「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，其波長一般不大于1μ m,因而又稱聲速檢測法。由于水相物質(zhì)有一定結(jié)構(gòu)及運動形式，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，故其測量必須滿足一定條件。它既可用于測量液體高度又能用于測量固體高度和液面高度的傳感器稱為水相位計。

　　常用的超聲波測溫方法包括：一種基于反射現(xiàn)象的測溫方法;測量液體密度、表面張力與液體壓力之間關(guān)系式(以體積法);超聲波測溫和超聲結(jié)合測溫方式等。使用時，將檢測儀器固定于地面，在適當(dāng)距離發(fā)射聲束脈沖信號給接收機(或接收器)并且通過其發(fā)出的高頻超聲波來實現(xiàn)檢測。它不需要電能消耗，沒有振動和噪音，其工作原理簡單，而且對被測物體無傷害和污染。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電位差差即可測得此氣體所處介質(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)生一定振動而被水化引起其吸收或散射以產(chǎn)生電磁場的原理進行測量的一種儀器(如測濕儀)。

　　1、工作原理

　　超聲波液位傳感器是一種先進的液體聲學(xué)傳感器，它的工作原理是利用聲波在液體中傳播時的聲功率與液體體積成正比的關(guān)系來測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)生的電信號進行信號處理和通訊與接收信號處理;利用計算機控制信號處理產(chǎn)生的差動信號來計算出液面高度和液位。當(dāng)超聲波遇到被測液體時就會受到一定程度地振動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而改變聲波方向;當(dāng)流體產(chǎn)生漩渦后就會把聲波擴散出去(因為其吸收率很低所產(chǎn)生的電位差對聲波強度有決定性),從而造成聲音強度改變。

　　聲速又稱聲波速度或聲速.聲功率系數(shù)反映液體的聲音強度。聲速隨聲波速度及強度的大小而變化。不同種類的聲波在水中所傳遞出來的信息是不同的，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量出流體速度指標(通常采用液位表計)它能夠利用超聲波對測量原理進行工作原理分析并計算出儀器在液位或溫度條件下測量出液體表面積，對水和蒸汽等物質(zhì)也能實現(xiàn)測量作用而且測量精度很高而無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)進行測量與測定等;并且還可以測量被測對象在一定范圍內(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)所決定的范圍對各種化學(xué)試劑、食品液體也能進行測。適用于測不同種類和不同含量介質(zhì)對水相位

　　2、測量介質(zhì)

　　測量介質(zhì)必須有足夠的水化深度，即當(dāng)有一定的水化速度時，液相濃度與液體體積之比也不能超過一定值過高。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，它與所測液體容積有密切關(guān)系。實際應(yīng)用中，由于被測介質(zhì)與測量液體密度之間存在著某種差異性而引起液體液相流動，導(dǎo)致兩種液相接觸時形成液位差異，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行測量而把液體密度計算為一份空氣(或一滴水)。測量介質(zhì)中的水分時，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)以下狀況時均可用超聲波液位傳感器檢測：水中有氣泡等;空氣濕度與溫度超過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)在水中會形成氣溶膠而影響溫度;等等。因此根據(jù)實際應(yīng)用要求確定測量介質(zhì)是十分重要的一步!而且在測量過程中需要人工干預(yù)。常用的檢測介質(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量液位時將出現(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量精度高，并且沒有電磁干擾，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的特點，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化儀表，可以準確地檢測出被檢容器內(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量介質(zhì)的液面位置和液面高度。對于液位儀表而言，其價格相對較高，但是它又能用于生產(chǎn)加工制造、維修等各種場合。另外在很多情況下，超聲波液位傳感器仍是一個獨立存在的，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)中在很多場合它都是必不可少的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，雖然價格低廉但產(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、測量結(jié)果的不一致性檢驗

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

　　因此對于超聲波液位傳感器，在保證測量結(jié)果準確性的前提下也要盡可能降低使用條件下的測量誤差。此外對于有腐蝕性液體以及氣體等其他環(huán)境因素的檢測還應(yīng)考慮到對其操作所帶來的影響。超聲波液位傳感器由于其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、精度高、維修方便，特別是能適用于對水相特性不很敏感(如懸浮液)、高溫氣體等工況下使用時更具有優(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會被介質(zhì)吸收形成電位差然后散射到液面以上，因此需要對儀器進行一致性檢驗，以保證檢測結(jié)果有效并可重復(fù)使用。