超声波液位计测量方式研究与探讨 五

1．3．2超声波液位计的优点和局限性

与其它种类的液位计相比，超声波液位计具有以下优点：

(1)非接触式测量，超声波换能器安装在液面上方，不与被测介质接触，可方便的测量腐蚀性、粘稠或有毒液体，避免被被测液体腐蚀或污损，免于维护。

(2)通用性好，液位计即可测量开渠液位，也可测量大型储罐等的液体液位。安装拆卸方便。

(3)适应性强，使用范围广，不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，对被测液体的物理化学性质的适应性极强。

(4)适用于有毒、有腐蚀、高粘度的液体液位测量，弥补了其他液位计在此类恶劣测量环境中的不足。

(5)几乎没有机械可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。换能器内的压电元件以声频振动，振幅小，寿命长。

(5)稳定性好。

但是超声波液位计也有其自身的局限性，主要表现在被测液体易挥发时，液面上方的空气密度不均匀，会导致测量误差较大；当被测液体液位有较大波浪时，易引起声波反射混乱，产生误差；另外，超声波液位计测量液位时有无法避免的盲区，因此小距离测量比较困难。

1．3．3超声波液位测量方法

目前，采用超声波测量液位的方法很多，有声波阻断式、脉冲回波法、共振法、频差法等连续液位测量方法，还有连续波阻抗式、连续波穿透式、脉冲反射式和脉冲穿透式等定点液位测量方法。

(1)声波阻断式是利用超声波在气体、液体和固体中被吸收而衰减的情况不同，来探测在超声波探头前方是否有液体或固体物料存在。当液位达到预定高度位置时，超声波被阻断，即可发出报警信号或进行限位控制。这种方式主要用于超声波液位控制器中，也可用于运动体以及生产流水线上工件流转等的计数和自动开门控制中。

(2)脉冲回波测距法是利用声波在同一介质中有一定的传播速度，而在不同密度的介质分界面处会产生反射，从而根据声波从发射到接收到液面回波的时间间隔来计算液位。根据超声波探头的安装位置不同，此方法又分为液介式、气介式、固介式三种。

(a)液介式：超声波发射探头置于最低液位之下，声波以被测液体为传播介质，在液面发生反射；

(c)固介式：声波经固体棒或金属管传播，经液面发射后再由固体棒传回接收换能器接收。这种方式由于有一定的局限性，所以应用的较少。

上述脉冲回波法是以测量超声脉冲在介质中传播时间为基础的，因此又称时差法。除此之外还有以测量声波衰减为基础的。基于声波传播时差的脉冲回波法是应用最广泛的连续液位测量方法之一。

(3)共振法测量液位的基本原理是通过调节超声波的频率，使得探头和液面之间建立共振状态，根据共振频率和介质声速计算出探头至液面的距离。如果不知道声速，也可利用某一固定距离时的共振，两者比较，计算出探头至液面的距离。

(4)频差法是让探头发出调频的长脉冲超声波，即超声波的频率在脉冲宽度的时间范围内随时间成线性关系变化，从一个起始值逐渐变化到一最终值，每隔一个周期重复一次。当超声波从探头发出，传播至液面再反射回探头时，发射频率已经变化到另一数值，接收信号的频率(起始值)与这时发射信号的频率之差就正比于从发射到接收所经过的时间。因而这个频差与探头至液面的距离成正比，从而计算出液位高度。

(5)连续波阻抗式定点液位测量利用一个处于谐振状态的超声波探头连续发射超声波，当探头与气体或液体接触时，由于气体和液体两者的声阻抗相差很大，所以发射电路中通过的电流相差也很大。根据这一原理，可以测定探头前是气体还是液体，从而得知液位是否达到了一定高度。

(6)连续波穿透式定点液位计是采用相对安装的一发一收的双探头，由发射探头连续发出连续的频率较高的超声波，仅当两探头之间有液体时，接收探头才能接收到透射波，由此测知液位是否到达一定高度。

(7)脉冲反射式定点液位计是用自发自收的单探头。当液位到达液面高度时，探头发射的超声脉冲通过液体传播至对面的侧壁再反射回来，探头接收到反射信号，即可判断液面位置。

(8)脉冲穿透式定点液位计在原理、探头安装和特点等方面与连续波穿透式定点液位计完全类似，只是用脉冲波代替了连续波。

相比之下，连续液位测量应用范围更广，因此，大多超声波液位计都兼有连续测量和定点报警两种功能。在上述几种连续液位测量方法中，应用最多的是时差法，又因为气介式安装最能体现其非接触测量的优势，因此，超声波液位计一般采用气介式安装。

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