「科普」超聲波液位傳感器的工作原理

　　超聲波液位傳感器是利用聲波在液體中傳播時(shí)的聲功率與液位變化成正比的關(guān)系，從而反映液位的一種儀表。超聲波在水中傳播，其波長(zhǎng)一般不大于1μ m,因而又稱聲速檢測(cè)法。由于水相物質(zhì)有一定結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式，而不是與其他流體作用產(chǎn)生或混合現(xiàn)象(水化效應(yīng))或有其他現(xiàn)象，故其測(cè)量必須滿足一定條件。它既可用于測(cè)量液體高度又能用于測(cè)量固體高度和液面高度的傳感器稱為水相位計(jì)。

　　常用的超聲波測(cè)溫方法包括：一種基于反射現(xiàn)象的測(cè)溫方法;測(cè)量液體密度、表面張力與液體壓力之間關(guān)系式(以體積法);超聲波測(cè)溫和超聲結(jié)合測(cè)溫方式等。使用時(shí)，將檢測(cè)儀器固定于地面，在適當(dāng)距離發(fā)射聲束脈沖信號(hào)給接收機(jī)(或接收器)并且通過(guò)其發(fā)出的高頻超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。它不需要電能消耗，沒(méi)有振動(dòng)和噪音，其工作原理簡(jiǎn)單，而且對(duì)被測(cè)物體無(wú)傷害和污染。只要將探頭套在液體表面(如瓶子、水)上并使其與液面之間形成一個(gè)電位差差即可測(cè)得此氣體所處介質(zhì)的液面高度和相應(yīng)溫度。超聲波液位傳感器是利用發(fā)射出去的超聲波產(chǎn)生一定振動(dòng)而被水化引起其吸收或散射以產(chǎn)生電磁場(chǎng)的原理進(jìn)行測(cè)量的一種儀器(如測(cè)濕儀)。

　　1、工作原理

　　超聲波液位傳感器是一種先進(jìn)的液體聲學(xué)傳感器，它的工作原理是利用聲波在液體中傳播時(shí)的聲功率與液體體積成正比的關(guān)系來(lái)測(cè)定的水相液體的高度。超聲波的傳播速度取決于液體介質(zhì)內(nèi)的聲波頻率及液體密度和液體表面張力。

　　超聲儀器由一套固定的發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。超聲波超聲波系統(tǒng)是一種多功能儀器，利用它發(fā)出超聲波與液面產(chǎn)生的電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理和通訊與接收信號(hào)處理;利用計(jì)算機(jī)控制信號(hào)處理產(chǎn)生的差動(dòng)信號(hào)來(lái)計(jì)算出液面高度和液位。當(dāng)超聲波遇到被測(cè)液體時(shí)就會(huì)受到一定程度地振動(dòng)而被水化吸收或散射出，使液面產(chǎn)生電位差使氣體吸收信號(hào)而改變聲波方向;當(dāng)流體產(chǎn)生漩渦后就會(huì)把聲波擴(kuò)散出去(因?yàn)槠湮章屎艿退a(chǎn)生的電位差對(duì)聲波強(qiáng)度有決定性),從而造成聲音強(qiáng)度改變。

　　聲速又稱聲波速度或聲速.聲功率系數(shù)反映液體的聲音強(qiáng)度。聲速隨聲波速度及強(qiáng)度的大小而變化。不同種類的聲波在水中所傳遞出來(lái)的信息是不同的，如聲波傳播速度很快而速度很慢，于是便有了頻率概念;在超聲波系統(tǒng)中只有聲波源與傳播介質(zhì)接觸而不與介質(zhì)接觸，從而造成了信息的傳播距離小的特點(diǎn)導(dǎo)致超聲波傳感距離短(通常只有幾十米)等局限性。

　　在較大介質(zhì)內(nèi)超聲波液位傳感器可直接測(cè)量出流體速度指標(biāo)(通常采用液位表計(jì))它能夠利用超聲波對(duì)測(cè)量原理進(jìn)行工作原理分析并計(jì)算出儀器在液位或溫度條件下測(cè)量出液體表面積，對(duì)水和蒸汽等物質(zhì)也能實(shí)現(xiàn)測(cè)量作用而且測(cè)量精度很高而無(wú)需其它特殊儀器和設(shè)備;可廣泛用于各種工作環(huán)境下液溫、液流密度等物理參數(shù)以及液體流速等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量與測(cè)定等;并且還可以測(cè)量被測(cè)對(duì)象在一定范圍內(nèi)的高度和液面高度;也可用于生產(chǎn)車間內(nèi)工作條件變化(溫度高/低溫)所決定的范圍對(duì)各種化學(xué)試劑、食品液體也能進(jìn)行測(cè)。適用于測(cè)不同種類和不同含量介質(zhì)對(duì)水相位

　　2、測(cè)量介質(zhì)

　　測(cè)量介質(zhì)必須有足夠的水化深度，即當(dāng)有一定的水化速度時(shí)，液相濃度與液體體積之比也不能超過(guò)一定值過(guò)高。水化系數(shù)又稱為液相壁厚，是指一定體積的液相體積與該體積的比值，常為1~2=4,3~5倍于表面積(液體表面),是表示溶液的厚度，也是表示液體在液面下存在的深度和液面高度。它和液面高度的關(guān)系式為：式中為液體密度 P;為膜厚;為表面張力 E= S/L; T為壓力系數(shù) Cl/K。其單位為 MPa;溫度(℃);容積(L)。其中: C是表示溫度與水中物質(zhì)分子的體積(g); K是該物質(zhì)在水中所受到的空氣壓力與水體積之比。溫度系數(shù) K,一般指為 K的比值，即為液體在水中所受外力之大小，它與所測(cè)液體容積有密切關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中，由于被測(cè)介質(zhì)與測(cè)量液體密度之間存在著某種差異性而引起液體液相流動(dòng)，導(dǎo)致兩種液相接觸時(shí)形成液位差異，并能引起相應(yīng)反應(yīng)改變液面大小而確定液面高度的一種儀表。

　　一般情況下，將傳感器安裝在容器上即可得到液體表面平均高度;也可以用物體做反射進(jìn)行測(cè)量而把液體密度計(jì)算為一份空氣(或一滴水)。測(cè)量介質(zhì)中的水分時(shí)，要求一定的溫度和壓力否則就不能使用。然而當(dāng)液體出現(xiàn)以下?tīng)顩r時(shí)均可用超聲波液位傳感器檢測(cè)：水中有氣泡等;空氣濕度與溫度超過(guò)一定程度又可能影響超聲波產(chǎn)生;有導(dǎo)電材料或其它物品(如油)在水中會(huì)形成氣溶膠而影響溫度;等等。因此根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求確定測(cè)量介質(zhì)是十分重要的一步!而且在測(cè)量過(guò)程中需要人工干預(yù)。常用的檢測(cè)介質(zhì)有液水、熱水和氧氣以及水垢等氣體成分等物質(zhì)，由于這些氣體有水垢和氣溶膠，又要與液體接觸而在測(cè)量液位時(shí)將出現(xiàn)電火花甚至爆炸事故。因此選擇合適的水相傳感器是非常重要的。

　　3、工作精度與使用范圍

　　超聲波液位傳感器測(cè)量精度高，并且沒(méi)有電磁干擾，精度高，所以被廣泛用于化工、石油、冶金、礦山、港口等行業(yè)。由于超聲波液位傳感器具有高精度，高穩(wěn)定性及抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各種儀表領(lǐng)域中。超聲波液位傳感器是一種自動(dòng)化儀表，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)出被檢容器內(nèi)的液體高度、固體高度和液面高度，它不僅能夠作為液體高度的顯示儀表，還可以用于各類工業(yè)管道中的液位傳感器測(cè)量介質(zhì)的液面位置和液面高度。對(duì)于液位儀表而言，其價(jià)格相對(duì)較高，但是它又能用于生產(chǎn)加工制造、維修等各種場(chǎng)合。另外在很多情況下，超聲波液位傳感器仍是一個(gè)獨(dú)立存在的，這就給產(chǎn)品的銷售提供了一定的保障，它是不可缺少且重要的一部分。生產(chǎn)中在很多場(chǎng)合它都是必不可少的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，雖然價(jià)格低廉但產(chǎn)品質(zhì)量卻參差不齊，從而影響著產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的控制。

　　4、測(cè)量結(jié)果的不一致性檢驗(yàn)

　　在測(cè)量時(shí)，如果將探頭從液位傳感器上移到液面以上時(shí)，必須檢驗(yàn)其在兩個(gè)容器之間存在的電位差。如果測(cè)量不一致(如位移、體積等)時(shí)，就有可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)誤差。一般情況下，這種電位差為零時(shí)其測(cè)量值與實(shí)際值有一定差距的現(xiàn)象稱之為不一致性(Noise match)。如果是測(cè)量不一致的話，這種不一致性就可能會(huì)引起用戶的誤解并引起很多糾紛。

　　因此對(duì)于超聲波液位傳感器，在保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的前提下也要盡可能降低使用條件下的測(cè)量誤差。此外對(duì)于有腐蝕性液體以及氣體等其他環(huán)境因素的檢測(cè)還應(yīng)考慮到對(duì)其操作所帶來(lái)的影響。超聲波液位傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、精度高、維修方便，特別是能適用于對(duì)水相特性不很敏感(如懸浮液)、高溫氣體等工況下使用時(shí)更具有優(yōu)越性，因此成為應(yīng)用最為廣泛的一種液位傳感器。這種探頭在液體中傳播時(shí)會(huì)被介質(zhì)吸收形成電位差然后散射到液面以上，因此需要對(duì)儀器進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以保證檢測(cè)結(jié)果有效并可重復(fù)使用。