HpAWK 超声波测距技术

超声波在穿过两种不同介质的分界面时，会产生反射和折射，对于声阻抗(声速与介质密度的乘积)差别较大的相界面，几乎为全射。从发射超声波至收到反射回波的时间间隔与分界面的位置有关，超声波物位计正是基于这一原理进行物位测量的，由于超声波在检测时使用的能量小，安全性高；方向性好，便于定位发射；波长短，分辨率高；在介质中衰减较小，穿透能力强，因此，近年来超声波物位计在工业及食品卫生领域得到了广泛应用。
但是超声波在介质中的传播易受介质温度、成分及工况等变化的影响，这就限制了超声波物位计的应用范围。常规超声波物位计(以下简称Ultrasonic)均无法突破量程小、对被测介质有较大的选择及受测量工况的状态影响的局限。本文通过分析影响超声波物位计准确测量的因素及HpAWK(High power Acoustic Wave Kinetic)技术，介绍一种新型高能超声波物位计(以下简称HpAWK)。该技术克服了常规超波物位计的不足，极大地拓宽了超声波物位计的应用领域。
一 Ultrasonic和HpAWK技术差异分析

1. 补偿温度对超声波传播的影响

由于温度对超声波的传播有一定影响，如表1所示，为0℃和100℃时波长的对比。为了准确测距，需对超声波换能器进行温度补偿，通常在超声波换能器附近加装温度传感器，自动补偿声速因温度变化对物位测量的影响，在这一点上Ultrasonic和HpAWK都做得很好。

2. 克服超声波传播中发生衰减的影响

超声波在介质中传播时，其振幅衰减的主要原因是介质对声能的吸收和在介质中引起的散射，对于衰减的定量描述通常由以下的经验公式表示：
a=Af2+Bf2 (液体介质)
a=Af2+Bf2+Cf2 (固体介质)
式中，a——衰减系数，A、B、C、——比例系数；由介质和散射粒子的特性确定；f——超声波频率
由上式可见，超声波的衰减大小不仅受材料性质和结构的影响，还受频率的影响。因此，对于同样的介质采用不同的频率会产生不同的回波效果。
Ultrasonic通常频率固定，或者根据被测介质的大类别采用20KHz～40KHz的分段频率，但是出厂时频率唯一确定；而HpAWK采用更宽的频率范围5KHz～40KHz，可以自动调节，不仅能够获得足够的回波能量，而且可以克服被测物料颗粒尺寸的影响。实践表明，当波长大于4倍的颗粒状态尺寸时，将获得较强的有效反射。
物料颗粒的外形尺寸对声波反射的影响可以通过采用合适的波长来克服。

3. 高强度的发射能量

由于采用了安全的高强度的发射能量，由HpAWK技术获得的有效回波信息易于分辨，更不易受粉尘、蒸汽、泡沫及介质物性因素的影响。

4. 可调发射频率和能量，配以优秀的回波处理技术

HpAWK可通过内置的PID功能模块自动调节发射频率及发射能量，这是Ultrasonic所不具备的功能。正是基于这一特性，HpAWK极大地拓宽了超声波物位计的适用性，配置优秀的回波处理软件，使得HpAWK不仅能准确地识别有效回波，而且能够表达物料的简要分布状态。
此外，可调发射频率及能量的技术应用不仅可克服被测介质物性的影响，而且有效克服了探头积尘的影响。试验证明，在探头上粘结灰尘的厚度达到1cm时均不影响正常测量，因此，HpAWK极其适合在恶劣工况下使用。

5. 先进的远程调试功能

HpAWK内置通信模块可通过Internet与远方微机进行通信，厂家的技术部门可以在远方随时对现场的物位计进行调试及故障诊断，这极大地方便了用户与厂家的交流，有效地简化了现场服务及日常维护。

二 HpAWK与其他物位测量技术的绩效比较

1. HpAWK的技术性能参数

(1)整机精确度：±0.25%最大量程；
(2)最大量程：80m(液体)，50m(固体)；
(3)输出：4～20mA(负载700Ω)，两对开关量输出；
(4)适用被测介质温度：-20℃～+175℃；
(5)适用被测介质压力：小于0.2MPa；
(6)供电电源：12V DC、24V DC、110V AC、220V AC。

2. HpAWK与其他物位测量技术的应用绩效比较

如表2所示，HpAWK的综合优势比较明显，性价比较高。但毕竟是压力波，其最大的缺点是不适合在压力高(>3bar)的场合使用。
HpAWK使得超声波测距技术得到重大改进，不仅拓宽了超声波测距技术的应用场合，而且提高了超声波测距技术的性价比。HpAWK现已在固体颗粒、粉末、液体、泥浆等介质中，在煤炭、石化、电力、食品卫生、码头及水处理等领域得到广泛地应用。