超聲波液位計(jì)是鑒于被測(cè)物質(zhì)的密度的,對(duì)于固體物質(zhì)推薦用超聲波進(jìn)行液位測(cè)量。超聲波是聲波,是一種機(jī)械波,是需要傳播媒介的。
超聲波液位計(jì)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。如6~70米的量程,首選超聲波液位計(jì)。
超聲波液位計(jì)是非接觸,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,在各種惡劣條件下表現(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。
在液位計(jì)測(cè)量中影響超聲波液位計(jì)工作的因素主要有下面幾點(diǎn),美安特做出了總結(jié)分析:
1.速度的影響:
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。
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,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。
3.壓力的影響:
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。
4.聲波的發(fā)射與傳播:
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。
5.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
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。
8.被測(cè)介質(zhì)表面的影響
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)。