超声波液位开关在粘稠介质液位控制中的应用

超声波液位开关在粘稠介质液位控制中的应用
梁军汀;王恒林;张立军
【摘要】超声波液位开关利用超声波发射、接收换能器之间介质变化时引起声阻
抗变化的原理来进行液位的监测.和其它液位开关相比,超声波液位开关的液位测试
只与被测介质的声阻抗参数有关,与介质的粘度无关.因此,克服了其它液位开关受介质粘度影响的缺点,产品可广泛应用于石油、化工、食品、饮料等行业.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2017(024)006
【总页数】3页(P64-65,74)
【关键词】超声波;液位开关;声阻;粘稠介质
【作者】梁军汀;王恒林;张立军
【作者单位】同济大学声学研究所,上海 200092;江苏迅创科技有限公司,江苏淮
安 211600;江苏迅创科技有限公司,江苏淮安 211600
【正文语种】中文
【中图分类】TH
液位开关包括浮球液位开关、音叉液位开关、电容式液位开关以及正在兴起的超声液位开关等。

一直以来，大部分液位开关对粘度大的介质进行液位检测时，都存在反应时间滞后、上下动作点落差大、使用寿命短、极易产生误报警等测量问题。

浮球液位开关主要通过浮球的上下升降来检测液面的变化，在测量粘稠性或者含杂
质液体时，容易造成浮球堵塞，产生浮子上浮和下降慢现象。

音叉液位开关主要通过测量两个振动音叉间介质变化时共振频率的变化来检测液位的变化。

音叉液位开关在测量粘度介质时，叉体容易被粘连在一起的叉间物料堆积，从而产生误报警。

电容式液位开关通过检测液面或者散料高度变化时电容值的变化来测量液位或料位的高度。

当测量粘稠介质时容易形成开关杆体挂料，从而影响模拟量的输出而产生误报警[1]。

而超声波液位开关利用超声波在空气和液体中的传播特性来检测液体的液位，可以克服粘稠介质液位的测量控制问题，最大动力粘度可测量到7000mpa.s,是石油、化工行业高粘稠度液体液位测量控制的优选产品。

并且其结构精巧，没有机械部件，性能稳定可靠。

安装方式多样，既可顶部安装，也可侧部安装，还有两点式结构，可以满足各种工况。

超声波液位开关利用超声波在空气和液体中的传播特性来检测液体的液位。

由于换能器表面材料的声阻抗(声阻抗Z=密度ρ×声速C)与空气的声阻抗相差巨大，声波在空气中的发射、接收困难；而且声波在气体中传播时的衰减也比液体中大得多。

因此，声波在空气中传播时几乎没有信号，而在液体中传播时信号很强。

通过检测声波接收信号的大小或强度可以用来检测液位。

为了达到液位检测的目的，设计的超声波液位开关传感器采用了如图1所示的凹
槽型结构。

图1中，凹槽二端的内壁面上分别安装了一个超声发射晶片和一个超声接收晶片，用于超声波的发射和接收。

当凹槽内存在液体时，液位开关电路检测到的声波接收信号强度较大，而当凹槽内存在气体（空气）时，液位开关电路检测到的声波接收信号极为微弱[2]。

液位开关电路根据检测到的声波信号的强度不同来实时判断液位，并相应地输出继电器开关信号来控制液位。

超声波液位开关具有如下优点：
1）响应速度快：超声波液位开关利用液体和空气声阻抗的不同，来快速准确的区分是否有液到达测试点，反应灵敏。

2）误差小：当液体充满凹槽时，立刻就会被检测为有液状态；当液体离开凹槽上面的一个面时，立刻就会被检测为无液状态。

这样上下液位的落差点很小，基本保持一致，重复性误差±2mm。

3）使用寿命长：液体介质的粘度对超声波开关的影响很小，基本不用保养；而且开关为全电子部件，没有机械部件，可常年使用不用维护。

4）连接方式多样：如图2所示，超声波液位开关的结构有顶装结构、侧装结构和两点式结构（两点式结构可测量控制两个液位报警点）。

安装方式包括螺纹连接、法兰连接和卫生型连接，满足各种工况要求。

1）在食品行业的应用。

糖胶的储罐需加装液位控制和报警，在输送管道上要加装液位开关测量是否有液，防止泵无液空转损坏设备。

其它类型液位开关在使用时故障率高，影响生产，超声波液位开关适应糖浆粘度，响应速度快。

2）在石油化工行业的应用。

原油和重油属于危化品，必须加装液位控制安全联锁装置，对液位开关要求更加严格。

常用液位开关都存在误报警现象，带来一定程度的安全隐患。

超声波液位开关由于其原理和结构，特别适合粘稠度高的油品测量控制，大大提高了现场的连锁控制的稳定性，提升了整个控制系统的安全性。

3）在自动化设备上的应用。

需要控制粘稠度高液体的设备有不干胶涂布机、雪糕凝冻机和漆包线机等，这些设备使用的原料都是粘稠性液体，使用传统的测量控制手段很难实现稳定的自动化控制，设备基本处于半自动状态，使用了超声波开关后就可以完全的解决这个问题，提高设备的先进性，降低人工成本。

超声波液位开关利用介质声阻抗原理进行测试，可以测量高粘度的液体。

但是，如果介质中混有大量的颗粒物或气泡，会影响测量效果，不建议在类似工况下应用。

目前，超声波液位开关多为国外品牌，如SOR、Gems、TE、MOBREY等公司产品，由于国外的超声波液位开关价格高、服务滞后、无法定制，制约了市场的需求[3]。

江苏迅创科技有限公司2016年研制成功的超声波液位开关，填补了国内空白，成功应用于油品储罐、化工设备、制胶设备和食品机械等领域，其性能稳定，反应灵敏，解决了其它液位开关不能用于粘稠介质液位测量的问题，使过程控制自动化成为可能，既提高了设备的安全性，也降低了工人的劳动强度。

【相关文献】
[1]蔡闻智. 液位仪表的选择[J]. 电世界,1999(03):8-10.
[2]刘艳艳. 超声波液位计的研究[D]. 北京：北京化工大学,2007.
[3]刘庆.浸入式收发一体超声波液位检测研究[D].广西：广西师范大学,2015.。