一种用于水泥料位测量的超声波料位仪的研制及应用

　　1　前言

　　超声波液位计、料位仪在对工业生产过程控制系统的各种储罐、料仓检测中,在常压、被测物料对超声波吸收较小,工作环境温度也不太高的工况条件下已应用得不少。但是,能在储罐、料仓内有压力、被测物料对超声波具有强吸收、高衰减的工况条件下工作的超声波料位仪尚未见到成功应用的报道。目前,能对水泥料位作非接触测量的有钴60放射线料位仪表,但由于它对人体有危害,人们不乐意采用。最近几年发展起来的雷达料位仪,它的量程仅有10m左右。因而,研制能对水泥物料进行测量的安全、准确、大量程超声波料位仪表已成为急需。我们针对这一状况,研制出一种能在水泥储罐、仓中有5kg压力、温度70℃以上、弥漫雾状工况条件下有效工作的超声波水泥料位仪,量程为42m(刚性面,量程可达到130m),盲区1.5m,精度可达±0.5%。

　　2　工作原理

　　超声波测量物位是利用声呐原理来确定物料在容器内的位置,是一种在空气中的声呐定位设备。它的工作原理可简述为:超声波换能器发出的超声脉冲,通过空气传到物料的界面,经界面反射回到发射换能器并被其接收。只要测出超声脉冲从发射到接收所用的时间,再根据空气中的声速,就可计算出换能器到物料面的距离,从而确定物位。假定超声换能器到物料面的垂直距离为L,超声波从发射到接收的时间为t,空气中的声速为c,则换能器到物料面的距离为:

　　T:为摄氏温度℃。由于距离L的测量精度与空气声速c、测量时间t的精度有关,而现在测时的精度可达到10^-6s以上,因此L的精度实际上依赖于c的精度。而声速c是一个与温度有关的量,从(2)式可知,温度T每变化1℃声速近似变化2E。如果将空气中的温度、湿度、压强三者一起考虑时,须对上式(2)进行修正,这时应引入水蒸汽和干燥空气的定容、定压比热比。如果不对声速c修正,在测量中就会产生很大的误差。对声速校正的方法有:标准量具法和温度传感器法。我们采用温度传感器补偿法,它直接由单片机对温度采样运算。

　　3　仪器的设计

　　此前的超声波料位仪未能有效地测量水泥料位的原因在于:

　　a)水泥物料对超声波有很强的声吸收;

　　b)水泥物料在储存、施工的运送过程中是采用气流输送的,这种运送方式使水泥在罐、仓中的堆积密度随时间而变化。例如在常温下,标准堆积的表观密度为3.1T/m3,而自由堆积的密度为13T/m3。但当高压气流输送时堆积密度要小于1.3T/m3。

　　c)高压气流输送水泥,使罐、仓内呈现弥漫气雾状,还伴随有高温出现,这也是测量水泥料位的一大障碍。鉴于这些原因,在设计研制仪器时,对式(1)、式(2)中的参数进行了模拟测试及理论推算,以期使仪器能对强吸收、高衰减、高温的水泥物料测量时获得有效、可靠的使用效果。