超声波液位计在自动化水厂中的应用

2011-02-17牛立民天津泰达自来水公司

中国科技信息 2011年15期

关键词：信号线液位计换能器

牛立民天津泰达自来水公司

超声波液位计在自动化水厂中的应用

牛立民天津泰达自来水公司

本文通过介绍进口超声波液位计在我水厂加药自控系统的实践应用经验，分析二次表内参数设置及电路、一次表传感器工作环境，排查应用中出现的测量误差和显示数据不稳的原因及采取的处理措施。

超声波液位计；加药自控系统；PLC

超声波液位计不接触测量介质就能测量液位，在自动化控制运行的水厂被广泛使用。我水厂加药系统是自动控制系统，系统中超声波液位计作为矾液液位在线测量监测仪表，将矾池液位信号反馈给PLC， PLC以此来控制矾液池进出矾液、进水、鼓风搅拌或两个矾池的自动切换。另外，仪表监测的液位为计算每小时耗矾量提供可靠的依据。

一、超声波液位计测量原理介绍

我水厂加药间采用得利满公司生产的型号为50us3222ABB超声波液位计，是发射和接收共用的单探头超声波液位计，由一个传感器发送和接收信号的一次表，和一个将信号数据处理和显示的变送装置组成。两者由同轴电缆信号线连接。一次表上有传声筒，换能器、参考反射板，支撑杆，安装支架及附带的25米的同轴电缆。变送器内有一个包含所有系统程序的单片机，控制仪表的操作、运算、和诊断。信号输出线将信号传送到远处的PLC。在探头侧面放一参考反射板，探头接收到的声波信号中既有液位返回信号，也有参考反射板返回信号。

换能器（探头）发出高频超声波脉冲，遇到被测介质表面被反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。假如超声波液位计从发射到参考反射板返回时间为TR，从发射到液面垂直返回时间为TB，探头到液面的垂直距离为B，探头至参考反射板距离为R，因此B=TB*R/TR，测出超声波从发射到返回所需时间，由介质中已知声速就可以计算出B。所以液面的实际高度H占满度SPAN的百分比：H=(Z-B)*100%/S。于是设定好零点ZERO和满度SPAN,仪表就能测定出液面的实际高度。0%对应4mA模拟输出信号，100%对应20mA输出信号。

由于发射的超声波脉冲有一定的宽度，使得距离换能器较近的小段区域内的反射波与发射波重叠，无法识别。不能测量其距离值，这个区域是测量盲区。我水厂超声波液位计的盲区是0.6m。

二、超声波液位计应用中存在的问题及故障原因分析

我们在生产中遇到的问题：1、超声波液位计易受干扰，显示数据不稳。2、仪表测量显示与实际矾池液位不相符，出现误差，直接影响加药自控系统的正常运行。针对问题我们进行如下分析排查：

（1）检查二次表内物位开关的设置

液位计安装好后，断电、复位。首先检查二次表变送器内物位开关的设置。

设置TEST测试开关到正常操作模式（Normal Operation）,即三角指向0。其他的测试开关是自我诊断检测。Unit 设置U到需要的单位(ft或m)，它决定了液位计的零点和满度的距离。面板里面还有一个设置显示的swith开关，用来设定仪表显示数字和小数点位置。

用尺子测量出实际的ZERO和SPAN距离值，设置变送器内的4位ZERO开关，指示到传感器换能器表面到槽底零点的距离数值。同样设置SPAN开关，指示槽底零点到最大液位距离数值。由此再来调整并校验其零点满度的设定值，由其测量原理可知这一点很重要。仪表测量值与实际值出现误差，多半是由于零点和满度设置有误。

（2）检查二次表变送器内部电路

按实际测量的ZERO值和SPAN值，在二次表上设置好仪表的零点和满度。并查明物位开关设置正确后，再查二次表变送器内部电路是否有故障。

1、检查电源输入电压→检查保险→检查直流输出电压。通过内置的诊断TEST开关来检测局部的电路板故障。诊断检测失败了，说明电路板有故障，更换主电路板。检测输出电流时，用一个0～750欧的电阻跨接在电流输出端子，再串入电流表测量，否则会因回路阻值过小而烧坏电流表。

2、正常操作时，变送器内ECHO LED（回声发光二极管会闪），接收到回波时，传感器附近能听到咔、咔、咔声。

声音能听到，但ECHO LED灯不闪，可用一个金属的或纸板（0.5×0.5m）来模拟液位，（放置到ZERO和SPAN范围内）。若灯还不闪亮，就再连一个空闲的一次表换能器到变送器上，对准一个反射面，如果ECHO LED灯亮了，说明二次表正常。

（3）检查工作环境、信号线及一次表传感器

针对液位计显示数据不稳定情形，在确认了液位计变送器（二次表）内部设置和主电路板完好的情况下，问题大多出在仪表工作环境、信号线及传感器上。（1）超声波的抗电磁干扰性能不好，周围临近的用电设备易对它造成影响。（2）信号屏蔽不好，信号易受干扰。（3）信号线接触不良，也会造成液位计显示数据不稳定。（4）信号线受潮、一次表的安装表面不水平都会导致液位计显示紊乱。

三、采取的处理措施

我们采取的几点措施：

1、为防止信号线受动力线上强电压、大电流、强电磁的干扰，信号线单独走一趟穿线管，远离动力线、照明线，分开布线。

曾遇到这样一个故障现象，值班室的日光灯一开启，液位计二次表无数据显示。仪表与日光灯并不受同一个控制电源控制，经分析，原因是因为日光灯电源线离液位计二次表变送器太近，日光灯启动时镇流器产生高压，通电导线产生很强的电磁场，4-20mA的超声波液位信号受到干扰。把日光灯电源线远离液位计二次表后，这一故障现象消失。

2、做好信号屏蔽层，防止信号受干扰

曾试过，信号线屏蔽接线无误，仅用手来回晃晃信号线，仪表显示数据就会跳动。为了更好地起到屏蔽效果，我们在信号线外面穿导电的钢管。另外，将二次表内信号线端和屏蔽接线端明显分离开，屏蔽层一小点的毛刺与信号线似乎粘连都会影响信号的稳定。同一信号回路、同一屏蔽层采用单点接地，只有一个接地点，避免地回路存在的电位差将干扰引入仪表。

3、为防止信号线接触不良，在信号线中间尽量不留接头，接线端子压接处不能有任何松动，不然接触电阻会比较大。必须有接头的需用烙铁焊接信号线接头，减少故障隐患。

4、为避免信号线受潮，信号线走缆沟时，需架在支架上。信号线尤其接头处受水浸泡发潮，会造成仪表信号紊乱。

5、调节超声波传声筒内的换能器，表面垂直正对着所测液面，水平度控制在2 °。

6、调节好超声波探头距离液面的距离。过远，探头接收到的信号太弱，无法和噪声信号区分；过近，进入探头的盲区，则无法分辩。