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    超声波液位计(变送器)测量的原理详解及实际应用方法介绍

    发表时间:2019-11-22   点击次数:  技术支持:15601403222
    目前,超声波液位测量技术已经成熟,相关的测量设备在各个工业板块大量使用且应用非常广泛,但其采用的方法和原理却不尽相同,主要因为现在工业领域的需求不同,比如:开阔环境下的测量和密封环境下的测量和对成本的控制要求等。针对不同的需求应采用适合的超声波液位测量的方法,同时采用相适应的超声波液位计产品。因此,了解相关超声波测量方法的优缺点,掌握超声波的基本原理显得至关重要。
     
    在现在工业测量领域,特别是在比较特殊的测量场合,比如:对一些含有酸碱性液体的测量,或者对有毒、有害的液体和危险性比较高的的场合测量时,超声波测量的运用就比较多,主要因为它是非接触的测量,不会与被测的液体直接接触,具有一定安全性,除此之外,超声波方式很灵活,基本有三种方式:空气介质的测量、液体介质的测量、固体介质的测量。适用于各种形式的被测液体,三种方式可以根据测量的场合和要求任意选择。依靠其具有测量方向性好、能量集中、在不同介质面容易反射、没有太多机械部件等特点,智能化的超声波液位计的测量系统还广泛的运用于河流、湖海、污水处理厂等液位的警戒报警。
    超声波液位计
     
    2.1超声波液位测量的基本原理
    2.1.1超声波的相关介绍
    超声波属于声波,是机械波的一种。声波是震动的声源体在周围弹性介质中引起的波动。生活中人们听到的各种声音,都是由于声源的振动通过空气介质的传播才到达人的耳膜,从而引起耳膜的振动刺激到人的听觉神经,人们才能听到物体发出的声音。人类对声音的感觉有一定的频率范围,通常在20~20000Hz的振动才能引起人的听觉,要是物体的振动频率低于20Hz或者高于20000Hz,入的耳朵就基本听不到了。通常我们把低于20Hz的声波叫做次声波,把高于20000Hz的声波叫做超声波。超声波主要与三个物理量相关,波长九,传播速度C还有就是其频率f,三个物理量对应的关系式为
    C=f*λ
    能够产生超声波的方法有很多,常用的有压电效应法、磁致伸缩效应法、和电效应法等,通常在工业领域中压电效应法用的最多。超声波为什么在液位和无损测量领域应用的如此广泛,主要其有如下几个优点:
     
    1)超声波具有良好的指向性。在现在的工业超声波测量中常用的频率通常是0.5~10MHz,因为其波长短,具有良好的指向性,有利于检测,除此之外,其发射的频率较高的话,波束角就比较小,其传播的方向性也就比较好。
     
    2)超声波具有的能量高。在振幅相同的条件下,研究表明一个物体振动的能量与其振动频率的平方成正比例关系。主要是因为超声波具有的能量相比较其他声波较高。
     
    3)超声波的穿透力强。超声波的频率很高,波长比较短。这些特点决定了其不仅能量大而且穿透力比较强,在一些特殊材料中,比如在金属材料中穿透可达数米,对于一般的罐体的厚度可以轻易地穿过,这也是其他的测量方法所不能比拟的。
     
    4)超声波在分界面上有良好的反射性。所有的波都会发生反射现象,超声波也不例外。当发射出的超声波遇到二种介质的分界面时,若二种介质具有良好的特性阻抗差(0.1%),且界面相对于超声波的波长又比较大,超声波就会在界面产生反射。
     
    5)超声波频率对人身基本无害。因为超声波不可见、不可听,在测量过程中不会与人类的身体产生共振,所以对人身体无害,也不会给自然环境带来伤害。
     
    2.1.2超声波脉冲回波测量的基本原理在超声波测量技术的运用中,主要是利用了超声波特有的反射、折射等物理的特性进行的测量,现在超声波液位测量的方法比较多,常见的有超声波脉冲回波测量、衰减法还有频差法等,运用比较广泛和成熟的便是脉冲回波测量法。脉冲回波测量法的基本工作原理如图2.1所示,由超声波发射电路发射激励脉冲,经过变压器升压后产生高压脉冲,高压脉冲驱动超声波换能器工作,这时的高压脉冲的频率必须要接近于超声波换能器工作的中心频率,只有这样超声波换能器才能具有良好的灵敏度,当发射出去的脉冲遇到介质分界面时开始返回,回波脉冲达到超声波传感器后转换成电信号,回到接收电路进行处理,由微控制器计算超声波脉冲发出到接收的时间,在知道超声波在被测介质中的传播速度后,在软件中写入相关公式,最后计算求得液位高度值。
     
    图2.1超声波脉冲测距示意图
    超声波液位计测量原理示意图
    由图可知脉冲从发射到接收的时间为T,超声波在空气中的传播速度为V,则液位的高度求解公式就为:

    H=T*V/2

    超声波在空气中还要受到温度的影响,要想得到较准确的测量值,还要对其进行温度的补偿,通常情况下空气介质中的补偿公式为

    V=331.5+0.607*T

    由以上公式求出的液位高度,就是利用脉冲回波法求到的液位高度值。
     
    2.2超声波液位计的换能器的工作原理
    超声波液位计(变送器)测量中,超声波换能器属于整个测量系统前端的重要部分。一旦设备中换能器的参数和制作工艺选定,后面的电路设计和软算法部分也就基本定型,都要围绕换能器的工作参数来设计,所以,了解和研究换能器的工作原理、主要的工作性能及其结构,对于了解整个液位测量的原理具有重要的意义。前面提到过,超声波产生的方法有很多,工业中常用到的就是通过压电陶瓷的压电效应的方法来实现,而压电效应又可分为正压电效应和逆压电效应,也就是说其可以通过施加在换能器上的机械变形让其产生电场,也可以通过施加电场让其产生机械变形130-311。所谓的正压电效应指的是在一些晶体的材料上沿着一定方向施加外力的作用使其发生变形,在晶体材料上出现带有正负的电荷。而当外力去掉后,晶体材料又恢复到不带电的状态,这种现象称之为正压电效应,相反当在晶体的材料上施加一定的电场,使其产生伸缩变形,电场消去后变形也消失,这种现象称之为逆压电效应。这二种效应是可逆的物理效应,统称为压电效应。
     
    如图2.2所示的换能器,当超声波液位计发射电路中的电压脉冲信号通过引线端子传递到共振板时,脉冲信号的频率和压电晶体的声匹配层固有中心接近或者重合时,二者就会产生共振,从而使其由机械形变产生超声波,反之,当回波脉冲信号反射回超声辐射面时,共振效应又会使得压电晶体的机械信号转换成电信号。整个超声的收发过程变完成了。

    超声波液位计换能器的结构示意图 
    2.3换能器探头的种类和选择
    超声波液位计换能器探头的种类有很多,主要产生波形不同,大致分为纵波、表面波、横波、爬波等探头,其中有的根据耦合的不同又可分为接触式的探头和液浸探头。根据其波束和晶片数又可分为聚焦、非聚焦、单晶、双晶等探头。其中每个探头根据其特性有着其固有的用途,比如:直探头主要用于探测平行的缺陷,应用在无损领域的板材探伤较多;还有斜探头,因为具有一定的倾斜角度,主要用来探测与测量面成一定角度的测量,应用在特殊的测量场合。多类型的探头使超声波探头的测量更加多元化,其他还有如双晶探头等的测量探头用途各异,就不在此一一赘述。选择时多从四个方面考虑,探头的类型是首先要考虑的,根据所需测量部位的可达性,对超声波衰减性进行考虑选择合适的探头。其次就是探测频率,常见到的探头的探测频率基本在0.5~10MHz之间。对液位测量时并不是其测量频率越大越好,频率高其波长就短,声波的扩散角度小,方向性就好,但其近场区长度加大,声波的衰减也同时加大,频率的高低对超声波液位的测量既有好的一面也有不利的一面,实际的测量中应综合考虑,合理选择探测的频率,在保证灵敏度的情况下尽量选择较低的超声探测频率。此外,晶片的选择也很重要,晶片的尺寸的大小对于声束的指向性、近场区的长度有重要的影响,测量时也是尽量的选择小品片,这样使其体积较小,测量方便。横波的斜探头K值,、其主要影响声波柬进入测量物体的方向、声程和灵敏度。所以在探头的选择上要综合以上四点,选择一个适合于测量所需的探头。
     
    2.4超声波液位计换能器的测量盲区
    当脉冲激发电路产生的激发脉冲频率与换能器中的压电晶体本身频率相同或相近时,换能器内的压电晶体会产生共振,在换能器产生振动的时间内如果超声波到达分界面反射回的回波达到换能器时,此时的回波信号会淹没在振动信号中,导致测量产生误差,这部分不可测量的距离就是盲区。而在本文中罐体油位的测量还要穿透比较厚的罐体,罐体一般都是由钢制材料制成,罐体的厚度本身就会对超声波的传递造成一‘定的衰减和消耗,导致不断衰减后的信号消失或无效,另一方面也会导致在罐体中无用的反射信号增加,从而加大测量的盲区。
    通常测量的量程与盲区是相互制约的。当换能器选定时,换能器本身的一些基本参数也就确定,要想增大测量量程可以适当增大其功率,这会使得压电晶体的余震时间变长,盲区变得更大,反之,适当的减小盲区可以减小功率,这又会使得测量量程变小。
     
    盲区相对于超声波液位计换能器而言是不可避免的,虽然超声波液位测量有很多的优点,但是由于材料和本身特性决定了盲区无法消除,但是可以采用一些措施有效的减小盲区给测量带点来的误差。可以从以下几点:
     
    1)可以通过改进超声波液位计换能器的材料和制作工艺,优化其结构。相比较而言,双探头的超声波液位测量系统比收发一体的测量系统盲区要小,若能减小其余振带来的影响就可以减小盲区。
     
    2)提高液位计发射的超声波在介质中的透射率。研究分析所需测量系统的特点,根据测量需求改善超声波在介质中的透射环境,减小声波在传播过程中的无谓损耗和无效的反射。
     
    3)改善接收电路。反射回的声波都是经过衰减的,根据声波的衰减幅度特点,改善接收信号放大电路,把衰减的微弱信号通过带增益的放大器对信号进行补偿,使得不同程度的衰减信号都可以放大到理想幅值,减小拖尾的信号盲区。
     
    2.5本章小结
    本章对超声波液位计液位测量应用中的相关原理和方法进行了介绍,对超声波的概念进行阐述。了解了非接触性是超声波在液位测量中的优势体现,对超声波的产生机理和本身传播过程中的特点进行了分析。最后对超声波液位计换能器的工作原理、探头的种类和选择以及对盲区的介绍和改善也进行了相关的说明。在以上的论述中可以发现非接触测量优点及其良好的应用前景,在总结分析了液位测量中的基本原理和换能器中要注意和掌握的关键点后,对后文的总体设计中要注意的事项起到很好参考价值。

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