摘要：超聲波液位開(kāi)關(guān)利用超聲波發(fā)射、接收換能器之間介質(zhì)變化時(shí)引起聲阻抗變化的原理來(lái)進(jìn)行液位的監(jiān)測(cè)。和其它液位開(kāi)關(guān)相比，超聲波液位開(kāi)關(guān)的液位測(cè)試只與被測(cè)介質(zhì)的聲阻抗參數(shù)有關(guān)，與介質(zhì)的粘度無(wú)關(guān)，因此克服了其它液位開(kāi)關(guān)受介質(zhì)粘度影響的缺點(diǎn)，產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于石油、化工、食品、飲料等行業(yè)。
關(guān)鍵詞：超聲波，液位開(kāi)關(guān)，聲阻，粘稠介質(zhì)
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
液位開(kāi)關(guān)包括浮球液位開(kāi)關(guān)、音叉液位開(kāi)關(guān)、電容式液位開(kāi)關(guān)以及正在興起的超聲液位開(kāi)關(guān)等。
一直以來(lái)，大部分液位開(kāi)關(guān)對(duì)粘度大的介質(zhì)進(jìn)行液位檢測(cè)時(shí)，都存在反應(yīng)時(shí)間滯后、上下動(dòng)作點(diǎn)落差大、使用壽命短、極易產(chǎn)生誤報(bào)警等測(cè)量問(wèn)題。
浮球液位開(kāi)關(guān)主要通過(guò)浮球的上下升降來(lái)檢測(cè)液面的變化，在測(cè)量粘稠性或者含雜質(zhì)液體時(shí)，容易造成浮球堵塞，產(chǎn)生浮子上浮和下降慢現(xiàn)象。
音叉液位開(kāi)關(guān)主要通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)振動(dòng)音叉間介質(zhì)變化時(shí)共振頻率的變化來(lái)檢測(cè)液位的變化。音叉液位開(kāi)關(guān)在測(cè)量粘度介質(zhì)時(shí)，叉體容易被粘連在一起的叉間物料堆積，從而產(chǎn)生誤報(bào)警。
電容式液位開(kāi)關(guān)通過(guò)檢測(cè)液面或者散料高度變化時(shí)電容值的變化來(lái)測(cè)量液位或料位的高度。當(dāng)測(cè)量粘稠介質(zhì)時(shí)容易形成開(kāi)關(guān)桿體掛料，從而影響模擬量的輸出而產(chǎn)生誤報(bào)警[2]。
而超聲波液位開(kāi)關(guān)利用超聲波在空氣和液體中的傳播特性來(lái)檢測(cè)液體的液位，可以克服粘稠介質(zhì)液位的測(cè)量控制問(wèn)題，最大動(dòng)力粘度可測(cè)量到7000mpa.s,是石油、化工行業(yè)高粘稠度液體液位測(cè)量控制的優(yōu)選產(chǎn)品。并且其結(jié)構(gòu)精巧，沒(méi)有機(jī)械部件，性能穩(wěn)定可靠。安裝方式多樣，既可頂部安裝，也可側(cè)部安裝，還有兩點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，可以滿足各種工況。
2產(chǎn)品原理
超聲波液位開(kāi)關(guān)利用超聲波在空氣和液體中的傳播特性來(lái)檢測(cè)液體的液位。由于換能器表面材料的聲阻抗(聲阻抗Z=密度ρ*聲速C)與空氣的聲阻抗相差巨大，聲波在空氣中的發(fā)射、接收困難；而且聲波在氣體中傳播時(shí)的衰減也比液體中大得多，因此，聲波在空氣中傳播時(shí)幾乎沒(méi)有信號(hào)，而在液體中傳播時(shí)信號(hào)很強(qiáng)。通過(guò)檢測(cè)聲波接收信號(hào)的大小或強(qiáng)度可以用來(lái)檢測(cè)液位。
為了達(dá)到液位檢測(cè)的目的，設(shè)計(jì)的超聲波液位開(kāi)關(guān)傳感器采用了如圖1所示的凹槽型結(jié)構(gòu)。
圖1 超聲波液位開(kāi)關(guān)傳感器示意圖
圖中，凹槽二端的內(nèi)壁面上分別安裝了一個(gè)超聲發(fā)射晶片和一個(gè)超聲接收晶片，用于超聲波的發(fā)射和接收。當(dāng)凹槽內(nèi)存在液體時(shí)，液位開(kāi)關(guān)電路檢測(cè)到的聲波接收信號(hào)強(qiáng)度較大，而當(dāng)凹槽內(nèi)存在氣體（空氣）時(shí)，液位開(kāi)關(guān)電路檢測(cè)到的聲波接收信號(hào)極為微弱[1]。液位開(kāi)關(guān)電路根據(jù)檢測(cè)到的聲波信號(hào)的強(qiáng)度不同來(lái)實(shí)時(shí)判斷液位，并相應(yīng)地輸出繼電器開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制液位。
3超聲波液位開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)分析
超聲波液位開(kāi)關(guān)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）響應(yīng)速度快：超聲波液位開(kāi)關(guān)利用液體和空氣聲阻抗的不同，來(lái)快速準(zhǔn)確的區(qū)分是否有液到達(dá)測(cè)試點(diǎn)，反應(yīng)靈敏。
（2）誤差?。寒?dāng)液體充滿凹槽時(shí)，立刻就會(huì)被檢測(cè)為有液狀態(tài)；當(dāng)液體離開(kāi)凹槽上面的一個(gè)面時(shí)，立刻就會(huì)被檢測(cè)為無(wú)液狀態(tài)。這樣上下液位的落差點(diǎn)很小，基本保持一致，重復(fù)性誤差±2mm。
（3）使用壽命長(zhǎng)：液體介質(zhì)的粘度對(duì)超聲波開(kāi)關(guān)的影響很小，基本不用保養(yǎng)；而且開(kāi)關(guān)為全電子部件，沒(méi)有機(jī)械部件，可常年使用不用維護(hù)。
（4）連接方式多樣：如圖2所示，超聲波液位開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)有頂裝結(jié)構(gòu)、側(cè)裝結(jié)構(gòu)和兩點(diǎn)式結(jié)構(gòu)（兩點(diǎn)式結(jié)構(gòu)可測(cè)量控制兩個(gè)液位報(bào)警點(diǎn)）。安裝方式包括螺紋連接、法蘭連接和衛(wèi)生型連接，滿足各種工況要求。
圖2 開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)：頂裝結(jié)構(gòu)、側(cè)裝結(jié)構(gòu)、兩點(diǎn)式結(jié)構(gòu)、迷你衛(wèi)生型
4產(chǎn)品應(yīng)用情況
超聲波液位開(kāi)關(guān)部分介質(zhì)舉例說(shuō)明：
|
名稱 |
溫度 |
動(dòng)力粘度（mPa.s） |
|
紙膠水 |
30℃ |
3000 |
|
洗潔精 |
22℃ |
1470 |
|
糖漿 |
70℃ |
4000 |
|
工業(yè)膠 |
25℃ |
7000 |
|
原油 |
30℃ |
829 |
超聲波液位開(kāi)關(guān)利用介質(zhì)聲阻抗原理進(jìn)行測(cè)試，可以測(cè)量高粘度的液體。但是，如果介質(zhì)中混有大量的顆粒物或氣泡，會(huì)影響測(cè)量效果，不建議在類似工況下應(yīng)用。
5產(chǎn)品的發(fā)展前景
目前，超聲波液位開(kāi)關(guān)多為國(guó)外品牌，如SOR、Gems、TE、MOBREY等公司產(chǎn)品，由于國(guó)外的超聲波液位開(kāi)關(guān)價(jià)格高、服務(wù)滯后、無(wú)法定制，制約了市場(chǎng)的需求[3]。江蘇迅創(chuàng)科技有限公司2016年研制成功的超聲波液位開(kāi)關(guān)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，成功應(yīng)用于油品儲(chǔ)罐、化工設(shè)備、制膠設(shè)備和食品機(jī)械等領(lǐng)域，其性能穩(wěn)定，反應(yīng)靈敏，解決了其它液位開(kāi)關(guān)不能用于粘稠介質(zhì)液位測(cè)量的問(wèn)題，使過(guò)程控制自動(dòng)化成為可能，既提高了設(shè)備的安全性，也降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
參考文獻(xiàn)：
[1]劉艷艷. 超聲波液位計(jì)的研究[D].北京化工大學(xué),2007.
[2] 蔡聞智. 液位儀表的選擇[J]. 電世界,1999,(03):8-10.
[3]劉慶. 浸入式收發(fā)一體超聲波液位檢測(cè)研究[D].廣西師范大學(xué),2015.
