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超声波液位开关在粘稠介质液位控制中的应用
2020-11-12
  

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。

关键词:超声波,液位开关,声阻,粘稠介质

Abstract:The change of medium between ultrasonic transmitting and receiving transducer leads to the change of the acoustic impedance, and ultrasonic liquid level switch uses the principle for liquid level monitoring. Compared to other liquid level switches, level test of ultrasonic liquid level switch is only related to the acoustic impedance parameters of the measured medium, which has nothing to do with the viscosity of the medium. The ultrasonic liquid level switch overcomes the shortcomings that other liquid level switches are affected by the medium viscosity, and these products have been widely used in petroleum, chemical industry, food, beverage and other industries.

Key words: ultrasonic, liquid level switch,acoustic resistance, viscous medium

1引言

液(ye)位(wei)(wei)开关包括浮(fu)球液(ye)位(wei)(wei)开关、音叉液(ye)位(wei)(wei)开关、电容式液(ye)位(wei)(wei)开关以及正在兴起的超声(sheng)液(ye)位(wei)(wei)开关等(deng)。

一直(zhi)以来,大(da)(da)部分液位(wei)开关(guan)对粘(zhan)度(du)大(da)(da)的介质进行液位(wei)检(jian)测时(shi),都存在反应时(shi)间滞(zhi)后、上(shang)下动(dong)作(zuo)点(dian)落差大(da)(da)、使(shi)用寿命短、极易产(chan)生误报警等(deng)测量(liang)问题。

浮(fu)球液位开关主要通过(guo)浮(fu)球的上下升降来检测液面的变化,在测量粘稠性或者含(han)杂质液体时,容易造(zao)成浮(fu)球堵塞(sai),产(chan)生浮(fu)子上浮(fu)和下降慢现象。

音叉(cha)液位开(kai)关主要通过测(ce)量(liang)两个振动音叉(cha)间介(jie)质(zhi)变化(hua)(hua)时(shi)共振频率的变化(hua)(hua)来(lai)检(jian)测(ce)液位的变化(hua)(hua)。音叉(cha)液位开(kai)关在测(ce)量(liang)粘度介(jie)质(zhi)时(shi),叉(cha)体容易被粘连在一起(qi)的叉(cha)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[2]

而超声波液位(wei)开关利用超声波在空气(qi)和(he)液体中的(de)(de)传播(bo)特性(xing)来检测液体的(de)(de)液位(wei),可(ke)(ke)以克(ke)服(fu)粘(zhan)稠(chou)介质液位(wei)的(de)(de)测量(liang)(liang)控(kong)制问(wen)题,最大动力粘(zhan)度可(ke)(ke)测量(liang)(liang)到(dao)7000mpa.s,是石油、化工行业高粘(zhan)稠(chou)度液体液位(wei)测量(liang)(liang)控(kong)制的(de)(de)优选产品。并且其结(jie)构(gou)精巧,没有机械部(bu)(bu)件,性(xing)能稳(wen)定可(ke)(ke)靠(kao)。安装方式多样,既可(ke)(ke)顶(ding)部(bu)(bu)安装,也可(ke)(ke)侧(ce)部(bu)(bu)安装,还有两点式结(jie)构(gou),可(ke)(ke)以满足各种工况。

2产品原理

超(chao)声(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)液(ye)位开关利用超(chao)声(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)在(zai)空(kong)气(qi)和液(ye)体(ti)中(zhong)的(de)(de)传(chuan)播(bo)特性来(lai)检(jian)测液(ye)体(ti)的(de)(de)液(ye)位。由于(yu)换能器表面材料的(de)(de)声(sheng)(sheng)(sheng)阻抗(kang)(声(sheng)(sheng)(sheng)阻抗(kang)Z=密度ρ*声(sheng)(sheng)(sheng)速C)与(yu)空(kong)气(qi)的(de)(de)声(sheng)(sheng)(sheng)阻抗(kang)相差巨大(da),声(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)在(zai)空(kong)气(qi)中(zhong)的(de)(de)发(fa)射、接收困难;而且声(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)在(zai)气(qi)体(ti)中(zhong)传(chuan)播(bo)时(shi)(shi)的(de)(de)衰减(jian)也比液(ye)体(ti)中(zhong)大(da)得(de)多,因此,声(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)在(zai)空(kong)气(qi)中(zhong)传(chuan)播(bo)时(shi)(shi)几乎没有信号,而在(zai)液(ye)体(ti)中(zhong)传(chuan)播(bo)时(shi)(shi)信号很强。通过检(jian)测声(sheng)(sheng)(sheng)波(bo)(bo)接收信号的(de)(de)大(da)小或强度可(ke)以用来(lai)检(jian)测液(ye)位。

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

图(tu)1 超声波液位开关传感器示意图(tu)

       图中,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[1]。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。

3超声波液位开关的优点分析

    超声波液位开关具有如下优点:

(1)响(xiang)应速度快:超(chao)声(sheng)波液(ye)位(wei)开关利(li)用(yong)液(ye)体和空气声(sheng)阻抗的(de)不同,来(lai)快速准确的(de)区(qu)分是否有液(ye)到达测试(shi)点,反应灵敏。

(2)误差小:当液体充满凹槽(cao)时,立(li)刻(ke)就会(hui)(hui)被(bei)检测(ce)为有液状态;当液体离开凹槽(cao)上(shang)面(mian)的一个面(mian)时,立(li)刻(ke)就会(hui)(hui)被(bei)检测(ce)为无液状态。这样上(shang)下液位的落差点很小,基本保持一致,重(zhong)复(fu)性(xing)误差±2mm。

(3)使(shi)用(yong)寿命长(zhang):液体(ti)介(jie)质(zhi)的粘度(du)对超(chao)声波开关的影响很小,基本不用(yong)保养;而(er)且开关为(wei)全(quan)电子部件(jian),没有(you)机械部件(jian),可常年(nian)使(shi)用(yong)不用(yong)维护。

(4)连(lian)接方式(shi)(shi)多样(yang):如图2所示(shi),超(chao)声波液位(wei)开(kai)关(guan)的结构(gou)有顶装(zhuang)结构(gou)、侧装(zhuang)结构(gou)和(he)两点式(shi)(shi)结构(gou)(两点式(shi)(shi)结构(gou)可测量控制两个液位(wei)报警点)。安装(zhuang)方式(shi)(shi)包括螺纹(wen)连(lian)接、法兰连(lian)接和(he)卫生型连(lian)接,满(man)足(zu)各种工况要(yao)求。

 

图2 开关结构(gou):顶(ding)装结构(gou)、侧(ce)装结构(gou)、两点(dian)式结构(gou)、迷(mi)你卫生型(xing)

4产品应用情况

超声波液(ye)位开关部分(fen)介质(zhi)举(ju)例说明:

名称

温度

动力粘度(mPa.s)

纸胶(jiao)水

30

3000

洗(xi)洁精

22

1470

糖(tang)浆

70

4000

工(gong)业(ye)胶(jiao)

25

7000

原油

30

829

超(chao)声波液位开(kai)关(guan)利用介(jie)质声阻抗原理(li)进行测试,可以测量高粘度的液体。但是,如(ru)果介(jie)质中混有(you)大量的颗粒物或气(qi)泡,会影响测量效(xiao)果,不建议在类似工况下应用。

5产品的发展前景

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]。江苏辽宁宏运科技有限公司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。

参考文献:

[1]刘艳艳. 超声波(bo)液(ye)位计的(de)研究[D].北(bei)京化工大(da)学(xue),2007.

[2] 蔡(cai)闻智. 液(ye)位仪表的选择[J]. 电(dian)世界,1999,(03):8-10.

[3]刘庆. 浸入式收发一体超声(sheng)波液位(wei)检(jian)测研究[D].广(guang)西师范大学,2015.

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