050432-煉鐵廠高爐原料倉料位計的安裝與調(diào)試

1、職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫數(shù)字化教材課程名稱：傳感器與智能儀表編制人：張加云郵箱：電話制時間：2014.12編制單位 ：日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院1職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫傳感器與智能儀表數(shù)字化教材項目四物位傳感器及其儀表的安裝與調(diào)試單元四煉鐵廠高爐原料倉料位計的安裝與調(diào)試知識目標(biāo)超聲波料位計的特性；超聲波料位計測量料位的原理；超聲波料位計的安裝與接線。技能目標(biāo)能夠正確的安裝超聲波料位計；熟練的完成接線；能夠根據(jù)功能調(diào)試超聲波料位計。單元描述 單元內(nèi)容本任務(wù)在認(rèn)知超聲波料位計的工作原理、 性能特點及其適用場合等基礎(chǔ)知識之上，分析幾

2、個超聲波料位計應(yīng)用的案例； 通過案例的分析， 掌握超聲波料位計的使用方法。 實施條件參考超聲波料位計PPT、教學(xué)錄像 、圖片、動畫 、 微課相關(guān)知識隨著我國選煤自動化的不斷提高， 煉鐵廠對于各類參數(shù)有了更高的要求， 尤其是料位的準(zhǔn)確性， 要求更加嚴(yán)格。 我們知道料倉中的結(jié)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的， 再加上傳統(tǒng)的料倉加料方式又各種各樣， 諸如：皮帶給料機(jī)、刮板機(jī)、斗式提升機(jī)等。被測介質(zhì)也各不相同， 比重，顆粒度等給測量帶來很大困難， 超聲波料位計在固體顆粒和塊狀物料的測量中已經(jīng)被普遍采用，并且得到一定的認(rèn)可。如何用超聲波料位計實現(xiàn)料位的準(zhǔn)確測量呢？2職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫圖 4-36煉鐵廠原料倉

3、料位測量示意圖一、超聲波圖 4-37超聲波示意圖聲波是指人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為16Hz2KHz 。當(dāng)聲波的頻率低于 16Hz 時就叫做次聲波，高于 2KHz 則稱為超聲波。一般把頻率在2KHz到 25MHz 范圍的聲波叫做超聲波。 超聲波傳感器頻率超過 20KHZ ，它是一種機(jī)械波。超聲波的頻率愈高，聲場的方向性愈好，能量愈集中，聲波越接近光波的某些特性（如反射、折射定律） 。當(dāng)超聲波向兩個不同的介質(zhì)傳播時。入射波以角從第一種界面?zhèn)鞑サ降诙N介質(zhì)時， 在介質(zhì)分界面會有部分能量反射回原介質(zhì)中的波，我們稱為反射波；剩余的能量透過介質(zhì)分界面在第二種介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播，又稱為折射波。圖 4-

4、38超聲波反射、折射定律3職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫超生波反射定律：入射角的正弦與反射角的正弦之比等于入射波所處介質(zhì)的波速 c 與反射波所處介質(zhì)的波速 c1 之比。超生波反射定律：入射角的正弦與折射角的正弦之比等于入射波所處介質(zhì)的波速 c 與反射波所處介質(zhì)的波速 c2 之比。超生波投射率：當(dāng)超聲波從第一個介質(zhì)垂直入射到第二個介質(zhì)傳播時，透射聲壓與入射聲壓之比。超生波反射率：而反射聲壓與入射聲壓之比。當(dāng)入射波和反射波的波形、 波速一樣時， 入射角等于反射角。 當(dāng)超生波從密度小的介質(zhì)入射到密度大的介質(zhì)時，透射率和反射率都較大。超聲波只要分為：縱波、橫波、表面波、蘭姆波縱波：波源質(zhì)點振動方向與

5、波的傳播方向一致的波。橫波：波源質(zhì)點振動方向垂直于波的傳播方向的波。表面波：波源的質(zhì)點的振動介于縱波和橫波之間且沿著表面?zhèn)鞑ィ?隨深度的增加而振幅迅速衰減的波。蘭姆波：波源質(zhì)點將以縱波分量或橫波分量形式振動， 以特定頻率被封閉在特定有限空間時產(chǎn)生的制導(dǎo)波。橫波、表面波和蘭姆波只能在固體中傳播， 縱波可以在固體、 液體和氣體中傳播。縱波、橫波、表面波及蘭姆波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)和介質(zhì)密度，同種介質(zhì)不同波形或同一波形不同介質(zhì)，其傳播波速度都是不相同。二、超聲波轉(zhuǎn)換元件超聲波探頭的分類： 以超聲波作為檢測手段， 必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器轉(zhuǎn)換元件， 習(xí)慣

6、上稱為超聲波探頭或換能器。它可以分直探頭（縱波） 、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）和雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收） 。圖 4-39超聲波探頭示意圖4職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫二、超聲波的工作原理超聲波由換能器（交變電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換）產(chǎn)生的，換能器有壓電式、磁致伸縮式、電磁式幾種。我們僅以壓電式換能器為例說明其工作原理。壓電式是利用壓電晶體的諧振來工作的， 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有并聯(lián)的兩個壓電晶片和一個共振板， 當(dāng)壓電晶片的兩個極外加脈沖信號， 其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時， 壓電晶片將會發(fā)生共振， 并帶動共振板振動， 便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩

7、電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器測距的工作原理：圖 4-40超聲波傳感器測距的工作原理圖超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波， 在發(fā)射時刻的同時開始計時， 超聲波在空氣中傳播， 途中碰到障礙物就立即返回來， 超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度，一般約為 340m/s。根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 s，即：S=1/2*ct超聲波傳感器的測量電路及顯示儀表：圖 4-41超聲波傳感器的測量電路及顯示儀表圖超聲波傳感器的測量電路： 一般由處理單元、 輸出電

8、路組成， 處理單元控制超聲波信號的發(fā)送和接收、串行數(shù)據(jù)發(fā)送、 計算出測距的數(shù)值和溫度校正。輸出電路對物體反射超聲波回波信號進(jìn)行放大、整形和輸出數(shù)據(jù)。超聲波傳感器的顯示儀表：一般由LED 數(shù)字電路組成， LED 上直5職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫接顯示被測距離。超聲波傳感器系統(tǒng)：由換能器和處理單元、輸出、顯示電路組成。三、超聲波料位計簡介1、超聲波料位計的工作方式專用型a) 透射式b) 反射式c）兼用型圖 4-42超聲波料位計的工作方式其中，透射式超聲波料位計主要用于遙控器、防盜報警器、接近開關(guān)等。反射式超聲波料位計主要用于接近開關(guān)、測距、測液位或物位、 金屬探傷以及測厚等。2、超聲物位計主

9、要的幾個技術(shù)指標(biāo)：（1）量程和盲區(qū)：量程和盲區(qū)是反映超聲物位計的兩個重要的指標(biāo)。量程代表的是這個物位計能測量的最大范圍。反映的是換能器的靈敏度。也就是說，量程越大，靈敏度越高。大部分廠家標(biāo)稱的量程都是針對平整液面來說的，也就是說實際測量的時候，液位波動，表面有漂浮物，測量是固體料位，有粉塵，有蒸汽，都是有可能導(dǎo)致量程不能達(dá)到標(biāo)稱的值。比如50m 量程的設(shè)備，如果測玉米的時候，實際只能測到2 0m.。盲區(qū)是反映換能器好壞的重要指標(biāo)。盲區(qū)也成死區(qū)， 超聲液位計測量不到的一段距離，它是由于超聲換能器的余震造成的。比如盲區(qū)3 0 c m，也就是說，在液體更探頭的距離小于3 0 c m的時候，將會出現(xiàn)不

10、能測量的情況。那么相同量程的產(chǎn)品，盲區(qū)越小，說明這個6職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫換能器的設(shè)計越好。對一些密閉罐體或者短量程的測量來說，安裝會越方便。因此盲區(qū)成為相同量程產(chǎn)品衡量換能器做得好壞的一個重要指標(biāo)。（2）溫度和精度。溫度范圍大部分標(biāo)稱是 2 0 6 0 這個范圍。因為大部分用液晶顯示的物位計，液晶屏的工作溫度只能在這個范圍， 超出這個范圍， 液晶顯示都會出現(xiàn)不正常現(xiàn)象。如果不考慮液晶顯示的限制， 一般都可以做到 4 08 0的范圍。壓電陶瓷有個居里溫度約 300 度。居里溫度的一般是安全溫度， 所以一般情況下，超聲換能器的工作溫度很難超過 150 度。當(dāng)超過 150溫度的時候，很

11、容易對里面的壓電陶瓷損壞。 因此 150 度可以看成是一個絕對破壞溫度。 另外超聲波換能器制造過程用的部分材料，不能在 1 0 0以上的溫度長時間工作。大部分換能器的極限溫度是 1 0 0 。為什么把精度和溫度放在一起考慮， 因為在空氣中，溫度測量誤差 1，對聲速的影響是 0.6m/S,20， 1 個大氣壓下聲速約為 340m/S。因此可以算出，對測量誤差的影響是 0.17%，也就是說，如果溫度測量誤差 3，物位測量誤差就超過大部分廠家 0.5%的標(biāo)稱范圍。因此實際 0.5%的精度針對的是常溫常壓下的。對偏高和偏低的溫度，都有可能導(dǎo)致測量精度超過 0.5%的情況。有溫度梯度，溫度變化快的場合，

12、 測量誤差也會因此增大。 另外對測量精度影響最大的是氣體成份。也就是說在一些揮發(fā)性液體的場合， 因為液體的揮發(fā)導(dǎo)致空氣成分變化，接著導(dǎo)致氣體聲速變化引起的測量誤差。（3）壓力：在負(fù)壓的情況下， 一般不推薦用超聲測量， 因為超聲傳播是通過氣體來實現(xiàn)的。負(fù)壓力意味著里面的空氣稀薄，超聲在稀薄空氣下傳播， 一個是聲速會變化，引起測量誤差，二是稀薄空氣里面，聲波衰減增大，導(dǎo)致測量量程減小甚至不能測量。 正壓力主要是探頭結(jié)構(gòu)的影響，只要探頭結(jié)構(gòu)沒有問題。 不會引起漏氣現(xiàn)象。那么在大的壓力情況下超聲物位計是可以工作的。（4）腐蝕性：物位計的腐蝕性主要考驗的是探頭的材質(zhì)。 在弱酸弱堿的環(huán)境下， 普通的塑料外

13、殼就可以了。 用聚四氟乙烯的外殼， 可以耐大部分的強酸強堿。 這里要注意的是，如果被測物質(zhì)有比較強腐蝕性和揮發(fā)性， 那么用一體物位計的時候， 最好7職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫把電路板進(jìn)行膠峰。 因為大部分的可以防水的殼體， 都不能防氣體。 氣體進(jìn)入一體設(shè)備里面后，會俯視電路板。（5）方向性和安裝結(jié)構(gòu)安裝結(jié)構(gòu)一般有法蘭和螺紋兩種安裝方式。 不推薦使用吊裝。 因為吊裝容易受風(fēng)的影響。 但安裝的時候， 一般要考慮盲區(qū)的影響。 我們要在物理上保證最高液面到探頭表面的距離大于盲區(qū)。 為了避開盲區(qū)， 用加長導(dǎo)管安裝的時候， 必須注意的是，探頭輻射面兩端與導(dǎo)管端面兩端形成的夾角必須大于換能器的銳角度。

14、（銳角度：波束兩側(cè)出現(xiàn)第一個極小值之間的夾角）大部分物位計用的換能器都可以看成一個圓形活塞陣。那么銳角的角度可以通過下面的公式計算出來：換能器銳角的計算公式： =2arcsin(0.61 /a)。產(chǎn)品標(biāo)稱的是一般換能器的半功率角。半功率角的計算公式為： -3dB=2arcsin(0.26/a)。這樣就驗證一下廠家標(biāo)稱的波束角是否是真實的。波束角不是越小越好，因為對大量程的產(chǎn)品來說，波束角太小，那么要垂直對準(zhǔn)液面這比較困難。= 波長 = 聲速 /頻率a = 半徑，是換能器的輻射面的半徑（6） 供電方式和信號輸出方式：供電方式一般是交流電源9 5 2 3 0 V AC,24VDC四線制， 2 4V

15、DC 兩線制三種。輸出方式有：顯示界面，電流 4 20Ma, 電壓 1-5V,通信方式 4 8 5 通信， H a r t 通信， G P R S通信等。四、超聲波料位計的選用1、選型前須知（1）了解被測介質(zhì)：液體；物體；粉塵；是否規(guī)則；液體和平面物體用實際量程即可，其它的加大 1-2 個規(guī)格選配，另外我公司的現(xiàn)有兩種程序，一種測液位，另一種是專門針對物 (料)位的程序，定貨時請說明；是否需要防腐；有些化學(xué)物需要用防腐探頭( 材料為聚四氟乙烯(Ptfe)；是否有揮發(fā)氣體 (一般為化學(xué)物 )；有些場合的氣體揮發(fā)到探頭， 會影響超聲波的聲速，使測量有時會有誤差。這就需要了解什么氣體；8職業(yè)教育機(jī)電

16、一體化專業(yè)教學(xué)資源庫是否有霧氣：處理方式，在探頭底襯加 4F 的膜，可防止探頭結(jié)水氣，用 4F 的膜盲區(qū)會大一些，一般為 40CM。（2）了解罐子：液位變化量程；最高液位及零位，也就是對應(yīng)的 4-20MA ，在這里可以隨意設(shè)定；罐子本身高度；口徑及表的安裝位置到罐壁的距離；這有個波束角的問題，一般為8-10 度；是否封閉式；帶不帶壓；可承受 0。3MPA溫度：需看實際影響到表的溫度， -25-80 度。（3）了解現(xiàn)場安裝要求：a) 盲區(qū)： 20-60CM 視量程而定，安裝需預(yù)留盲區(qū)，建議設(shè)為40CM；一體或分體；幾線制；線纜長度 (分體 )標(biāo)配為 10M ，超出部分每米 5 元；安裝方式：法蘭

17、規(guī)格等；供電電壓選擇。（4）注意：一體化 (CY-3)最大量程為 20 米,二線制 (CY-2)為 15 米,其它分體式為 50 米，液位模式下。2、在工程設(shè)計選型時，最應(yīng)注意的問題要選擇一個好的安裝位置，設(shè)計合適的安裝接口。安裝位置要盡可能選擇液面平穩(wěn)、料面平整的位置，同時遠(yuǎn)離扶梯、進(jìn)料口、出料口，盡可能與容器壁保持較遠(yuǎn)的距離， 遠(yuǎn)離攪拌器。 安裝接口要求開口尺寸足夠大，當(dāng)為法蘭安裝時，法蘭下面的接管長度要設(shè)計合理，對于我公司的 10 米、12 米量程的物位計，接管長度應(yīng)不大于 15cm，選擇 DN80 以上的法蘭口。 對于 15 米、 20 米、 30 米和 40 米量程的物位計，接管長度

18、應(yīng)不大于 20cm；選擇 DN200 以上的法蘭口。對于 8 米以下量程的物位計，對接管長度無要求，可適當(dāng)設(shè)計，以消除盲區(qū)的影響，并選擇 DN65 以上的法蘭口。對于8 米以下量程的物位計，對接管長度9職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫無要求，可適當(dāng)設(shè)計，以消除盲區(qū)的影響，并選擇DN65 以上的法蘭口。超聲波液位計是超聲波液位計和超聲波料位計的統(tǒng)稱。 當(dāng)用于測量液體液位時，通常稱為超聲波液位計； 當(dāng)用于測量固體料位時，通常稱為超聲波料位計。對于選擇超聲波液位計選型有很多的注意事項， 有很多的準(zhǔn)備工作。 對于超聲波液位計的整體部位有很多的了解。 對于不同的類型超聲波液位計價格也還是不一樣的。五、超

19、聲波料位計的使用注意事項1、操作應(yīng)考慮因素（1）目標(biāo)形狀：目標(biāo)物體上的突起會對聲波有散射作用33cm33cm圖 4-43 目標(biāo)形狀對超聲波的影響作用圖（2）目標(biāo)大小：小型目標(biāo)物體只能反射部分聲波33cm11cm10職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫圖 4-44 目標(biāo)大小對超聲波的影響作用圖3）目標(biāo)表面：粗糙的目標(biāo)表面會對聲波有散射作用，如目標(biāo)物體是柔軟或海面狀的，反射信號是最小值。33cm33cm圖 4-45目標(biāo)表面對超聲波的影響作用圖（4）目標(biāo)夾角：入射角= 反射角5o500503cm3cm3cm53cm圖 4-46目標(biāo)夾角對超聲波的影響作用圖2、環(huán)境應(yīng)考慮因素（1）氣流：氣流會造成聲波的偏轉(zhuǎn)

20、折射氣流目標(biāo)物體FanSensor11職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫圖 4-46氣流對超聲波的影響作用圖12職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫（2）溫度作用：低溫環(huán)境會降低聲波的傳播速度，高溫環(huán)境會提高聲波的傳播速度。冷3cm3cm熱3cm3cm圖 4-47溫度對超聲波的影響作用圖項目實踐超聲波料位計的機(jī)械安裝與電氣連接：一、超聲波料位計的機(jī)械安裝連接超聲波傳感器、 分配器、電機(jī)控制單元和數(shù)字萬用表。通過選擇開關(guān)調(diào)節(jié)數(shù)字萬用表的測量范圍為mA 。圖 4-48超聲波料位計的機(jī)械安裝圖13職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫二、超聲波料位計的電氣安裝步驟：（1）朝限位開關(guān)方向移動螺桿驅(qū)動單元。（2）設(shè)

21、定測量滑塊的顯示為： “0”。為確保毫米指示器處于工作狀態(tài)，而不是英寸指示器。（3）移動螺桿驅(qū)動單元10mm。（4）從萬用表中讀出數(shù)據(jù)。（5）對所有測量點進(jìn)行上述試驗。（6）對測量數(shù)據(jù)表中的數(shù)值轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)紙中，并繪制特性曲線。三、影響超聲波測量的因素1、攪拌對超聲波液位計影響：現(xiàn)場容器常常有攪拌，液體波動比較大，影響超聲波液位計的測量；該種情況下可以適當(dāng)降低攪拌器的轉(zhuǎn)速、或?qū)⑻筋^偏離攪拌中心；還可以安裝靜管，從而有效消除因攪拌器攪拌對液位測量產(chǎn)生的影響。2、泡沫對超聲波液位計影響在用超聲波液位計來測量液位的過程中，經(jīng)常會遇到泡沫的干擾。泡沫按照屬性可以分為：干、濕、中性、重型四種。干泡沫和濕泡

22、沫能將超聲波反射回來，故用超聲波液位計來測量無影響；中性泡沫則會吸收和擴(kuò)散部分超聲波，因而會減弱超聲波的反射，導(dǎo)致回波不穩(wěn)定。因此當(dāng)介質(zhì)表面為稠而厚的泡沫時，超聲波液位計的測量誤差會較大，甚至無法測量。在干擾嚴(yán)重的工況下，美國FLOWLINE超聲波液位計可以通過加裝靜管的辦法來屏蔽泡沫的干擾。這是江蘇金湖中鼎儀表有限公司的獨家專利技術(shù)。3、蒸汽、霧氣對超聲波液位計影響：當(dāng)工作環(huán)境溫度很高時，液體介質(zhì)容易產(chǎn)生蒸汽或霧氣，由于蒸汽比空氣要輕，所以上浮到罐頂部，形成了一層對超聲波脈沖有吸收和散射作用的蒸汽層。通過加裝靜管，可以減少或削弱蒸汽層對測量的影響。4、盲區(qū)對超聲波液位計影響：14職業(yè)教育機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)資源庫超聲波液位計的盲區(qū)，就如同人的眼睛一樣，盲區(qū)是當(dāng)物體離眼睛非常近的時候，反而看不清楚，這一段距離叫作盲區(qū)。超聲波液位計的盲區(qū)，根據(jù)量程的不同而不同。量程小，則盲區(qū)小，量程大，則盲區(qū)大。所以要求測量的最高液位不得高于超聲波液位計的盲區(qū)。5、壓力和溫度對超聲波液位計影響：首先，聲速在真空下無法傳播，而超聲波的本質(zhì)是一種聲波，且屬于機(jī)械波，故它也不能在真空中傳播。三、超聲物位計現(xiàn)場使用時候的安裝注意事項1、垂直換能器安裝的時候， 要保證換能器的發(fā)射面和要被探測的平面平行，這樣聲波就可以垂直發(fā)射到被測物體表