「科普」超声波液位传感器的工作原理

　　超声波液位传感器是利用声波在液体中传播时的声功率与液位变化成正比的关系，从而反映液位的一种仪表。超声波在水中传播，其波长一般不大于1μ m,因而又称声速检测法。由于水相物质有一定结构及运动形式，而不是与其他流体作用产生或混合现象(水化效应)或有其他现象，故其测量必须满足一定条件。它既可用于测量液体高度又能用于测量固体高度和液面高度的传感器称为水相位计。

　　常用的超声波测温方法包括：一种基于反射现象的测温方法;测量液体密度、表面张力与液体压力之间关系式(以体积法);超声波测温和超声结合测温方式等。使用时，将检测仪器固定于地面，在适当距离发射声束脉冲信号给接收机(或接收器)并且通过其发出的高频超声波来实现检测。它不需要电能消耗，没有振动和噪音，其工作原理简单，而且对被测物体无伤害和污染。只要将探头套在液体表面(如瓶子、水)上并使其与液面之间形成一个电位差差即可测得此气体所处介质的液面高度和相应温度。超声波液位传感器是利用发射出去的超声波产生一定振动而被水化引起其吸收或散射以产生电磁场的原理进行测量的一种仪器(如测湿仪)。

　　1、工作原理

　　超声波液位传感器是一种先进的液体声学传感器，它的工作原理是利用声波在液体中传播时的声功率与液体体积成正比的关系来测定的水相液体的高度。超声波的传播速度取决于液体介质内的声波频率及液体密度和液体表面张力。

　　超声仪器由一套固定的发射系统、接收系统和显示系统组成。超声波超声波系统是一种多功能仪器，利用它发出超声波与液面产生的电信号进行信号处理和通讯与接收信号处理;利用计算机控制信号处理产生的差动信号来计算出液面高度和液位。当超声波遇到被测液体时就会受到一定程度地振动而被水化吸收或散射出，使液面产生电位差使气体吸收信号而改变声波方向;当流体产生漩涡后就会把声波扩散出去(因为其吸收率很低所产生的电位差对声波强度有决定性),从而造成声音强度改变。

　　声速又称声波速度或声速.声功率系数反映液体的声音强度。声速随声波速度及强度的大小而变化。不同种类的声波在水中所传递出来的信息是不同的，如声波传播速度很快而速度很慢，于是便有了频率概念;在超声波系统中只有声波源与传播介质接触而不与介质接触，从而造成了信息的传播距离小的特点导致超声波传感距离短(通常只有几十米)等局限性。

　　在较大介质内超声波液位传感器可直接测量出流体速度指标(通常采用液位表计)它能够利用超声波对测量原理进行工作原理分析并计算出仪器在液位或温度条件下测量出液体表面积，对水和蒸汽等物质也能实现测量作用而且测量精度很高而无需其它特殊仪器和设备;可广泛用于各种工作环境下液温、液流密度等物理参数以及液体流速等参数进行测量与测定等;并且还可以测量被测对象在一定范围内的高度和液面高度;也可用于生产车间内工作条件变化(温度高/低温)所决定的范围对各种化学试剂、食品液体也能进行测。适用于测不同种类和不同含量介质对水相位

　　2、测量介质

　　测量介质必须有足够的水化深度，即当有一定的水化速度时，液相浓度与液体体积之比也不能超过一定值过高。水化系数又称为液相壁厚，是指一定体积的液相体积与该体积的比值，常为1~2=4,3~5倍于表面积(液体表面),是表示溶液的厚度，也是表示液体在液面下存在的深度和液面高度。它和液面高度的关系式为：式中为液体密度 P;为膜厚;为表面张力 E= S/L; T为压力系数 Cl/K。其单位为 MPa;温度(℃);容积(L)。其中: C是表示温度与水中物质分子的体积(g); K是该物质在水中所受到的空气压力与水体积之比。温度系数 K,一般指为 K的比值，即为液体在水中所受外力之大小，它与所测液体容积有密切关系。实际应用中，由于被测介质与测量液体密度之间存在着某种差异性而引起液体液相流动，导致两种液相接触时形成液位差异，并能引起相应反应改变液面大小而确定液面高度的一种仪表。

　　一般情况下，将传感器安装在容器上即可得到液体表面平均高度;也可以用物体做反射进行测量而把液体密度计算为一份空气(或一滴水)。测量介质中的水分时，要求一定的温度和压力否则就不能使用。然而当液体出现以下状况时均可用超声波液位传感器检测：水中有气泡等;空气湿度与温度超过一定程度又可能影响超声波产生;有导电材料或其它物品(如油)在水中会形成气溶胶而影响温度;等等。因此根据实际应用要求确定测量介质是十分重要的一步!而且在测量过程中需要人工干预。常用的检测介质有液水、热水和氧气以及水垢等气体成分等物质，由于这些气体有水垢和气溶胶，又要与液体接触而在测量液位时将出现电火花甚至爆炸事故。因此选择合适的水相传感器是非常重要的。

　　3、工作精度与使用范围

　　超声波液位传感器测量精度高，并且没有电磁干扰，精度高，所以被广泛用于化工、石油、冶金、矿山、港口等行业。由于超声波液位传感器具有高精度，高稳定性及抗干扰能力强的特点，目前已广泛应用于各种仪表领域中。超声波液位传感器是一种自动化仪表，可以准确地检测出被检容器内的液体高度、固体高度和液面高度，它不仅能够作为液体高度的显示仪表，还可以用于各类工业管道中的液位传感器测量介质的液面位置和液面高度。对于液位仪表而言，其价格相对较高，但是它又能用于生产加工制造、维修等各种场合。另外在很多情况下，超声波液位传感器仍是一个独立存在的，这就给产品的销售提供了一定的保障，它是不可缺少且重要的一部分。生产中在很多场合它都是必不可少的一个关键环节，虽然价格低廉但产品质量却参差不齐，从而影响着产品质量和生产成本的控制。

　　4、测量结果的不一致性检验

　　在测量时，如果将探头从液位传感器上移到液面以上时，必须检验其在两个容器之间存在的电位差。如果测量不一致(如位移、体积等)时，就有可能会出现数据误差。一般情况下，这种电位差为零时其测量值与实际值有一定差距的现象称之为不一致性(Noise match)。如果是测量不一致的话，这种不一致性就可能会引起用户的误解并引起很多纠纷。

　　因此对于超声波液位传感器，在保证测量结果准确性的前提下也要尽可能降低使用条件下的测量误差。此外对于有腐蚀性液体以及气体等其他环境因素的检测还应考虑到对其操作所带来的影响。超声波液位传感器由于其结构简单、安装方便、精度高、维修方便，特别是能适用于对水相特性不很敏感(如悬浮液)、高温气体等工况下使用时更具有优越性，因此成为应用最为广泛的一种液位传感器。这种探头在液体中传播时会被介质吸收形成电位差然后散射到液面以上，因此需要对仪器进行一致性检验，以保证检测结果有效并可重复使用。