超声波水位测量系统

超声波水位测量系统

郭　清　王兴泽

摘　要　超声波水位测量系统由传感器和变送器构成。传感器向物体表面发射超声波,接受反射波,并作为定向传送器将电信号传送到变送器,由变送器完成智能化回波分析,完成非接触连续地水位测量。测量范围:液体30m。工作温度:-20～80℃。水位测量精度:1mm。

关键词　超声波　水位　测量系统　工作原理

传统的水位测量方法是在测验断面设立水尺,人工定时观测水位。这种测验方法不适应自动化迅速发展的需要。而先进的超声波测量系统克服了上述缺点,完整的探头系列可完成非接触连续地测量水位。该系统测量部分由FDU(传感器)系列及与之配套使用的FM U(变送器)系列组成,其可用于淡水和废水处理的测量。FM U可安装于现场及控制室,单通道或双通道,带3个或5个继电器及累加器,可配串行接口,用于远离现场操作。模拟输入信号是标准的4～20mA电流。所有标定值清楚地排列在一个矩阵表中,具有线性化,累计的多种功能,采用模糊逻辑元件识别信号模式,可选择应用参数。从而缩短投运时间,保证长时间准确的超声波测量。采集到的数据由无线电通信系统传送到用户计算机终端上,用户只需安装一套接收装置,随时可以得到实时水位数据,用户可编制应用软件将数据整理、存储。

1　测量系统工作原理及功能

该系统由变送器(FM U系列)配1个或2个传感器(FDU系列)构成,对于特殊应用变送器还可以接其它仪表,如外接温度传感器、外接限位开关等。111　传感器的工作原理及功能

传感器内的放射源电动激励向物体表面发射超声波,物体反射部分回波。这种反射波被同一传感器探测,同时做为一个定向的传送器,转换成电信号,脉冲传送接收时间(波的运动时间)与距离(探头与物体表面的距离)成正比。这段距离通过声速C和运动时间t被表示为:

D=C t 2

由于探头的振铃时间关系,在探头下有一段小的区域,反射波不能被探测,这个区域叫盲区。盲区决定探头膜片与仓储内的最高物位的最小距离。这个距离与所用探头型号有关。被接收到的反馈信号转换成电信号输人到FM U转换器,FM U把接收到的信号处理,就可以将测量的距离转还成物体的实际物位,图1为各种距离示意图。

在测量河道时F、E值需根据历史资料确定最高点和最低点。标准的探头带5m长固定电缆(如果需要,可带长30m截面积0175mm2)它可被直接联接FM U组件,联接端子适合截面达215mm2的电缆,也可通过端子盒中转到FM U上,端子盒附加的电缆最长可为300m,每芯最大为68,60nF电线一定要用两芯屏蔽电缆

。

B—盲区;D—探头到物体表面的距离;L—物位;F—最高物位(100%,满仓);E—测量零点(0%,空仓)

图1　各种距离示意图

超声波对于每种应用提供单独程序。在敞口和封闭的罐和仓储中的液体和固体的物偿位测量,位差测量为毫米级精度。被测介质可以是腐蚀性的液体如碱或酸,或是粉状和块状固体物料等。超声波探头可在不同工况下可靠地测量。

112　变送器工作原理及功能

从探头发射的一个超声脉冲被物料或液体的表

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1999年第2期(总175期) 东北水利水电

面反射回来,而又被探头作为回波信号接收,根据超声信号的运行时间计算出物料的高度或液位(回波物位的探测)。变送器是应用包括模糊逻辑单元的统计理论来进行智能化回波分析。无需其它特殊步骤,因为此方法能使真实的物位回波同信号零星的反射、来自于下料等的干扰回波和噪音、多重反射区别开来,甚至在几乎不适宜的测量点上,通过特殊的固定目标的抑制或过滤因素,连续地非接触的超声测量的仍可成功地应用。FM U继电器可由下列设备输入信号,不同型号的FDU传感器、外接限位开关,外接无源限位开关(断路器)或PN P开关,例如液位开关或固体料位开关(24V,最大短路电流20mA),外接温度传感器,用于明渠测量时对声速进行温度补偿,特别是传感器被加热时。

FM U由4～20mA进行模拟输出,最大负载电阻6008,带串行接口插入式模块时输出电流不超过24mA。FM U还可以输出其它信号:

(1)硬件累加器,不可复位,6位计数。

(2)继电器:①3个或5个继电器,每个继电器带1个无电势转换触点;②最大负荷时为4A,250V;当co sΗ=017时,为35VDC,100W;③功能可调,每个继电器的功能,开启点和关闭点任意设定;④可指示故障;⑤限位开关,可延时动作,也可用于泵的交替控制;⑥计数脉冲发生器,用于累计流量,控制外接仪表或取样器,最大计数频率为1H z;⑦定时脉冲发生器,用于取样器定时控制或格栅清洗;⑧趋势控制。

(3)显示:①显示(L CD)4位半显示测量值,可选加背光照明;②带10段模拟指示,以及电流过小 过大、故障、通讯指示等符号;③L ED:每个继电器有1个黄色L ED,用于故障或继电器开关状态指示。L ED亮表示继电器闭合。工作正常时报警继电器故障指示L ED亮。一个绿色L ED也亮,报警时闪动;④软件累加器,不同型号的FM U配置不同,有标准配置,也有用户自已选配。

(4)同步连接:多部传感器电缆长距离并排布线时,变送器最多可10台并联。

(5)快速故障诊断:出现故障代码和进行故障诊断时可配合使用故障排除表。

测量精度及变量的影响:

①测量误差,料位平滑时,最大量程典型值为012%,该值为线性度,滞后和重复误差之和;②最大分辨率,最大量程的011%或1mm(以大者为准);③电磁场影响,10V m时,对于最大量程为1%;④负载的影响,在允许范围内可忽略不计。

其所有功能,包括模拟输出和继电器开关点均可利用操作矩阵进行设定。

2　技术数据

(1)FDU传感器。测量范围,液体30m;测量范围,固体15m;盲区,110m;23℃工作频率,30kH z;重量,311kg;工作温度,-20℃～80℃;最大工作压力P绝,15bar。

(2)FM U变送器的技术数据。信号输入:传感器,信号输入切换至每秒一个周期;单独的切换输入外部无源限位检测器,最大短路电流20mA,电压24V。

模拟输出,输出电流极限24mA;

显示器:显示器(L CD),测量值的412位显示,发光可选择;L ED,每个继电器有一个黄色发光二级管以显示继电器的故障或开关状态,一个发光的L ED显示继电器通电,报警继电器L ED在正常操作时亮,一个绿色L ED在正常操作时也亮,但在出现报警时闪烁;累加器:共6位,不能清零。

继电器,3或5个独立的继电器,每个均带有1个无势的切换触点。

极限值:4A,250V;当co sΗ=017时:35VDC 和100W。

同步联接,其它传感器电缆在长距离内敷设在一起可平行联接10台。

变量的精度和效应。测量误差,最大量和光滑面为012%;负荷效应,在允许范围内很小。

3　测量系统的应用

在浑河干流沈阳水位站安装了一套水位测量系统,经过1年的试运行,测量状况良好。传感器安装在桥底,由一支架固定在桥上,变送器安装在站房内,观测到的数据由通讯系统传送到防讯调度中心大楼。

水位测验精度为1mm,满足测验规范要求,变送器和主控箱安装在室内。为了使FM U与超声波传感一起工作,获得被测量的显示值要进行基本设定和基本标定。

基本设定主要包括:①FM U总复位,首次投运时或更换传感器或变送器之后(只在初次投运时);②设定长度单位;③设定工作模式;④输入传感器型号;

⑤有关外接测量装置的输入(外接限位开关,外接温度传感器)。(下转第14页)