超聲波液位計在自動化水廠中的應(yīng)用

更新時間：2013-12-16 點擊次數(shù)：3240

一、超聲波液位計測量原理介紹

某水廠加藥間采用的超聲波液位計，是發(fā)射和接收共用的單探頭超聲波液位計，由一個傳感器發(fā)送和接收信號的一次表，和一個將信號數(shù)據(jù)處理和顯示的變送裝置組成。兩者由同軸電纜信號線連接。一次表上有傳聲筒，換能器、參考反射板，支撐桿，安裝支架及附帶的25米的同軸電纜。變送器內(nèi)有一個包含所有系統(tǒng)程序的單片機，控制儀表的操作、運算、和診斷。信號輸出線將信號傳送到遠處的PLC。在探頭側(cè)面放一參考反射板，探頭接收到的聲波信號中既有液位返回信號，也有參考反射板返回信號。
換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖，遇到被測介質(zhì)表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時間間隔與換能器到被測介質(zhì)表面的距離成正比。假如超聲波液位計從發(fā)射到參考反射板返回時間為TR，從發(fā)射到液面垂直返回時間為TB，探頭到液面的垂直距離為B，探頭至參考反射板距離為R，因此B=TB*R/TR，測出超聲波從發(fā)射到返回所需時間，由介質(zhì)中已知聲速就可以計算出B。所以液面的實際高度H占滿度SPAN的百分比：H=（Z-B）*100%/S。于是設(shè)定好零點ZERO和滿度SPAN,儀表就能測定出液面的實際高度。0%對應(yīng)4mA模擬輸出信號，100%對應(yīng)20mA輸出信號。
由于發(fā)射的超聲波脈沖有一定的寬度，使得距離換能器較近的小段區(qū)域內(nèi)的反射波與發(fā)射波重疊，無法識別。不能測量其距離值，這個區(qū)域是測量盲區(qū)。我水廠超聲波液位計的盲區(qū)是0.6m。
二、超聲波液位計應(yīng)用中存在的問題及故障原因分析
我們在生產(chǎn)中遇到的問題：1、超聲波液位計易受干擾，顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)。2、儀表測量顯示與實際礬池液位不相符，出現(xiàn)誤差，直接影響加藥自控系統(tǒng)的正常運行。針對問題我們進行如下分析排查：
（1）檢查二次表內(nèi)物位開關(guān)的設(shè)置
液位計安裝好后，斷電、復(fù)位。首先檢查二次表變送器內(nèi)物位開關(guān)的設(shè)置。
設(shè)置 TEST 測試開關(guān)到正常操作模式（Normal Operation）,即三角指向0。其他的測試開關(guān)是自我診斷檢測。Unit設(shè)置U到需要的單位（ft或m），它決定了液位計的零點和滿度的距離。面板里面還有一個設(shè)置顯示的swith開關(guān)，用來設(shè)定儀表顯示數(shù)字和小數(shù)點位置。
用尺子測量出實際的ZERO和SPAN距離值，設(shè)置變送器內(nèi)的4位ZERO開關(guān)，指示到傳感器換能器表面到槽底零點的距離數(shù)值。同樣設(shè)置SPAN開關(guān)，指示槽底零點到zui大液位距離數(shù)值。由此再來調(diào)整并校驗其零點滿度的設(shè)定值，由其測量原理可知這一點很重要。儀表測量值與實際值出現(xiàn)誤差，多半是由于零點和滿度設(shè)置有誤。
（2）檢查二次表變送器內(nèi)部電路
按實際測量的ZERO值和SPAN值，在二次表上設(shè)置好儀表的零點和滿度。并查明物位開關(guān)設(shè)置正確后，再查二次表變送器內(nèi)部電路是否有故障。
1、檢查電源輸入電壓→檢查保險→檢查直流輸出電壓。通過內(nèi)置的診斷TEST開關(guān)來檢測局部的電路板故障。診斷檢測失敗了，說明電路板有故障，更換主電路板。檢測輸出電流時，用一個0～750歐的電阻跨接在電流輸出端子，再串入電流表測量，否則會因回路阻值過小而燒壞電流表。
2、正常操作時，變送器內(nèi)ECHO LED（回聲發(fā)光二極管會閃），接收到回波時，傳感器附近能聽到咔、咔、咔聲。
聲音能聽到，但ECHO LED燈不閃，可用一個金屬的或紙板（0.5×0.5m）來模擬液位，（放置到ZERO和SPAN范圍內(nèi)）。若燈還不閃亮，就再連一個空閑的一次表換能器到變送器上，對準一個反射面，如果ECHO LED燈亮了，說明二次表正常。
（3）檢查工作環(huán)境、信號線及一次表傳感器
針對液位計顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定情形，在確認了液位計變送器（二次表）內(nèi)部設(shè)置和主電路板完好的情況下，問題大多出在儀表工作環(huán)境、信號線及傳感器上。（1）超聲波的抗電磁干擾性能不好，周圍臨近的用電設(shè)備易對它造成影響。（2）信號屏蔽不好，信號易受干擾。（3）信號線接觸不良，也會造成液位計顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。（4）信號線受潮、一次表的安裝表面不水平都會導(dǎo)致液位計顯示紊亂。
三、采取的處理措施
我們采取的幾點措施：
1、為防止信號線受動力線上強電壓、大電流、強電磁的干擾，信號線單獨走一趟穿線管，遠離動力線、照明線，分開布線。
曾遇到這樣一個故障現(xiàn)象，值班室的日光燈一開啟，液位計二次表無數(shù)據(jù)顯示。儀表與日光燈并不受同一個控制電源控制，經(jīng)分析，原因是因為日光燈電源線離液位計二次表變送器太近，日光燈啟動時鎮(zhèn)流器產(chǎn)生高壓，通電導(dǎo)線產(chǎn)生很強的電磁場，4-20mA的超聲波液位信號受到干擾。把日光燈電源線遠離液位計二次表后，這一故障現(xiàn)象消失。
2、做好信號屏蔽層，防止信號受干擾曾試過，信號線屏蔽接線無誤，僅用手來回晃晃信號線，儀表顯示數(shù)據(jù)就會跳動。為了更好地起到屏蔽效果，我們在信號線外面穿導(dǎo)電的鋼管。另外，將二次表內(nèi)信號線端和屏蔽接線端明顯分離開，屏蔽層一小點的毛刺與信號線似乎粘連都會影響信號的穩(wěn)定。同一信號回路、同一屏蔽層采用單點接地，只有一個接地點，避免地回路存在的電位差將干擾引入儀表。
3、為防止信號線接觸不良，在信號線中間盡量不留接頭，接線端子壓接處不能有任何松動，不然接觸電阻會比較大。必須有接頭的需用烙鐵焊接信號線接頭，減少故障隱患。
4、為避免信號線受潮，信號線走纜溝時，需架在支架上。信號線尤其接頭處受水浸泡發(fā)潮，會造成儀表信號紊亂。
5、調(diào)節(jié)超聲波傳聲筒內(nèi)的換能器，表面垂直正對著所測液面，水平度控制在2°。
6、調(diào)節(jié)好超聲波探頭距離液面的距離。過遠，探頭接收到的信號太弱，無法和噪聲信號區(qū)分；過近，進入探頭的盲區(qū)，則無法分辯。
四、結(jié)語
對于進口超聲波液位計在我水廠應(yīng)用實踐中出現(xiàn)的問題，我們不斷學(xué)習(xí)消化吸收其性能原理，分析判斷其變送器、傳感器及信號接線故障原因，逐一排查，采取改進措施。盡量去除影響超聲波液位計穩(wěn)定的干擾因素，穩(wěn)定正確的數(shù)據(jù)信息，確保加藥自控系統(tǒng)的正常運行。

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