超聲波液位計(jì)在氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

1 提出問題

在氧化鋁生產(chǎn)過程中,為了準(zhǔn)確計(jì)算和控制物料平衡,防止空槽和冒槽事故的發(fā)生,提高產(chǎn)量,節(jié)能降耗,有許多高大的液態(tài)物料貯槽需要進(jìn)行液位測(cè)量,如料漿槽、原液槽、赤泥貯槽、沉降槽、種分槽等等。這些液位測(cè)量的場(chǎng)合,一般都具有介質(zhì)溫度高、易結(jié)疤、量程大,且環(huán)境粉塵較大的共同特點(diǎn),給液位測(cè)量帶來很大困難,以前的許多種液位測(cè)量?jī)x表在這些場(chǎng)合都不能長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。本文就這一問題,做簡(jiǎn)略的分析探討。

2 各類液位測(cè)量?jī)x表性能比較

首先,要對(duì)各類液位測(cè)量?jī)x表的性能做一下比較分析,看究竟哪一種zui為適合氧化鋁生產(chǎn)過程中的液態(tài)物料特點(diǎn)。液位測(cè)量?jī)x表品種繁多,但可以分為兩大類,即接觸式和非接觸式兩種。象電容式、浮球式、浮子式、壓力式等均屬接觸式液位測(cè)量?jī)x表,它們?cè)谶M(jìn)行液位測(cè)量的過程中,檢測(cè)傳感元件和被測(cè)介質(zhì)直接接觸,如果在氧化鋁生產(chǎn)中應(yīng)用,檢測(cè)傳感元件上很快就會(huì)結(jié)上一層厚厚的“疤”,從而使得儀表不能正常工作。

至于非接觸式液位測(cè)量?jī)x表 ,主要有放射性同位素式和超聲波式兩種。對(duì)于放射性同位素式液位計(jì),由于它的量程較小,因此不能解決氧化鋁生產(chǎn)中高大液態(tài)物料貯槽液位測(cè)量的“大量程”問題。而超聲波液位計(jì),它不僅量程范圍廣,可用于大量程測(cè)量的場(chǎng)合,而且做到了非接觸測(cè)量,不受介質(zhì)“結(jié)疤”的影響。因此,相對(duì)而言,它是氧化鋁生產(chǎn)中*比較合適的一種液位測(cè)量?jī)x表,但是,超聲波液位計(jì)的應(yīng)用要受到介質(zhì)溫度、環(huán)境溫度、被測(cè)液面波動(dòng)程度和其它諸多外界環(huán)境因素的制約。這些制約因素會(huì)嚴(yán)重影響超聲波液位計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度。如果不能準(zhǔn)確分析這些制約因素對(duì)超聲波液位計(jì)的影響程度,就不能正確使用超聲波液位計(jì)。為此,需要對(duì)它的基本工作原理有所了解,然后再做進(jìn)一步分析。

3 超聲波液位計(jì)原理簡(jiǎn)述

連續(xù)測(cè)量指示式超聲波液位計(jì),按其檢測(cè)方式的不同可以分為四類,即：液介導(dǎo)聲式、氣介導(dǎo)聲式、聲波導(dǎo)管式和固介導(dǎo)聲式。其中以氣介導(dǎo)聲式超聲波液位計(jì)在氧化鋁生產(chǎn)中應(yīng)用較為合適,下面以此為例介紹超聲波液位計(jì)的基本工作原理。

根據(jù)聲學(xué)原理,當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí),在兩種密度不同,聲速不同的介質(zhì)分界面上,傳播方向會(huì)發(fā)生改變,即：一部分被反射（反射角=入射角）,另一部分折射入相鄰介質(zhì)內(nèi),假設(shè)兩種介質(zhì)的密度分別為D1和D2,聲波在兩種介質(zhì)中的傳播速度分別為V1和V2,反射波的聲強(qiáng)為IK,人射波聲強(qiáng)為IE,則存在如下關(guān)系：

式中α為入射角,β為反射角,D1和D2分別為兩種介質(zhì)的聲阻抗。



當(dāng)聲波垂直入射時(shí)（α=β=0）,其反射率為：



當(dāng)聲從氣體傳播到液體或固體或相反的情況下,由于兩種介質(zhì)的密度相差懸殊,則D1V1與D2V2之值相差甚遠(yuǎn),故R近似等于1,即反射率接近,聲波幾乎全部被反射。

利用超聲波這一特性在被測(cè)介質(zhì)的上方安裝一個(gè)*（該換能器具有發(fā)射和接收超聲波的功能）,換能器向被測(cè)介面發(fā)射促短的超聲波時(shí),經(jīng)過時(shí)間T,換能器便可以接收到從介面反射回來的超聲波。這個(gè)時(shí)間T,可以由超聲波控制器中的單片計(jì)算機(jī)計(jì)算得出。設(shè)換能器到介面的距離為H,聲波在介面上方氣體中的傳播速度為V,則可求出液位高度H=0.5VT。（見圖1）

4 選型分析

從超聲波液位計(jì)的工作原理上,可以看出,它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.檢測(cè)元件可以做到不與被測(cè)介質(zhì)接觸,適用于結(jié)疤、腐蝕性和毒性等介質(zhì)的測(cè)量。

2.量程范圍廣,可用于大量程測(cè)量場(chǎng)合。

3.儀表無可動(dòng)部件,使用壽命長(zhǎng)。但也存在以下缺點(diǎn)：

1.檢測(cè)元件本身不能承受高溫,其應(yīng)用會(huì)受環(huán)境溫度的制約。

2.在被測(cè)介質(zhì)上方存在溫度、壓力變化及蒸汽的情況下,由于聲速會(huì)受其影響,故測(cè)量精度會(huì)受到一定程度的影響。

3.超聲波的波強(qiáng)會(huì)受溫度、蒸氣、液面波動(dòng)的影響而衰減,衰減值的大小直接影響測(cè)量范圍的大小,衰減特別嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量無法進(jìn)行。

綜上所述,影響超聲波液位計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確度的因素,主要有被測(cè)介質(zhì)上方空氣的溫度及壓力變化,以及被測(cè)介質(zhì)的環(huán)境溫度,介質(zhì)上方的蒸汽量,液面波動(dòng)程度等。其中溫度變化引起的測(cè)量誤差,可以通過儀表本身的溫度補(bǔ)償裝置給予校正；而壓力變化的情況在氧化鋁生產(chǎn)中并不常見,故在此不予考慮。

實(shí)際上,影響超聲波液位計(jì)的至關(guān)重要的因素就是：環(huán)境溫度、蒸汽量和液面波動(dòng)程度。從超聲波液位計(jì)的工作原理可以看出,這三種因素之所以對(duì)超聲波液位計(jì)正常工作產(chǎn)生影響,是因?yàn)樗鼈兡苁共◤?qiáng)衰減。隨著波強(qiáng)衰減值的增大,超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度降低,甚至于根本無法使用；但是,波強(qiáng)衰減值在一定范圍之內(nèi)時(shí),超聲波液位計(jì)就能在規(guī)定的精度下正常工作。那么,波強(qiáng)衰減值在什么范圍之內(nèi)超聲波液位計(jì)才能正常工作呢？關(guān)于這一點(diǎn),可以利用上面的“圖1”和“表1”來解決。現(xiàn)舉一例說明,對(duì)某一被測(cè)介質(zhì),已知介質(zhì)的環(huán)境溫度為“10℃”、蒸汽量為“少量”、液面波動(dòng)“厲害”,從表1中查得各影響因素對(duì)應(yīng)的波強(qiáng)衰減值分別為：10dB、10dB、20dB，合計(jì)40dB。然后在波強(qiáng)衰減值與量程的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖1中查 得：40dB的衰減量對(duì)應(yīng)的量程為25M。那么,選量程為30M的超聲波液位計(jì),就可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確度在規(guī)定的范圍內(nèi)。

另外,傳感器的安裝方式和環(huán)境含塵量等因素,也對(duì)超聲波液位計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度產(chǎn)生影響,在此不逐一詳述。

5 結(jié)束語

近幾年,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,超聲波液位計(jì)應(yīng)運(yùn)而生,并已在許多行業(yè)得到了普遍應(yīng)用。階國(guó)內(nèi)幾個(gè)專業(yè)廠家生產(chǎn)超聲波液位計(jì)外,還有習(xí)外進(jìn)口產(chǎn)品。二者比較,國(guó)外產(chǎn)品從質(zhì)量,性能和功能上均優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品,但價(jià)格較國(guó)內(nèi)超聲波液位計(jì)偏高。選型時(shí),應(yīng)根據(jù)具體情況從性能價(jià)格比等方面來確定產(chǎn)品種類為宜。