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閱讀：37發(fā)布時(shí)間：2026-1-31
超聲波液位計(jì)是由微處理器控制的數(shù)字液位儀表。在測(cè)量中超聲波脈沖由傳感器（換能器）發(fā)出，聲波經(jīng)液體表面反射后被同一傳感器接收或超聲波接收器，通過(guò)壓電晶體或磁致伸縮器件轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算傳感器到被測(cè)液體表面的距離。由于采用非接觸的測(cè)量，被測(cè)介質(zhì)幾乎不受限制，可廣泛用于各種液體和固體物料高度的測(cè)量。
超聲波液位計(jì)可通過(guò)4~20mA連接到顯示表或各種DCS系統(tǒng)中，為工業(yè)的自動(dòng)化運(yùn)行，提供實(shí)時(shí)的液位數(shù)據(jù)。
作為典型的非接觸式液位測(cè)量?jī)x表之一，它不必接觸工業(yè)介質(zhì)即可滿足大多數(shù)密閉和敞開(kāi)容器里的物位測(cè)量要求，可以測(cè)量幾厘米到幾十米的物位范圍，能夠在諸多惡劣條件下表現(xiàn)出非凡的能力。
超聲波物位計(jì)測(cè)量的內(nèi)在原理是非常簡(jiǎn)單的，超聲波探頭安裝在容器的頂部，發(fā)射脈沖波達(dá)到被測(cè)介質(zhì)表面，同時(shí)接收由被測(cè)物表面反射回來(lái)的回波，由發(fā)射波和回波的時(shí)間差，也就是聲波在空間中的往返穿行時(shí)間來(lái)測(cè)出探頭距被測(cè)介質(zhì)表面的距離。本文著重分析一下影響超聲波物位計(jì)測(cè)量的幾個(gè)因素。
1、聲波速度的影響
超聲波物位計(jì)在工業(yè)應(yīng)用中的頻率為5KHZ-5MHZ，在物位測(cè)量技術(shù)方面為5HZ-40HZ，超聲波探頭到介質(zhì)表面距離的計(jì)算公式如下：D=t1×C/2
其中D：探頭到介質(zhì)表面的距離；t1：聲波的傳播時(shí)間；C：波的傳播速率。由此可知，除了聲波的傳播時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確性，聲波的傳播速度起著決定性的作用。聲速的變化取決于傳播媒介的不同。在實(shí)際應(yīng)用中，多種因素影響著傳播媒介及聲速。為了獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，超聲波物位儀表可以由程序設(shè)定不同媒介的聲速。
2、溫度的影響
溫度的變化影響著聲速的變化，在正常環(huán)境中溫度的變化帶給聲速的變化為0.17%℃。在實(shí)際測(cè)量中，多種自然因素會(huì)導(dǎo)致誤差。在實(shí)際應(yīng)用中，探頭周圍環(huán)境、超聲波傳播媒介的溫度以及被測(cè)介質(zhì)的溫度不盡相同。測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求選擇與探頭結(jié)合的內(nèi)置溫度傳感器與探頭分離的外置溫度傳感器。更為精確的測(cè)量系統(tǒng)，可以在距探頭的特定位置放置回波反射參照物，產(chǎn)生參考回波，以對(duì)溫度影響進(jìn)行補(bǔ)償。這種方法的有效性取決于回波反射參照物的放置精準(zhǔn)程度。
3、壓力的影響
壓力的變化造成的溫度變化之間的關(guān)系為：LnT1/T2=1.4LnP1/P2。雖然壓力的變化影響著探頭的工作狀態(tài)，但壓力的變化不直接產(chǎn)生聲速的變化。由于壓力和溫度之間的關(guān)系T=KP(K為常數(shù))，所以壓力的變化影響著溫度的變化，進(jìn)而影響聲速的變化。
4、聲波的發(fā)射與傳播
超聲波物位計(jì)探頭的內(nèi)部有一個(gè)或多個(gè)壓電陶瓷晶體，用于聲波信號(hào)的產(chǎn)生和接收，當(dāng)壓電陶瓷晶體獲得電信號(hào)時(shí)產(chǎn)生微小機(jī)械振動(dòng)發(fā)出聲波。同理，回波使壓電陶瓷晶體產(chǎn)生微小機(jī)械振動(dòng)發(fā)出電磁信號(hào)，實(shí)際是一個(gè)探頭扮演著發(fā)射與接收的雙重角色。
當(dāng)壓電陶瓷晶體獲得電脈沖激勵(lì)時(shí)，將產(chǎn)生一段時(shí)間的共鳴，最初的共鳴振幅很大，隨著探頭震動(dòng)能量的減弱，振幅將趨于零。在共鳴期間內(nèi)，共鳴覆蓋了回波，使得探頭不準(zhǔn)確判定回波，這段時(shí)間為幾毫秒，相對(duì)應(yīng)的距離范圍成為“盲區(qū)”。10mS相對(duì)盲區(qū)為1.7m。為了確保發(fā)射波與回波時(shí)間差的準(zhǔn)確性，回波信號(hào)必須有足夠的強(qiáng)度以產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化為電脈沖，回波信號(hào)的強(qiáng)度取決于發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度，傳播介質(zhì)的特性，傳播的距離和被測(cè)介質(zhì)反映面的特性。
5、聲波強(qiáng)度的衰減
聲波傳播過(guò)程中強(qiáng)度的減弱是由于空氣對(duì)它的吸收，這是由于空氣的粘性和熱傳導(dǎo)以及空氣分子的行為特性決定的。
6、粉塵的影響
粉塵環(huán)境對(duì)聲速的影響非常小，但對(duì)超聲波的衰減很明顯，是阻礙超聲波方案實(shí)施的主要因素。實(shí)際應(yīng)用中，低頻率并帶有特殊泡沫塑料表面的探頭在粉塵環(huán)境中的使用方案是非常成功的。
7、氣流的影響
就理論而言，在開(kāi)放環(huán)境下，空氣作為超聲波的載體，橫向的空氣氣流將使得聲波的傳播路徑彎曲變長(zhǎng)，但實(shí)際使用中的影響并不大。
8、被測(cè)介質(zhì)表面的影響
超聲波物位計(jì)回波強(qiáng)度比率取決于被測(cè)介質(zhì)的特性，所有的介質(zhì)對(duì)超聲波都是部分的反射，部分的吸收以及部分的傳輸。濃密的介質(zhì)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的回波，反之成立。實(shí)際測(cè)量中，液體界面的回波遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于固體?；夭ㄔ诠潭w粒表面產(chǎn)生時(shí)，其角度方向不同，相互有著時(shí)間差，造成相位不同從而減少直接反射回探頭的回波強(qiáng)度。
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