超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量原理的不同，而導(dǎo)致他們的運(yùn)用場(chǎng)合不同。雷達(dá)是鑒于被測(cè)物質(zhì)的介電常數(shù)的，而超聲波是鑒于被測(cè)物質(zhì)的密度的。所以介電常數(shù)很低的物質(zhì)雷達(dá)的測(cè)量效果就要打折扣，對(duì)于固體物質(zhì)一般也推薦用超聲波。同時(shí)雷達(dá)發(fā)射的是電磁波，不需要傳播媒介，而超聲波是聲波，是一種機(jī)械波，是需要傳播媒介的。另外波的發(fā)射方式元件不同，如超聲波是通過(guò)壓電物質(zhì)的振動(dòng)來(lái)發(fā)射的，所以它不可能用在壓力較高或負(fù)壓的場(chǎng)合，一般只用在常壓容器。
超聲波液位計(jì)是一系列非接觸，高可靠、低價(jià)格、免維護(hù)的物位儀，它徹底解決了由壓力變送器、電容式、浮子式等測(cè)量方式帶來(lái)的纏繞、泄露、接觸介質(zhì)、昂貴的維護(hù)等麻煩，它不必要接觸工業(yè)介質(zhì)就滿足大多數(shù)密閉/敞開(kāi)容器里的物位測(cè)量要求。
今天，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波物位測(cè)量?jī)x器可以測(cè)量幾厘米到幾十厘米的物位范圍，在諸多惡劣條件下表現(xiàn)出非凡的能力。
超聲波液位計(jì)測(cè)量的內(nèi)在原理是非常簡(jiǎn)單的，超聲波探頭位于容器的頂部，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。
根據(jù)上面的原理，影響超聲波液位計(jì)工作的因素主要有：
超聲波液位計(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
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)確性外，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。今天，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度設(shè)定不同媒介的聲速。
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，而先進(jìn)的測(cè)量系統(tǒng)，包括溫度傳感器和軟件功能，可以對(duì)溫度的影響進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。在實(shí)際應(yīng)用中，由于探頭周?chē)h(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。
壓力的變化造成的溫度變化之間的關(guān)系：
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。
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)際的方法是一個(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)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。
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。
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。
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)，實(shí)際中的影響并不大。
超聲波液位計(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。回波在固定顆粒表面產(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。
從原理上看，影響測(cè)量的因素很多，很多廠家的超聲波物位儀已經(jīng)有了溫度補(bǔ)償，回波跟蹤識(shí)別等軟件功能，使測(cè)量?jī)x成為最成功的工業(yè)測(cè)量解決方案之一，包括液體料位、固體料位、各種倉(cāng)料、明渠流量等，已成為現(xiàn)今最為廣泛接受的非接觸式測(cè)量技術(shù)。
今天，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波物位測(cè)量?jī)x器可以測(cè)量幾厘米到幾十厘米的物位范圍，在諸多惡劣條件下表現(xiàn)出非凡的能力。
超聲波液位計(jì)測(cè)量的內(nèi)在原理是非常簡(jiǎn)單的，超聲波探頭位于容器的頂部，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。
根據(jù)上面的原理，影響超聲波液位計(jì)工作的因素主要有：
01
速度的影響：
D=t1×C/2
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)確性外，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。今天，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度設(shè)定不同媒介的聲速。
02
溫度的影響：
03
壓力的影響:
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。
04
聲波的發(fā)射與傳播:
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)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。
05
強(qiáng)度的衰減
06
粉塵的影響
07
氣流的影響
08
被測(cè)介質(zhì)表面的影響
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