超声波技术在工业测量中的应用

１ 引言
　　超声波技术的声学特性早已为人们所认识。但是，把超声波技术运用到工业测量中，则是近一、二十年来，随着微电脑及电子技术的发展，对超声波信号发射、捕捉及处理手段的日益完善才得以实现的。目前，超声波物位计和超声波流量计已被广泛使用。
２ 超声波的声学特性
　　超声波是指频率超过２０ｋＨｚ的声波。为了充分认识超声仪表，有必要了解其相关的特性。
     （１）声速特性
　　 超声波可以在固体、液体和气体中以不同的速度进行传播，其速度受介质温度、压力等因素的影响，但在相同外部环境下，超声波在同一介质中的传播速度是一常数。这是所有超声仪表进行测量的基础。
    （２）反射特性
　　超声波从一种介质进入另一种介质时，由于两种介质密度不同，因而在两种介质分界面，其方向传播会发生改变：其中一部分折射入另一种介质，另一部分被反射回来。
　　当超声波以气体传播到固体或液体时，由于两种介质密度相差悬殊，声波几乎全部被反射，超声波物位计充分利用了这一特性。
　　当超声波以固体传播到液体（或反过来）时，声波因为传播的介质密度相近而几乎全部折射，超声波流量计则利用了这一特性。
   （３）衰减特性
　　超声波在传播过程中，由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收，其强度会产生衰减。不论是超声波流量计还是超声波物位计，对所接受的声波强度都有一定要求，所以都要对各种衰减进行抑制。
３ 超声波流量计及其应用概况
    ３．１两类超声波流量计
　　目前应用于工业测量的超声波流量计主要有两类，即多谱勒式超声波流量计和时差式超声波流量计。它们都采用了现代高精技术来处理超声波信号，都应用了超声波的相关声学特性，但其工作原理及应用场合等方面仍有很大不同，如表１所示。
    ３．２两类超声波流量计测量原理
表１ 为了正确选型和合理使用超声波流量计，并且对实际应用中出现的问题进行分析、总结和解决，需要了解两类仪表的工作原理。
    （１）多谱勒超声波流量计
　　两个探头对称地装在待测流体管路两侧,发射探头发射频率为ｆ１的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以ｆ２的频率反射到接收探头，这就是多谱勒效应，ｆ２与ｆｌ之差即为多谱勒频移ｆｄ。
设流体流速为ｖ，超声波声速为ｃ，多谱勒频移ｆｄ正比于流体流速ｖ：
即：ｆｄ＝ｆ２－ｆ１＝×ｖ
所以流体流速：ｖ＝×ｆｄ
　　当管道条件、探头安装位置、发射频率、声速确定以后，ｃ、ｆ１、θ即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。
    （２）时差式超声波流量计
　　时差式超声波流量计的两个探头装在待测流体管道的上游和下游，对于小口径管道，装在管道一侧，为Ｖ方式，对于大口径管道（直径大于２００ｍｍ）则装在两侧，为Ｚ方式。两个探头（即换能器）都可以发射和接收超声波信号。由于液体流速的作用，从上游侧探头发向下游的声速将增加；反之减小。两者传播的时间差直接与流体流速成正比，通过对时间差的检测即可计算出液压体流速，进而求得流量。
    ３．３超声波流量计在山西铝厂应用概况
　　目前，山西铝厂对上述两类超声波流量计都有现场使用。根据实际情况，氧化铝生产工艺中，料浆、精液、洗液等适合使用多谱勒式超声波流量计，如拜尔法工艺上溶出洗液的测量就使用了该仪表，而对清水的测量则适合使用时差式超声波流量计。从使用效果看，前者运行不太稳定，效果不太理想，而后者则已达到了令人满意的结果。
　　根据我们分析，一方面，使用多谱勒式超产波流量计所测管道的介质多为粘稠、高温等流体，特性各不相同，而且长期流动导致管壁结垢，影响超声波的正常穿透和传播；另一方面，从已掌握的资料看，时差技术比多谱勒技术更成熟、更可靠。
４ 超声波物位计及其应用
　 超声波物位计，作为一种成熟的物位测量仪表，可以测量固体、液体的料位。目前，蒸发、沉降、二期中分等工艺现场大量使用了德国Ｅ＋Ｈ公司生产的超声波物位计。主要有ＦＭＵ６７１、ＦＭＵ４２１和ＦＭＵ２３１等系列产品，探头则有ＤＵ３３、ＤＵ４２等型号，其具体使用步骤、操作形式各不相同，但它们的基本原理、系统结构、功能及主要处理信号方式却大体相同。本文重点以山西铝厂８车间沉降槽上使用的ＦＭＵ４２１（ＤＵ４２探头）为例，来介绍超声波物位计的现场使用及其相关内容。
    ４．１超声波物位计的测量原理
　　超声波物位计运用了超声波的声学特性，即在一定条件下超声波在空气中的传播速度是一定的，所以通过测量超声波从探头传播至料位表面并返回到探头所用的时间，来计算探头到料位的距离，再用槽子的总高减去这个距离即可得实际料位。
即： Ｌ＝Ｈ－ｈ＝Ｈ－ＣＴ／２＝Ｈ－（Ｃｏ＋ａｔ）Ｔ?２
其中： Ｈ为零料位到探头的距离，ｍ；
ｈ为料位表面到探头的距离，ｍ；
Ｔ为时间，ｓ；
Ｃ。为０℃时超声波在空气中的传播速度，ｍ?ｓ；
α为超声波速度的温度系数，ｍ?℃；
ｔ为温度度，℃。
　　超声波物位计的核心部件是测量探头、微处理器，信号的发送、接收和处理就是通过这两者来完成的。
    ４．２超声波物位计的应用概况
　　在现场实际运用超声波物位计时，会有各种因素对其稳定、可靠的测量产生影响，下面我们将结合实际，讲述各种干扰对超声波物位计选用、使用、安装的影响。
   （１）介质及环境温度的影响
　　超声波从物料表面反射时，其反射频率会受到物料温度的影响而发生变化，为了补偿这一变化，超声波探头内装有温度传感器，当探头向处理器发送反射信号的同时，也把温度信号送到微处理器，处理器将自动补偿由于温度对料位测量的影响。
　　此外，为了保证探头的可靠工作，要求环境温度不超过６０℃。
    （２）搅拌器对物位计测量的影响
　　如果物料容器内装搅拌器，它同样会反射超声波信号，造成假反射回波，并被传送到微处理器。微处理器将根据统计学原理处理真假面具回波，所以要求超声波从物料表面反射的回波应至少为从搅拌器臂反射的回波的３倍。适当降低搅拌器的转速，或将探头偏离搅拌中心，都可以有效消除搅拌器产生的假面反射对料位测量的影响。
    （３）超声波物位计测量料位的极限值
     １）更高料位
　　当一束超声波脉冲向物料表面传送过程中，若收到从物料表面来的反射波，将无法进行测量，这段距离就是盲区。物料更高料位不得高于盲区。
    ２）最低料位
　　最低料位也就是使超声波能到达的距离传感器的最远距离，并且使反射回波能被传感器接收。由于超声波在传播过程中的衰减以及物料表面对声波的吸收，这一传播距离对物料性质依赖性很强，对于ＤＵ３３来说，可测液体范围为２５ｍ，固体范围为１５ｍ。
　　总之，只要仪表选型、安装适当，超声波物位计的应用效果还是比较满意的。
５ 结束语
　　超声波类仪表是现代科学技术在工业测量中的具体运用，是高新电子技术与声学原理相结合的产物。比起常规仪表，它们的智能化更高，应用的技术更先进，也给用户带来更大方便。