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超聲波液位計(jì)影響測(cè)量的常見因素
2021-01-04
超聲波液位計(jì)是一種典型的非接觸式液位測(cè)量?jī)x表，它無需接觸介質(zhì)就滿足大多數(shù)敞口容器里的物位測(cè)量要求，可以測(cè)量幾厘米到幾十米的物位范圍，能夠在較為惡劣的條件下使用。超聲波探頭安裝在被測(cè)介質(zhì)的上方，發(fā)射脈沖波到達(dá)被測(cè)介質(zhì)表面，同時(shí)接收由被測(cè)物表面反射回來的回波，由發(fā)射波和回波的時(shí)間差，即聲波在空間中的往返穿行時(shí)間來測(cè)出探頭距被測(cè)介質(zhì)表面的距離。本文著重分析下超聲波液位計(jì)影響測(cè)量的常見因素。
一般來說，超聲波液位計(jì)的液位測(cè)量受多種因素的影響，比較常見的有聲速、溫度、壓力、氣流、粉塵等，下面分別介紹下：
1．聲速
超聲波液位計(jì)的探頭到介質(zhì)表面距離的計(jì)算公式為：S=C×T/2。其中S：探頭到介質(zhì)表面的距離；t：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，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。為了獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，超聲波液位測(cè)量?jī)x表可以由程序設(shè)定不同媒介的聲速。
2．溫度
溫度的變化對(duì)聲速的變化有著直接的影響，在正常環(huán)境中，溫度的變化帶給聲速的變化為0.17%℃。實(shí)際應(yīng)用中，探頭周圍環(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
壓力的變化與溫度變化之間的關(guān)系為：LnT1/T2=1.4LnP1/P2。盡管壓力的變化會(huì)對(duì)探頭的工作狀態(tài)有影響，但壓力的變化不會(huì)直接影響聲速的變化。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．粉塵
粉塵環(huán)境對(duì)聲速的影響較小，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。
5．氣流
理論上講，在開放環(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)，但實(shí)際使用中并無太大影響。
6．聲波的發(fā)射與傳播
超聲波液位計(jì)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，隨著探頭振動(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，使得探頭不能準(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)為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。
7．聲波強(qiáng)度的衰減
由于空氣對(duì)聲波的吸收，聲波在傳播過程中強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)衰減，這是受空氣粘性、熱傳導(dǎo)以及空氣分子的行為特性決定的。
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，反之亦然。
一般來說，超聲波液位計(jì)的液位測(cè)量受多種因素的影響，比較常見的有聲速、溫度、壓力、氣流、粉塵等，下面分別介紹下：
1．聲速
超聲波液位計(jì)的探頭到介質(zhì)表面距離的計(jì)算公式為：S=C×T/2。其中S：探頭到介質(zhì)表面的距離；t：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，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。為了獲得更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，超聲波液位測(cè)量?jī)x表可以由程序設(shè)定不同媒介的聲速。
2．溫度
溫度的變化對(duì)聲速的變化有著直接的影響，在正常環(huán)境中，溫度的變化帶給聲速的變化為0.17%℃。實(shí)際應(yīng)用中，探頭周圍環(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
壓力的變化與溫度變化之間的關(guān)系為：LnT1/T2=1.4LnP1/P2。盡管壓力的變化會(huì)對(duì)探頭的工作狀態(tài)有影響，但壓力的變化不會(huì)直接影響聲速的變化。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．粉塵
粉塵環(huán)境對(duì)聲速的影響較小，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。
5．氣流
理論上講，在開放環(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)，但實(shí)際使用中并無太大影響。
6．聲波的發(fā)射與傳播
超聲波液位計(jì)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，隨著探頭振動(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，使得探頭不能準(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)為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。
7．聲波強(qiáng)度的衰減
由于空氣對(duì)聲波的吸收，聲波在傳播過程中強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)衰減，這是受空氣粘性、熱傳導(dǎo)以及空氣分子的行為特性決定的。
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，反之亦然。
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