超聲波液位計工作原理介紹及產品內部各單元框圖

超聲波液位計工作原理：超聲波在氣體、液體和固體中傳播，具有一定的傳播速度。超聲波在介質中傳播時會被吸收而衰減，在氣體中傳播的衰減***大，在固體中傳播的衰減***小。超聲波在穿過兩種不同介質的分界面時會產生反射和折射，對于聲阻抗差別較大的界面，幾乎為全反射。從發射超聲波至接收發射回來的信號的時間間隔與分界面位置有關，超聲波液位計正是利用超聲波的這一特點進行物位測量的。
 
超聲波液位計的發射器和接受器既可以安裝在容器底部，也可以安裝在容器的頂部，發射的超聲波在相界面被發射，并由接收器接收，測出超聲波從發射導接收的時間間隔，就可以測量物位的高低。


 
超聲波液位計按照傳聲介質不同，可分為固介式、氣介式和液介式3種，按探頭的工作方式可分為自發自收單探頭方式和收發分開的雙探頭方式。相互組合可以得到6種超聲波液位計。在實際測量中，有時液面會有氣泡、懸浮物、波浪或液體出現沸騰，引起反射混亂，產生測量誤差，因此在復雜情況下宜采用固介式液位計。圖1為單探頭超聲波液位計，它使用一個換能器，由控制電路控制，分時交替作發射器與接收器。

圖1 單探頭超聲波液位計
設超聲波到液面的距離為H，波的傳播速度為c，傳播時間間隔為△t ，則：H=c△t/2
 
要想通過測量超聲波傳播時間來確定物位，聲速c必須恒定。實際上聲速隨介質及其溫度變化而變化，為了準確地測量物位，對于一定的介質，必須對聲速進行校正。對于液介式的聲速校正的方法有校正具校正聲速法、固定標記校正聲速法和溫度校正聲速法。對于氣介式的聲速校正一般采用溫度校正法，即采用溫度傳感器測量出倉或罐的溫度，根據聲速與溫度之間的關系計算出當時的聲速，再根據H=c△t/2公式求出料位。
 
空氣中聲速c與溫度T之間的關系為：c=331.3+0.6T(m/s)
 
圖2為基于單片機的超聲波液位計的原理框圖，該物位計以單片機為核心，進行超聲波的發射、接收控制和數據處理，具有聲速補償功能及自動增益控制功能。



圖2  超聲波液位計原理框圖
單片機根據量程確定發射周期，輸出脈沖信號，此信號使發射電路發出一串高頻(10kHz-40kHz)電脈沖，經功率放大后，加到探頭上，探頭發出的超聲波到達料面后，經發射又回到探頭，探頭將接收到的超聲波能轉換成電信號，放大后，送單片機的中斷口。單片機對超聲波從發射到接收所需的時間計時，同時測量現場環境溫度，按公式H=c△t/2和公式c=331.3+0.6T(m/s)計算出探頭到料面的高度H，將料倉的高度減去H就可以得到料位的高度。
 
超聲波液位計測量液位時與介質不接觸，無可動部件，傳播速度比較穩定，對光線、介質黏度、濕度、介電常數、電導率和熱導率等不敏感，因此可以測量有毒、腐蝕性或高黏度等特殊場合的液位。超聲波液位計既可以連續測量和定點測量物位，也可以方便地提供遙測或遙控信號，還能夠測量高速運動或有傾斜晃動的液體液位，如置于汽車、飛機、輪船中的液位。但其結構復雜，價格昂貴，測量時對溫度比較敏感，溫度的變化會引起聲速的變化，因此為了保證超聲波液位計的測量精度，應進行溫度補償。


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