超聲波液位計在自動化水廠中的應用

牛立民 天津泰達自來水公司

超聲波液位計在自動化水廠中的應用

牛立民 天津泰達自來水公司

本文通過介紹進口超聲波液位計在我水廠加藥自控系統的實踐應用經驗，分析二次表內參數設置及電路、一次表傳感器工作環境，排查應用中出現的測量誤差和顯示數據不穩的原因及采取的處理措施。

超聲波液位計；加藥自控系統；PLC

超聲波液位計不接觸測量介質就能測量液位，在自動化控制運行的水廠被廣泛使用。我水廠加藥系統是自動控制系統，系統中超聲波液位計作為礬液液位在線測量監測儀表，將礬池液位信號反饋給PLC， PLC以此來控制礬液池進出礬液、進水、鼓風攪拌或兩個礬池的自動切換。另外，儀表監測的液位為計算每小時耗礬量提供可靠的依據。

一、超聲波液位計測量原理介紹

我水廠加藥間采用得利滿公司生產的型號為50us3222ABB超聲波液位計，是發射和接收共用的單探頭超聲波液位計，由一個傳感器發送和接收信號的一次表，和一個將信號數據處理和顯示的變送裝置組成。兩者由同軸電纜信號線連接。一次表上有傳聲筒，換能器、參考反射板，支撐桿，安裝支架及附帶的25米的同軸電纜。變送器內有一個包含所有系統程序的單片機，控制儀表的操作、運算、和診斷。信號輸出線將信號傳送到遠處的PLC。在探頭側面放一參考反射板，探頭接收到的聲波信號中既有液位返回信號，也有參考反射板返回信號。

換能器（探頭）發出高頻超聲波脈沖，遇到被測介質表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉換成電信號。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發射到接收到超聲波脈沖所需時間間隔與換能器到被測介質表面的距離成正比。假如超聲波液位計從發射到參考反射板返回時間為TR，從發射到液面垂直返回時間為TB，探頭到液面的垂直距離為B，探頭至參考反射板距離為R，因此B=TB*R/TR，測出超聲波從發射到返回所需時間，由介質中已知聲速就可以計算出B。所以液面的實際高度H占滿度SPAN的百分比：H=(Z-B)*100%/S。于是設定好零點ZERO和滿度SPAN,儀表就能測定出液面的實際高度。0%對應4mA模擬輸出信號，100%對應20mA輸出信號。

由于發射的超聲波脈沖有一定的寬度，使得距離換能器較近的小段區域內的反射波與發射波重疊，無法識別。不能測量其距離值，這個區域是測量盲區。我水廠超聲波液位計的盲區是0.6m。

二、超聲波液位計應用中存在的問題及故障原因分析

我們在生產中遇到的問題：1、超聲波液位計易受干擾，顯示數據不穩。2、儀表測量顯示與實際礬池液位不相符，出現誤差，直接影響加藥自控系統的正常運行。針對問題我們進行如下分析排查：

（1）檢查二次表內物位開關的設置

液位計安裝好后，斷電、復位。首先檢查二次表變送器內物位開關的設置。

設置TEST測試開關到正常操作模式（Normal Operation）,即三角指向0。其他的測試開關是自我診斷檢測。Unit 設置U到需要的單位(ft或m)，它決定了液位計的零點和滿度的距離。面板里面還有一個設置顯示的swith開關，用來設定儀表顯示數字和小數點位置。

用尺子測量出實際的ZERO和SPAN距離值，設置變送器內的4位ZERO開關，指示到傳感器換能器表面到槽底零點的距離數值。同樣設置SPAN開關，指示槽底零點到最大液位距離數值。由此再來調整并校驗其零點滿度的設定值，由其測量原理可知這一點很重要。儀表測量值與實際值出現誤差，多半是由于零點和滿度設置有誤。

（2）檢查二次表變送器內部電路

按實際測量的ZERO值和SPAN值，在二次表上設置好儀表的零點和滿度。并查明物位開關設置正確后，再查二次表變送器內部電路是否有故障。

1、檢查電源輸入電壓→檢查保險→檢查直流輸出電壓。通過內置的診斷TEST開關來檢測局部的電路板故障。診斷檢測失敗了，說明電路板有故障，更換主電路板。檢測輸出電流時，用一個0～750歐的電阻跨接在電流輸出端子，再串入電流表測量，否則會因回路阻值過小而燒壞電流表。

2、正常操作時，變送器內ECHO LED（回聲發光二極管會閃），接收到回波時，傳感器附近能聽到咔、咔、咔聲。

聲音能聽到，但ECHO LED燈不閃，可用一個金屬的或紙板（0.5×0.5m）來模擬液位，（放置到ZERO和SPAN范圍內）。若燈還不閃亮，就再連一個空閑的一次表換能器到變送器上，對準一個反射面，如果ECHO LED燈亮了，說明二次表正常。

（3）檢查工作環境、信號線及一次表傳感器

針對液位計顯示數據不穩定情形，在確認了液位計變送器（二次表）內部設置和主電路板完好的情況下，問題大多出在儀表工作環境、信號線及傳感器上。（1）超聲波的抗電磁干擾性能不好，周圍臨近的用電設備易對它造成影響。（2）信號屏蔽不好，信號易受干擾。（3）信號線接觸不良，也會造成液位計顯示數據不穩定。（4）信號線受潮、一次表的安裝表面不水平都會導致液位計顯示紊亂。

三、采取的處理措施

我們采取的幾點措施：

1、為防止信號線受動力線上強電壓、大電流、強電磁的干擾，信號線單獨走一趟穿線管，遠離動力線、照明線，分開布線。

曾遇到這樣一個故障現象，值班室的日光燈一開啟，液位計二次表無數據顯示。儀表與日光燈并不受同一個控制電源控制，經分析，原因是因為日光燈電源線離液位計二次表變送器太近，日光燈啟動時鎮流器產生高壓，通電導線產生很強的電磁場，4-20mA的超聲波液位信號受到干擾。把日光燈電源線遠離液位計二次表后，這一故障現象消失。

2、做好信號屏蔽層，防止信號受干擾

曾試過，信號線屏蔽接線無誤，僅用手來回晃晃信號線，儀表顯示數據就會跳動。為了更好地起到屏蔽效果，我們在信號線外面穿導電的鋼管。另外，將二次表內信號線端和屏蔽接線端明顯分離開，屏蔽層一小點的毛刺與信號線似乎粘連都會影響信號的穩定。同一信號回路、同一屏蔽層采用單點接地，只有一個接地點，避免地回路存在的電位差將干擾引入儀表。

3、為防止信號線接觸不良，在信號線中間盡量不留接頭，接線端子壓接處不能有任何松動，不然接觸電阻會比較大。必須有接頭的需用烙鐵焊接信號線接頭，減少故障隱患。

4、為避免信號線受潮，信號線走纜溝時，需架在支架上。信號線尤其接頭處受水浸泡發潮，會造成儀表信號紊亂。

5、調節超聲波傳聲筒內的換能器，表面垂直正對著所測液面，水平度控制在2 °。

6、調節好超聲波探頭距離液面的距離。過遠，探頭接收到的信號太弱，無法和噪聲信號區分；過近，進入探頭的盲區，則無法分辯。

四、結語

對于進口超聲波液位計在我水廠應用實踐中出現的問題，我們不斷學習消化吸收其性能原理，分析判斷其變送器、傳感器及信號接線故障原因，逐一排查，采取改進措施。盡量去除影響超聲波液位計穩定的干擾因素，穩定正確的數據信息，確保加藥自控系統的正常運行。

[1]黃賢武，鄭莜霞.傳感器原理及應用.電子科技大學出版社

[2]王俊杰.檢測技術與儀表.武漢理工大學出版社

[3]包興，胡明.電子器件導論.北京理工大學出版社

[4]馬建國.電子系統設計.高等教育出版社

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.15.020

牛立民，專業名稱：計量研究，研究方向：超聲波液位計在自動化水廠的應用，單位：天津泰達自來水公司。