超声波液位计脉冲回波法测量原理

超声波液位计脉冲回波法测量原理
超声波性质
    声波是一种机械波，是机械振动在介质中的传播过程，当振动频率在十余赫兹到万余赫兹时可以引起人的听觉，称为声波；更低频率的机械波称为次声波；20kHz以上的机械波称为超声波，物位检测一般使用超声波。声波可以在气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。声波在穿过介质时会被吸收而产生衰减，气体吸收最强衰减最大，液体次之，固体吸收最少衰减最小。声波穿过不同介质的分界面时会产生反射，反射波的强弱决定于分界面两边介质的声阻抗，两介质的声阻杭差别越大，反射波越强。声阻抗即介质的密度与声速的乘积。当声波从液体或固体传播到气体，或相反的情况下，由于两种介质的声阻杭相差悬殊，声波几乎全部被反射。声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声速也越尖锐，超声波可近似为直线传播，具有很好的方向性。根据声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关系，就可以进行物位的测量。
超声波液位计测量原理
    超声波式液位计是利用超声波在液面处反射原理进行液位高度检测的，即应用回声测量距离原理工作的，如图所示。当超声波探头向液面发射短促的超声波脉冲时，经过时间t后，探头接到从液面反射回来的回声脉冲。因此，探头到液面的距离h可按下式求出：设超声探头到容器底部的距离为h，测液位数值为
H=h-0.5vt
式中，v为超声波在被测介质中的传播速度(简称声速)(m/s)。
由此可见，只需知道声速v，就可以通过精确地测量时间t的方法求出液位高度。当然，其前提条件是声速v必须是恒定的，或者采用某种办法补偿声速的变化。

超声波换能器
超声波液位计最主要的元件就是超声波换能器，换能器实现超声波的发射和接受。超声波的发射与接收根据压电效应，通过换能器实现，换能器的核心是压电材料。通过压电材料实现机械能与电能的转换，进而实现超声波的发射与接受，其原理如图所示。

    用于超声物位计上的超声换能器品种繁多，归纳起来其振动模式为纵向或弯曲振动。使用的压电材料为PZT或PVDF。PVDF压电薄膜材料除有良好的物理性能外，在厚度、面积上有很大的选择余地，具有易于加工和预率范围宽等优点，常用来制成40~300kHz的超声换能器。超声波换能器的压电材料的工作频率、声束半角、工作温度，换能器外壳材料耐压、耐腐蚀等特性在很大程度上决定了换能器的性能，进而影响超声波物位计的使用。在实际工作中，评价一个超声换能器，常考虑到以下性能和特点：工作频率、灵敏度、盲区、指向性以及使用的温度范围、密封性、耐腐蚀性、防爆性等。
    在具体使用超声波物位计中，面临的一个问题就是如何确定超声波的发射能量。若增大发射能量，可以增加声波在介质中的传播距离，适合较大物位检测，达到接收器的能量较高，提高精度。但是这也会对测量带来不利影响，对液体测量而言，高发射能量会产生不利的超声效应，使得液体中大量空化气泡的形成，使超声能量在此区域消耗，不能传到较远处，而且声能被介质吸收后，会提高介质温度，使介质特性变化，降低测量精度。因此，通常采用较高频率的超声脉冲，既减少了单位时间内超声波发射的能量，又提高超声脉冲的幅值。
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