超聲波液位計(jì)在自動(dòng)化水廠中的應(yīng)用

來源：上海三本環(huán)?？萍加邢薰?nbsp; 2013年12月16日 09:54

一、超聲波液位計(jì)測量原理介紹

某水廠加藥間采用的超聲波液位計(jì)，是發(fā)射和接收共用的單探頭超聲波液位計(jì)，由一個(gè)傳感器發(fā)送和接收信號(hào)的一次表，和一個(gè)將信號(hào)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(hào)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(gè)包含所有系統(tǒng)程序的單片機(jī)，控制儀表的操作、運(yùn)算、和診斷。信號(hào)輸出線將信號(hào)傳送到遠(yuǎn)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(hào)中既有液位返回信號(hào)，也有參考反射板返回信號(hào)。
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(hào)。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(shí)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(jì)從發(fā)射到參考反射板返回時(shí)間為TR，從發(fā)射到液面垂直返回時(shí)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(shí)間，由介質(zhì)中已知聲速就可以計(jì)算出B。所以液面的實(shí)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(diǎn)ZERO和滿度SPAN,儀表就能測定出液面的實(shí)際高度。0%對應(yīng)4mA模擬輸出信號(hào)，100%對應(yīng)20mA輸出信號(hào)。
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(shí)別。不能測量其距離值，這個(gè)區(qū)域是測量盲區(qū)。我水廠超聲波液位計(jì)的盲區(qū)是0.6m。
二、超聲波液位計(jì)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(jì)易受干擾，顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)。2、儀表測量顯示與實(shí)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(yùn)行。針對問題我們進(jìn)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(jì)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(jì)的零點(diǎn)和滿度的距離。面板里面還有一個(gè)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(diǎn)位置。
用尺子測量出實(shí)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(diǎn)的距離數(shù)值。同樣設(shè)置SPAN開關(guān)，指示槽底零點(diǎn)到zui大液位距離數(shù)值。由此再來調(diào)整并校驗(yàn)其零點(diǎn)滿度的設(shè)定值，由其測量原理可知這一點(diǎn)很重要。儀表測量值與實(shí)際值出現(xiàn)誤差，多半是由于零點(diǎn)和滿度設(shè)置有誤。
（2）檢查二次表變送器內(nèi)部電路
按實(shí)際測量的ZERO值和SPAN值，在二次表上設(shè)置好儀表的零點(diǎn)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(xiǎn)→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(shí)，用一個(gè)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(huì)因回路阻值過小而燒壞電流表。
2、正常操作時(shí)，變送器內(nèi)ECHO LED（回聲發(fā)光二極管會(huì)閃），接收到回波時(shí)，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(gè)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(gè)空閑的一次表換能器到變送器上，對準(zhǔn)一個(gè)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(hào)線及一次表傳感器
針對液位計(jì)顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定情形，在確認(rèn)了液位計(jì)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(hào)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(hào)屏蔽不好，信號(hào)易受干擾。（3）信號(hào)線接觸不良，也會(huì)造成液位計(jì)顯示數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。（4）信號(hào)線受潮、一次表的安裝表面不水平都會(huì)導(dǎo)致液位計(jì)顯示紊亂。
三、采取的處理措施
我們采取的幾點(diǎn)措施：
1、為防止信號(hào)線受動(dòng)力線上強(qiáng)電壓、大電流、強(qiáng)電磁的干擾，信號(hào)線單獨(dú)走一趟穿線管，遠(yuǎn)離動(dòng)力線、照明線，分開布線。
曾遇到這樣一個(gè)故障現(xiàn)象，值班室的日光燈一開啟，液位計(jì)二次表無數(shù)據(jù)顯示。儀表與日光燈并不受同一個(gè)控制電源控制，經(jīng)分析，原因是因?yàn)槿展鉄綦娫淳€離液位計(jì)二次表變送器太近，日光燈啟動(dòng)時(shí)鎮(zhèn)流器產(chǎn)生高壓，通電導(dǎo)線產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場，4-20mA的超聲波液位信號(hào)受到干擾。把日光燈電源線遠(yuǎn)離液位計(jì)二次表后，這一故障現(xiàn)象消失。
2、做好信號(hào)屏蔽層，防止信號(hào)受干擾曾試過，信號(hào)線屏蔽接線無誤，僅用手來回晃晃信號(hào)線，儀表顯示數(shù)據(jù)就會(huì)跳動(dòng)。為了更好地起到屏蔽效果，我們在信號(hào)線外面穿導(dǎo)電的鋼管。另外，將二次表內(nèi)信號(hào)線端和屏蔽接線端明顯分離開，屏蔽層一小點(diǎn)的毛刺與信號(hào)線似乎粘連都會(huì)影響信號(hào)的穩(wěn)定。同一信號(hào)回路、同一屏蔽層采用單點(diǎn)接地，只有一個(gè)接地點(diǎn)，避免地回路存在的電位差將干擾引入儀表。
3、為防止信號(hào)線接觸不良，在信號(hào)線中間盡量不留接頭，接線端子壓接處不能有任何松動(dòng)，不然接觸電阻會(huì)比較大。必須有接頭的需用烙鐵焊接信號(hào)線接頭，減少故障隱患。
4、為避免信號(hào)線受潮，信號(hào)線走纜溝時(shí)，需架在支架上。信號(hào)線尤其接頭處受水浸泡發(fā)潮，會(huì)造成儀表信號(hào)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(yuǎn)，探頭接收到的信號(hào)太弱，無法和噪聲信號(hào)區(qū)分；過近，進(jìn)入探頭的盲區(qū)，則無法分辯。
四、結(jié)語
對于進(jìn)口超聲波液位計(jì)在我水廠應(yīng)用實(shí)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(hào)接線故障原因，逐一排查，采取改進(jìn)措施。盡量去除影響超聲波液位計(jì)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(yùn)行。

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