超聲波液位計(jì)工作原理

超聲波液位計(jì)按照傳聲介質(zhì)不同，可分為固介式、氣介式和液介式3種，按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收單探頭方式和收發(fā)分開(kāi)的雙探頭方式。相互組合可以得到6種超聲波液位計(jì)。在實(shí)際測(cè)量中，有時(shí)液面會(huì)有氣泡、懸浮物、波浪或液體出現(xiàn)沸騰，引起反射混亂，產(chǎn)生測(cè)量誤差，因此在復(fù)雜情況下宜采用固介式液位計(jì)。圖1為單探頭超聲波液位計(jì)，它使用一個(gè)換能器，由控制電路控制，分時(shí)交替作發(fā)射器與接收器。

超聲波液位計(jì)工作原理：超聲波在氣體、液體和固體中傳播，具有一定的傳播速度。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減，在氣體中傳播的衰減***大，在固體中傳播的衰減***小。超聲波在穿過(guò)兩種不同介質(zhì)的分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射和折射，對(duì)于聲阻抗差別較大的界面，幾乎為全反射。從發(fā)射超聲波至接收發(fā)射回來(lái)的信號(hào)的時(shí)間間隔與分界面位置有關(guān)，超聲波液位計(jì)正是利用超聲波的這一特點(diǎn)進(jìn)行物位測(cè)量的。
 
超聲波液位計(jì)的發(fā)射器和接受器既可以安裝在容器底部，也可以安裝在容器的頂部，發(fā)射的超聲波在相界面被發(fā)射，并由接收器接收，測(cè)出超聲波從發(fā)射導(dǎo)接收的時(shí)間間隔，就可以測(cè)量物位的高低。

圖1 單探頭超聲波液位計(jì)
設(shè)超聲波到液面的距離為H，波的傳播速度為c，傳播時(shí)間間隔為△t ，則：H=c△t/2
 
要想通過(guò)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間來(lái)確定物位，聲速c必須恒定。實(shí)際上聲速隨介質(zhì)及其溫度變化而變化，為了準(zhǔn)確地測(cè)量物位，對(duì)于一定的介質(zhì)，必須對(duì)聲速進(jìn)行校正。對(duì)于液介式的聲速校正的方法有校正具校正聲速法、固定標(biāo)記校正聲速法和溫度校正聲速法。對(duì)于氣介式的聲速校正一般采用溫度校正法，即采用溫度傳感器測(cè)量出倉(cāng)或罐的溫度，根據(jù)聲速與溫度之間的關(guān)系計(jì)算出當(dāng)時(shí)的聲速，再根據(jù)H=c△t/2公式求出料位。
 
空氣中聲速c與溫度T之間的關(guān)系為：c=331.3+0.6T(m/s)
 
圖2為基于單片機(jī)的超聲波液位計(jì)的原理框圖，該物位計(jì)以單片機(jī)為核心，進(jìn)行超聲波的發(fā)射、接收控制和數(shù)據(jù)處理，具有聲速補(bǔ)償功能及自動(dòng)增益控制功能。

圖2  超聲波液位計(jì)原理框圖
單片機(jī)根據(jù)量程確定發(fā)射周期，輸出脈沖信號(hào)，此信號(hào)使發(fā)射電路發(fā)出一串高頻(10kHz-40kHz)電脈沖，經(jīng)功率放大后，加到探頭上，探頭發(fā)出的超聲波到達(dá)料面后，經(jīng)發(fā)射又回到探頭，探頭將接收到的超聲波能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，放大后，送單片機(jī)的中斷口。單片機(jī)對(duì)超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間計(jì)時(shí)，同時(shí)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，按公式H=c△t/2和公式c=331.3+0.6T(m/s)計(jì)算出探頭到料面的高度H，將料倉(cāng)的高度減去H就可以得到料位的高度。
 
超聲波液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)與介質(zhì)不接觸，無(wú)可動(dòng)部件，傳播速度比較穩(wěn)定，對(duì)光線、介質(zhì)黏度、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等不敏感，因此可以測(cè)量有毒、腐蝕性或高黏度等特殊場(chǎng)合的液位。超聲波液位計(jì)既可以連續(xù)測(cè)量和定點(diǎn)測(cè)量物位，也可以方便地提供遙測(cè)或遙控信號(hào)，還能夠測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)或有傾斜晃動(dòng)的液體液位，如置于汽車、飛機(jī)、輪船中的液位。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，測(cè)量時(shí)對(duì)溫度比較敏感，溫度的變化會(huì)引起聲速的變化，因此為了保證超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度，應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。