产品技术介绍——超声波物位测量技术

物位测量通常指对工业生产过程中的封闭或开口容器中物料（固体或液位）的高度进行检测，它是过程控制的重要参数之一。常见的物位测量仪表按照其工作原理分类，有静压、射频导纳、超声波、雷达、核辐射、导波雷达等等。大量应用案列表明，要想充分发挥物位测量仪表的性能，一方面要了解现场工况，结合各种物位测量仪表的特点，选择合适的仪表；另一方面，在仪表安装设计、布线、现场调试等方面要规范操作。

本期我们将结合西门子物位产品，重点讨论超声波物位测量技术，主要包括下列内容：

（1） 超声波物位测量的基本原理
（2） 超声波物位计的组成
（3） 盲区、波束角等基本概念
（4） 影响超声波传播的因素
（5） 超声波物位计安装注意事项
（6） 智能回波处理算法
（7） 虚假回波抑制功能
（8） 如何看懂TVT回波图形
（9） 常见故障分析
（10） 超声波物位计典型应用

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以前用过西门子一体化的那款超声波液位，好像叫LU，性能挺好的，测量原理像回声测距离吧，了解不多

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没错，就是回波测距原理，你用的那款产品全称叫Probe LU，是西门子最经典的一款超声波产品了，呵呵，刚接触超声波物位计的新手可以具体看下面的内容：

假设声速在静态均匀的气体中是恒定的，声脉冲能对准一个目标发射并检测到它的回波。从发射源到目标再返回发射源这一过程用的时间能够转变为距离。
距离= 速度x 时间÷ 2

例如：如果声音从换能器发出到达介质表面并返回用的时间为58.2 毫秒，
则从换能器到物位的距离为10.01 米，计算公式如下：344 米/ 秒x 58.2 毫秒
=20.02 米（从换能器到液面再返回的总的距离）。再除以2 得到换能器到液面的距离为10.01 米。

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超声波物位计的组成

超声波物位计由换能器和变送器两部分组成，其中换能器用于发射超声波脉冲并接收它的回波，变送器分析回波信号以得到需要的测量值。

超声波换能器的物理原理

超声波换能器内含有压电晶体或晶片，它们在被电流激励作用下产生机械压缩。这就是众所周知的逆压电效应。当晶体停止被电流激励时，晶体还原到它的原始尺寸并产生一个机械声波。我们一般用峰值- 峰值为400 到600 伏的电压激励换能器。
与压电效应相应的是，晶体如果被机械压缩时会产生一个小的电信号。我们检测时感兴趣的机械力，就是所发射声波的回波。回波作用在晶体上一般产生4 到5 毫伏的信号。
超声波换能器通过设计把晶体产生的声波放大，并把声波传送到换能器的表面，同时阻尼晶体另一侧的声波。通过一连串灵活的传输媒介的放大作用，产生的声脉冲被传送到空气中，这个过程叫做“声阻匹配”。

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波束角的定义

从换能器表面发出的超声波，其能量随着角度的发散而降低，最大能量沿着垂直于换能器表面的“波束轴”方向辐射，我们将传输的能量减少一半或减少3dB 的位置定义为波束角。
用下列极坐标进行说明，主波束延波束轴方向的能量为15.4dB，当能量降低3dB，即沿波束轴方向波束能量的50%时，对应的角度27.9度，所以对应的波束角为27.9*2=55.8度





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超声波液位计是一系列非接触，高可靠、低价格、免维护的物位仪，它彻底解决了由压力变送器、电容式浮子式等测量方式带来的缠绕、泄露、接触介质、昂贵的维护等麻烦，它不必要接触工业介质就满足大多数密闭／敞开容器里的物位测量要求。
影响超声波液位计工作的各种因素：今天，随着电子技术的发展，超声波物位测量仪器可以测量几厘米到几十厘米的物位范围，在诸多恶劣条件下表现出非凡的能力。

超声波液位计测量的内在原理是非常简单的，超声波探头位于容器的顶部，发射脉冲波达到被测介质表面，同时接收由被测物表面反射回来的回波，由发射波和回波的时间差，也就是声波在空间中的往返穿行时间来测出探头距被测介质表面的距离。

速度的影响：
超声波液位计在工业应用中的频率为5KHZ-5MHZ，在物位测量技术方面为5HZ-40HZ，超声波探头到介质表面距离的计算公式如下：
D=t1×C/2
D：探头到介质表面的距离
t1：声波的传播时间
C：波的传播速率
由此可知，除了声波的传播时间的测量准确性，声波的传播速度起着决定性的作用。

声速的变化取决于传播媒介的不同。在实际应用中，多种因素影响着传播媒介及声速。今天，为了获得更加准确的测量结果，超声波物位仪表可以由程度设定不同媒介的声速。

温度的影响：
温度的变化影响着声速的变化，在正常环境中温度的变化带给声速的变化为0.17%℃。在实际测量中，多种自然因素会导致误差，而百特先进的测量系统，包括了温度传感器和软件功能，可以对温度的影响进行自动补偿。在实际应用中，由于探头周围环境，超声波传播媒介的温度以及被测介质的温度不尽相同。测量系统应根据实际要求选择与探头结合的内置温度传感器与探头分离的外置温度传感器。更为精确的测量系统，可以在距探头的特定位置放置回波反射参照物，产生参考回波，以对温度影响进行补偿。这种方法的有效性取决于回波反射参照物的放置精准程度。

压力的影响:
压力的变化造成的温度变化之间的关系：LnT1/T2=1.4LnP1/P2
虽然压力的变化影响着探头的工作状态,但压力的变化不直接产生声速的变化.由于压力和温度之间的关系:T=KP(K为常数),所以压力的变化影响着温度的变化,进而影响声速的变化.

声波的发射与传播:
探头的内部有一个或多个压电陶瓷晶体,用于声波信号的产生和接收,当压电陶瓷晶体获得电信号时产生微小机械振动发出声波。同理,回波使压电陶瓷晶体产生微小机械振动发出电磁信号,实际的方法是一个探头扮演着发射与接收的双重角色。
当压电陶瓷晶体获得电脉冲激励时，将产生一段时间的共鸣，最初的共鸣振幅很大，随着探头震动能量的减弱，振幅将趋于零。在共鸣期间内，共鸣覆盖了回波，使得探头不准确判定回波，这段时间为几毫秒，相对应的距离范围成为：“盲区”。10mS相对盲区`1.7m。
为了确保发射波与回波时间差的准确性，回波信号必须有足够的强度以产生和转化为电脉冲，回波信号的强度取决于发射信号的强度，传播介质的特性，传播的距离和被测介质反映面的特性。

强度的衰减
声波传播过程中强度的减弱是由于空气对它的吸收，电子天平这是由于空气的粘性和热传导以及空气分子的行为特性决定的。

粉尘的影响
粉尘环境对声速的影响非常小，但对超声波的衰减很明显，是阻碍超声波方案实施的主要因素。实际应用中，低频率并带有特殊泡沫塑料表面的探头在粉尘环境中的使用方案是非常成功的。

气流的影响
在开放环境下，空气作为超声波的载体，横向的空气气流将使得声波的传播路径弯曲变长，实际中的影响并不大。

被测介质表面的影响
超声波液位计回波强度比率取决于被测介质的特性，所有的介质对超声波都是部分的反射，部分的吸收以及部分的传输。浓密的介质，会产生很强的回波，反之成立。实际测量中，液体界面的回波远远好于固体。回波在固定颗粒表面产生时，其角度方向不同，相互有着时间差，造成相位不同从而减少直接反射回探头的回波强度。

从原理上看，影响测量的因素很多，很多厂家的超声波物位仪已经有了温度补偿，回波跟踪识别等软件功能，使测量仪成为最成功的工业测量解决方案之一，包括液体料位、固体料位、各种仓料、明渠流量等，已成为现今最为广泛接受的非接触式测量技术

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超声波物位计的基本要求是什么？
换能器发射超声波脉冲时，都有一定的发射开角。从换能器下缘到被测介质表面之间，由发射的超声波波束所辐射的区域内，不得有障碍物，因些安装时应尽可能避开罐内设施，如：人梯、限位开关、加热设备、支架等。在无法避开的情况下，调试时须进行“虚假回波学习”。另外须注意超声波波束不得与加料料流相交。

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容器的接管有和要求？
容器接管的长度：必须保证探头伸出接管至少10mm
在介质的反射特性好的情况下，容器接管直径较大时，接管长度可略长于换能器。右边表格列出对应不同直径接管的长度推荐值。在这种情况下，接管末端必须平滑，没有毛刺，尽可能将接管末端磨圆。另外，必须进行“虚假回波学习”。在介质的反射特性不好的情况下，安装方式可提高仪表安装位置，接管安装应配导波管(选装件)，以减小接管对测量的影响。
为何有的环境要使用导波管安装？
使用导波管安装（导波管或旁通管），可以避免容器内障碍物、泡沫和空气涡流对测量的影响。

连接电缆的安装有和要求？
一般介绍
供电电缆可使用普通电缆，电缆外径为5…9mm，以确保电缆入口的密封。如果存在电磁干扰，建议使用屏蔽电缆。屏蔽电缆两端均应接地，在传感器内部 ，屏蔽必须直接连接内部接地端子。外壳上的外部接地端子必须连接大地。
电缆的屏蔽和接线
如果有接地电流，屏蔽电缆远离仪表一侧的屏蔽端必须通过一个陶瓷电容（比如：1μF 1500V）接地，以抑制低频接地电流，同时仍可以防止高频干扰信号。

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超声波物位计安装方面讲究挺多的，上次使用时探头拧的太紧了，测量效果不好，总是丢波，松了松就好多了

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实际证明：超声波测液位，容易受到水蒸汽的影响导致误报警。改用雷达液位计情况就好多了。

影响超声波物位计测量的几个因素及相应解决方法

一．泡沫
　　　泡沫一般是由填充过程的激励或者混合过程所造成的泡沫层，泡沫是动态的，.依赖于过程，可以是厚的或薄的，密集的或疏松的，同时，泡沫也是受其他条件影响的，常常出现和消失在很短的时间段内。泡沫给超声波所带来的问题是泡沫是反射不充分的表面，它会吸收一部分或是全部的声波脉冲能量，减少了或是完全消除了回波信号。有两个方法解决这个问题，功率和隔离。第一个发法是，选择两倍于实际量程高度的传感器(比如测量测量一个3米的罐，选择至少6米量程的传感器)，这种发法只有在泡沫较轻时推荐使用.，在其他种类的泡沫时，传感器需要用一个标准管安装来和泡沫进行隔离。.在这种方法中，可以选择匹配所测罐高度的传感器。如果需要更多关于标准管安装的信息，请参考上文中的标准管安装注意事项。
二．蒸汽
　　　蒸汽是很难捉摸和量化的，一般是由特定介质产生的，比如丙酮或冰醋酸，蒸汽的产生来自填充过程的激励和混合过程，并且在温度的变化下将加剧。蒸汽对于超声波的影响是蒸汽会吸收超声波脉冲的能量，因而减少传感器标准测量距离。第二，如果蒸汽密度大，很集中，甚至会导致超声波的传播速度变化，也就是传播时间将变化。对于这种情况唯一的方法就是加大功率，一般来说选择两倍于实际量程高度的传感器(比如测量测量一个3米的罐，选择至少6米量程的传感器)为了最大程度的在极严重的蒸汽环境下使测量更加准确，4 mA 空罐设定点需要在现场标定，可以纠正声速的变化。
三．搅拌
　　　搅拌一般由填充激励，倒空，混合，通风过程造成的。搅拌会打散一部分超声波脉冲或是全部，减少或消除了回波信号。当传感器安装在一个很高，很窄的突法兰上时这种情况将会加剧。有三种方法对付搅拌，位置，功率，隔离。在很多应用中，传感器可以移到远离激励的地方，如果传感器无法移动，则选用第二种方法，选择两倍于实际量程高度的传感器(比如测量测量一个3米的罐，选择至少6米量程的传感器)，对于极严重的蒸汽，传感器需要用一个标准管安装来和蒸汽进行隔离。.在这种方法中，可以选择匹配所测罐高度的传感器。如果需要更多关于标准管安装的信息，请参考我们的标准管安装注意事项
四．过程连接
　　凸法兰安装件常被用在金属和塑料罐体的安装上，罐与罐的不同决定了凸起管高度(10cm~30cm)和尺寸(5cm~15cm).,大法兰并有窄的突起管可能会阻碍一部分超声波脉冲通过，减少了传感器量程和性能表现。如果法兰安装没有正交液面时就更为严重了。解决方法很简单，只要注意突起高度和直径就好了，传感器最大可以匹配12"高的突起管在6"直径，8"高的突起管在4"直径, 6"高的突起管在3"直径，3"高的突起管2" "直径.

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请问盲区什么意思呀，进入盲区就不能测量了吧？以前用过一款污泥界面仪，盲区大概有1m呢，怎么这么大

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因为超声波是机械波，是靠超声波探头的表面振动激发出超声波信号，探头的过程连接螺纹拧得太紧，就改变了超声波探头的固有频率，因此就不能正常工作了。
如果是密封问题，可以用生料带、打密封胶、或者用塑料棒做热熔焊。

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超声波液位计的盲区，根据量程的不同，盲区也不同。量程小，则盲区小，量程大，则盲区大。但一般都在30cm-50cm之间。所以一般在安装超声波液位计的时候盲区一定是要考虑进去的。

在特殊场合，会要求盲区很小，这个时候可以考虑小盲区超声波液位计，其盲区一般只有几厘米。但其量程很小，一般不到1米。

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楼上的两位大侠是从应用角度解释的，如果从原理上可以这样理解：
换能器的核心部分为压电晶体，压电晶体在激励电流的作用下产生机械伸缩，从而产生超声波脉冲。当激励电流停止工作时，压电晶体的机械振动不会马上停止，而是逐渐衰减，在此期间换能器不能接收回波信号，将上述余振时间换算成距离，即为该换能器的盲区。所以在超声波液位计安装时，要保证被测介质不要进入换能器的盲区，否则无法正常测量；
污泥界面计的盲区比较大，是因为探头发出的超声波在水中传播，而超声波在水中传播的速度比空气中大的多，在时间一定的情况下，对应的距离肯定要比较大；

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因为盲区的大小主要是因为发生超声波的石英晶体会有一个Ringdown的过程，就是石英晶体震荡过程在扭曲的状态下，不能接受超声波信号，小量程探头，这个时间一般是在0.8us,声波在空气中的速度是344m/s,所以一般盲区就定为0.3m,而声波在水中的速度是1000m/s多，所以就算作1m盲区了。

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三．搅拌

　　　搅拌一般由填充激励，倒空，混合，通风过程造成的。搅拌会打散一部分超声波脉冲或是全部，减少或消除了回波信号。当传感器安装在一个很高，很窄的突法兰上时这种情况将会加剧。有三种方法对付搅拌，位置，功率，隔离。在很多应用中，传感器可以移到远离激励的地方，如果传感器无法移动，则选用第二种方法，选择两倍于实际量程高度的传感器(比如测量测量一个3米的罐，选择至少6米量程的传感器)，对于极严重的蒸汽，传感器需要用一个标准管安装来和蒸汽进行隔离。.在这种方法中，可以选择匹配所测罐高度的传感器。如果需要更多关于标准管安装的信息，请参考我们的标准管安装注意事项

增大量程的方法并不是解决搅拌影响的好办法。增加量程的同时，也增强了噪声和多次回波。解决了一个问题，可能会带来其他的问题。
对于严重的蒸汽，采用隔离管怎么隔离蒸汽，除非蒸汽是另外加进去的，不是高温以后液面产生的。如果蒸汽是均匀分布的，可以通过修正声速来修正；否则应该改用雷达，比较安全。

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一．泡沫

　　　泡沫一般是由填充过程的激励或者混合过程所造成的泡沫层，泡沫是动态的，.依赖于过程，可以是厚的或薄的，密集的或疏松的，同时，泡沫也是受其他条件影响的，常常出现和消失在很短的时间段内。泡沫给超声波所带来的问题是泡沫是反射不充分的表面，它会吸收一部分或是全部的声波脉冲能量，减少了或是完全消除了回波信号。有两个方法解决这个问题，功率和隔离。第一个发法是，选择两倍于实际量程高度的传感器(比如测量测量一个3米的罐，选择至少6米量程的传感器)，这种发法只有在泡沫较轻时推荐使用.，在其他种类的泡沫时，传感器需要用一个标准管安装来和泡沫进行隔离。.在这种方法中，可以选择匹配所测罐高度的传感器。如果需要更多关于标准管安装的信息，请参考上文中的标准管安装注意事项。

这主要取决于泡沫的密度和厚度，增加量程或什么标准管的解决方案并不是通用的。这要看泡沫是如何形成的？

这些方法怎么听着像E+H以前说的。

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5KHz是超声波吗？超声波的定义是什么？

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超声波液位计拧得太紧会改变固有频率，导致影响波的发射？这还真是头一次听说。
我想拧紧的仅仅是外壳而已，发射单元在内部，怎么可能影响波的发射。
如果连接螺母的松紧会影响波的发射，那只能说明产品质量有严重问题。

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