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超聲波液位計脈沖回波法測量原理
超聲波性質(zhì)
聲波是一種機械波，是機械振動在介質(zhì)中的傳播過程，當(dāng)振動頻率在十余赫茲到萬余赫茲時可以引起人的聽覺，稱為聲波；更低頻率的機械波稱為次聲波；20kHz以上的機械波稱為超聲波，物位檢測一般使用超聲波。聲波可以在氣體、液體、固體中傳播，并具有一定的傳播速度。聲波在穿過介質(zhì)時會被吸收而產(chǎn)生衰減，氣體吸收衰減，液體次之，固體吸收最少衰減最小。聲波穿過不同介質(zhì)的分界面時會產(chǎn)生反射，反射波的強弱決定于分界面兩邊介質(zhì)的聲阻抗，兩介質(zhì)的聲阻杭差別越大，反射波越強。聲阻抗即介質(zhì)的密度與聲速的乘積。當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或相反的情況下，由于兩種介質(zhì)的聲阻杭相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。聲波傳播時的方向性隨聲波的頻率的升高而變強，發(fā)射的聲速也越尖銳，超聲波可近似為直線傳播，具有很好的方向性。根據(jù)聲波從發(fā)射至接收到反射回波的時間間隔與物位高度之間的關(guān)系，就可以進行物位的測量。
超聲波液位計測量原理
超聲波式液位計是利用超聲波在液面處反射原理進行液位高度檢測的，即應(yīng)用回聲測量距離原理工作的，如圖所示。當(dāng)超聲波探頭向液面發(fā)射短促的超聲波脈沖時，經(jīng)過時間t后，探頭接到從液面反射回來的回聲脈沖。因此，探頭到液面的距離h可按下式求出：設(shè)超聲探頭到容器底部的距離為h，測液位數(shù)值為
H=h-0.5vt
式中，v為超聲波在被測介質(zhì)中的傳播速度(簡稱聲速)(m/s)。
由此可見，只需知道聲速v，就可以通過精確地測量時間t的方法求出液位高度。當(dāng)然，其前提條件是聲速v必須是恒定的，或者采用某種辦法補償聲速的變化。

超聲波換能器
超聲波液位計最主要的元件就是超聲波換能器，換能器實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接受。超聲波的發(fā)射與接收根據(jù)壓電效應(yīng)，通過換能器實現(xiàn)，換能器的核心是壓電材料。通過壓電材料實現(xiàn)機械能與電能的轉(zhuǎn)換，進而實現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接受，其原理如圖所示。

用于超聲物位計上的品種繁多，歸納起來其振動模式為縱向或彎曲振動。使用的壓電材料為PZT或PVDF。PVDF壓電薄膜材料除有良好的物理性能外，在厚度、面積上有很大的選擇余地，具有易于加工和預(yù)率范圍寬等優(yōu)點，常用來制成40~300kHz的。超聲波換能器的壓電材料的工作頻率、聲束半角、工作溫度，換能器外殼材料耐壓、耐腐蝕等特性在很大程度上決定了換能器的性能，進而影響超聲波物位計的使用。在實際工作中，評價一個，常考慮到以下性能和特點：工作頻率、靈敏度、盲區(qū)、指向性以及使用的溫度范圍、密封性、耐腐蝕性、防爆性等。
在具體使用超聲波物位計中，面臨的一個問題就是如何確定超聲波的發(fā)射能量。若增大發(fā)射能量，可以增加聲波在介質(zhì)中的傳播距離，適合較大物位檢測，達到接收器的能量較高，提高精度。但是這也會對測量帶來不利影響，對液體測量而言，高發(fā)射能量會產(chǎn)生不利的超聲效應(yīng)，使得液體中大量空化氣泡的形成，使超聲能量在此區(qū)域消耗，不能傳到較遠處，而且聲能被介質(zhì)吸收后，會提高介質(zhì)溫度，使介質(zhì)特性變化，降低測量精度。因此，通常采用較高頻率的超聲脈沖，既減少了單位時間內(nèi)超聲波發(fā)射的能量，又提高超聲脈沖的幅值。