°不死机。

5、在真空状态下不能测量，因为声音在真空中不能传播,因为声音的传播需要介质,真空中没有介质,声音是机械波，机械波是由于物体振动产生的。而机械波的传播要靠介质如：空气，水等等。

6、不可在超低温工况下测量。

7、测量介质雾化，影响其测量的准确性。

8、气体流动影响其测量。

9、工况压力必须低于3Kg/Cm2。

10、储槽内如有泡沫现象，会造成测量误差。

同一设备装两台超声波液位计的应用

在复杂工况下，安装一台以上的超声波液位计测量液位的情况时有发生。譬如在测量一些容量较大的液体储罐时，一台超声波液位计的测量范围可能不足以覆盖整个液面从而出现部分盲区，这时就需要安装两台超声波液位计才能达到最佳的测量效果。那么，两台超声波液位计同时使用，是否会形成相互干扰呢？其实，只要按照要求正确安装，相互干扰的现象是完全可以避免的。

在安装这两台超声波液位计时我们需要做到以下几点：

1、换能器发射脉冲超声波时，都有一定的发射开角，从换能器下沿到被测介质表面之间，由发射时超声波波束所辐射的区域内，尽可能没有障碍物，因此安装时应尽可能避开罐内设施，如果有障碍物干扰情况下，安装时需要进行"虚假回波存储"。

2、最高料位点不得进入超声波液位计的盲区，仪表距罐壁必须保持一定的距离，仪表的安装尽可能使换能器的发射方向与液面垂直，安装在防爆区域内的仪表必须遵守国家防爆危险区的安装规定，且仪表可安装在有防爆要求的场合，仪表必须接地。#p#分页标题#e#

3、超声波液位计的探头发波打到液位后反射回探头，探头接收到后计算发波到收波的时间，得到测量距离L，仪表安装高度TH减去测量距离L将得到当前液位H。

4、仪表量程指仪表能够测量的距离，安装高度TH应小于量程，仪表盲区指仪表在探头附近无法测量的区域，最高液位与探头间距应大于盲区，例盲区为0.3m，则最高液位与探头间距必须大于0.3m。探头发波是个扩散过程，即有方向角，安装的时候要注意，否则可能打到池壁的凸起物或渠道边沿。

5、超声波液位计虽然自身带有防雷器件，但仪表在多雷地区使用时，建议在仪表的进出线端另外安装专用的防雷装置。

6、在特别炎热/寒冷的地方使用，即周围环境温度有可能超出仪表的工作要求时，建议在超声波液位计周围加设防高、低温装置。

7、若探头发射面到最高液位的距离小于选购仪表的盲区，需加装延伸管，管径大于120mm，长度0.35m～0.50m，垂直安装，内壁光滑，罐上开孔应大于延伸管内径。 或者将管子通至罐底，管径大于80mm，管底留孔保持延伸管内液面与罐内等高。

案例1：

大个是新来公司的仪表工，二狗带着他学习了半年左右，简单的仪表维护及维修工作可以轻松搞定。某天接到分厂地下废水槽的改造任务：给废水槽新安装一个超声波液位计，大个与其他几个同仁协同作业下，完成了安装任务并且调试正常。我对他们的动手能力和时效性还是比较满意的。但是第二天一早接到分厂的电话：说新安装的超声波液位计测量不准确，需要仪控专业再次确认。我正好当天没其他工作，带着大个一起奔分厂而去。

至现场后我发现的问题如下：

1、 废水槽带搅拌器。

2、 废水槽液位波动较大。

3、 废水槽内有大量泡沫

结论：

超声波液位计测量距离，是指平静的水面。比如5米量程的超声波液位计，通常是指测量平静的水面最大距离是5米，实际出厂会做到6米。遇到容器里面有搅拌的情况下，水面不是平静的，反射信号会减弱到正常信号的一半以下。泡沫也会吸收超声波，导致回波信号非常弱。因此当液体表面40-50%以上面积覆盖了泡沫，超声波液位计发射的信号就被会吸收绝大部分，造成液位计接收不到反射的信号。这个跟泡沫的厚度没有太大关系，主要跟泡沫的覆盖面积有关。

解决办法如下：

1、更换为雷达波液位计，并增加导波管，雷达液位计对5厘米以内的泡沫都可以穿透，另外导波管内的液面基本是平稳的。

2.如果不换超声波液位计，而且液体无粘性，还可以安装导波管，把超声波液位计探头放在导波管内测量液位高度。

因为方案1周期较长，为了使废水槽尽早投运我们选择了方案2，后续废水槽的液位实现了准确的测量。#p#分页标题#e#

案例2：

某天接到调度电话：某蒸汽冷凝水回收槽超声波液位计测量不准确，请仪控专业派员处理。因为大个有了上次调试经验，我点名让大个去处理。大个屁颠屁颠跑至现场，用了大概一上午的时间处理好了，并向我汇报战况。

结论：

现场冷凝水回收槽内温度比较高，并且有大量蒸汽产生，影响超声波液位计测量。水在30-40度以下通常不会产生蒸汽和雾气，超过这个温度容易产生蒸汽或雾气，超声波液位计发射的超声波在发射过程中穿过蒸汽会衰减一次，从液面反射回来的时候又要衰减一次，造成最后回到探头的超声波信号很弱，所以测量不到。而且在这种环境下，超声波液位计探头容易结水珠，水珠会阻碍超声波的发射和接收。

解决办法如下：

1、把量程加大，实际水槽高度是3米，要选择6米-9米的超声波液位计。可以减少或削弱蒸汽或者雾气对测量的影响。

2、探头要用聚四氟乙烯或者PVDF做，做成物理密封型的，这样的探头发射面上不容易凝结水珠。其他材质的发射面，水珠都比较容易凝结。

以上2种办法都不具备条件，大个是用了什么办法解决的呢？

大个说：他来公司半年时间了，但是他家一直住在工厂旁，对当地的天气情况比较了解。一年只刮一场东风，从年初刮到年尾。而这台超声波液位计装在水池的西侧，正好位于下风口蒸汽都吹到超声波液位计那了，所以无法测量准确。因此他把超声波液位计更换了个位置，挪动至没有蒸汽干扰的上风口，重新标定后就测量准确了。这也算是大个的独创了吧！