超聲波檢測(cè)方案

根據(jù)超聲波的特性，有通過聲波穿過不同介質(zhì)的透射速度來判斷液面和泡沫的高度，或者同樣采用水蒸氣對(duì)超聲波的衰減來判斷2種方式。但無論是哪一種方式，都要面臨光的透射和反射的問題。聲濕透射系數(shù)口和聲強(qiáng)反射系數(shù)β計(jì)算式為

式中，Z1為反射聲阻抗；Z2為透射聲阻抗。當(dāng)2介質(zhì)的特征聲阻抗相差很遠(yuǎn)時(shí)，即不論Z1＞Z2，還是Z2＞Z1，則可得聲強(qiáng)的透射系數(shù)a趨近于0，而聲強(qiáng)的反射系數(shù)口趨近于1，幾乎無透射聲波，而產(chǎn)生全反射?？諝獾穆曌杩馆^小，因此當(dāng)超聲波從空氣中垂直入射到容器外壁面時(shí)，大部分的聲波被反射回來，入射的聲波在內(nèi)壁反射一次，無論是采用透射法，還是回聲法，有用的信號(hào)波也難以出壁，建議采用內(nèi)置式進(jìn)行檢測(cè)。內(nèi)置式回射法是測(cè)取從發(fā)射到接收到回聲的時(shí)間間隔來獲取信號(hào)，這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，布線方便，信號(hào)獲取容易。由于其距離小，而且速度隨密度變化不是很大，所以檢測(cè)的時(shí)間差別不會(huì)很明顯。

采用超聲波傳感器的特點(diǎn)是超聲波傳感器信號(hào)獲取容易，傳感器以及信號(hào)處理電路成熟，無論是分體式還是發(fā)射頭和接收探頭共體式的型號(hào)頗多，安裝容易便捷。超聲波傳感器對(duì)環(huán)境沒有選擇，能耐酸，耐壓。

紅外線檢測(cè)方案

水蒸氣對(duì)紅外線有很強(qiáng)的吸收作用，在紅外區(qū)有2個(gè)波長(zhǎng)的紅外線很容易被水吸收(1．63μm和1．9μm，對(duì)于主要成分是水的液體高度紅外線強(qiáng)度會(huì)降低很多。泡沫段有2個(gè)因素會(huì)導(dǎo)致紅外線的強(qiáng)度降低：一方面泡沫的沫本身是水，會(huì)吸收部分紅外線；另外一方面泡沫是由許多小泡組成，其表面形狀不規(guī)則，所以絕大部分的紅外線發(fā)生折射和反射，從而使得到達(dá)紅外線接收探頭的強(qiáng)度很弱。對(duì)于泡沫段以上的氣體部分，紅外線的強(qiáng)度隨高度的增加而變強(qiáng)。如果采用以上2個(gè)波長(zhǎng)附近的紅外線，被水的吸收量很小，主要是由于光的散射和折射、反射等光學(xué)性質(zhì)使之減弱，檢測(cè)的信號(hào)曲線如圖3。同時(shí)紅外線還可以避開自然光的影響。

采用紅外線檢測(cè)，其布置按圖4給出的2種方式。

a)  內(nèi)置式 

在容器的內(nèi)部布置一根絲杠和與之平行的光桿固定傳感裝置，在小型電機(jī)的帶動(dòng)下，傳感裝置上下移動(dòng)便可以測(cè)量出各個(gè)位置的信號(hào)情況。傳感器裝置為左邊一個(gè)紅外線的發(fā)射裝置(紅外線發(fā)光二極管)，右邊一個(gè)紅外線接收裝置(紅外線光敏三極管)。

b)  外置式   

結(jié)構(gòu)與內(nèi)置式相似，只是需要采用透明容器；另外對(duì)容器的形狀有一定的要求：紅外線會(huì)在入射到射出需要光路直，接收裝置才能檢測(cè)到信號(hào)，就要求容器的內(nèi)外壁面是平面，才能保證光線的垂直射入和射出。由于紅外線在固體中的透射率不是很高，所以能量衰減比較嚴(yán)重，其檢測(cè)到的信號(hào)強(qiáng)度總體下降很多，但不會(huì)影響結(jié)果。

該方案的特點(diǎn)是信號(hào)在液面處的變化明顯，能準(zhǔn)確地判斷出液面和泡沫的位置高度。但此種測(cè)試尚無成熟、成套的傳感器，信號(hào)處理電路需自主研發(fā)完成。另外，對(duì)外置式而言，由于紅外線的穿透能力弱，對(duì)容器材料有所要求，因?yàn)椴糠植牧蠈?duì)紅外線的吸收能力比較強(qiáng)。

測(cè)量電導(dǎo)率法檢測(cè)

根據(jù)天然氣及積液的成分特點(diǎn)，水含有一定雜質(zhì)，有一定的導(dǎo)電能力，根據(jù)泡沫檢測(cè)筒內(nèi)不同高度的導(dǎo)電率的不同來判定容器內(nèi)該高度處液體的成分，其結(jié)構(gòu)同樣可以設(shè)計(jì)成如圖4a所示。理論上測(cè)量出來的液體電阻率如圖5。

由于液體的成分密度比較均勻，所以其電阻率也比較穩(wěn)定；泡沫段的密度隨著高度的增加，密度有所變化，導(dǎo)電能力下降，所以電阻率逐漸變高；隨著高度的繼續(xù)增加，在泡沫的上界面會(huì)有一個(gè)突變；氣體段的水汽含量隨高度增加逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定。

測(cè)量液體的導(dǎo)電率不需要特殊的傳感器裝置，只要求耐腐蝕的導(dǎo)電體就可以測(cè)量，方便快捷，成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但要控制測(cè)試電壓，還要保證電極的距離，絕對(duì)要避免產(chǎn)生電弧。同樣存在布線的問題，如何布線才能做到保證容器的強(qiáng)度和密封效果是關(guān)鍵。

通過分析可以看出，3種檢測(cè)方案在理論上均可實(shí)現(xiàn)對(duì)泡沫高度的檢測(cè)，結(jié)合檢測(cè)方法的特點(diǎn)及泡排井生產(chǎn)的實(shí)際，建議采用內(nèi)置式回射法檢測(cè)。