超聲波液位計測量方式研究與探討 五

1．3．2超聲波液位計的優點和局限性

與其它種類的液位計相比，超聲波液位計具有以下優點：

(1)非接觸式測量，超聲波換能器安裝在液面上方，不與被測介質接觸，可方便的測量腐蝕性、粘稠或有毒液體，避免被被測液體腐蝕或污損，免于維護。

(2)通用性好，液位計即可測量開渠液位，也可測量大型儲罐等的液體液位。安裝拆卸方便。

(3)適應性強，使用范圍廣，不受介質密度、介電常數、導電性等的影響，對被測液體的物理化學性質的適應性極強。

(4)適用于有毒、有腐蝕、高粘度的液體液位測量，彌補了其他液位計在此類惡劣測量環境中的不足。

(5)幾乎沒有機械可動部件，無磨損，使用壽命長，重量輕。換能器內的壓電元件以聲頻振動，振幅小，壽命長。

(5)穩定性好。

但是超聲波液位計也有其自身的局限性，主要表現在被測液體易揮發時，液面上方的空氣密度不均勻，會導致測量誤差較大；當被測液體液位有較大波浪時，易引起聲波反射混亂，產生誤差；另外，超聲波液位計測量液位時有無法避免的盲區，因此小距離測量比較困難。

1．3．3超聲波液位測量方法

目前，采用超聲波測量液位的方法很多，有聲波阻斷式、脈沖回波法、共振法、頻差法等連續液位測量方法，還有連續波阻抗式、連續波穿透式、脈沖反射式和脈沖穿透式等定點液位測量方法。

(1)聲波阻斷式是利用超聲波在氣體、液體和固體中被吸收而衰減的情況不同，來探測在超聲波探頭前方是否有液體或固體物料存在。當液位達到預定高度位置時，超聲波被阻斷，即可發出報警信號或進行限位控制。這種方式主要用于超聲波液位控制器中，也可用于運動體以及生產流水線上工件流轉等的計數和自動開門控制中。

(2)脈沖回波測距法是利用聲波在同一介質中有一定的傳播速度，而在不同密度的介質分界面處會產生反射，從而根據聲波從發射到接收到液面回波的時間間隔來計算液位。根據超聲波探頭的安裝位置不同，此方法又分為液介式、氣介式、固介式三種。

(a)液介式：超聲波發射探頭置于最低液位之下，聲波以被測液體為傳播介質，在液面發生反射；

(c)固介式：聲波經固體棒或金屬管傳播，經液面發射后再由固體棒傳回接收換能器接收。這種方式由于有一定的局限性，所以應用的較少。

上述脈沖回波法是以測量超聲脈沖在介質中傳播時間為基礎的，因此又稱時差法。除此之外還有以測量聲波衰減為基礎的。基于聲波傳播時差的脈沖回波法是應用最廣泛的連續液位測量方法之一。

(3)共振法測量液位的基本原理是通過調節超聲波的頻率，使得探頭和液面之間建立共振狀態，根據共振頻率和介質聲速計算出探頭至液面的距離。如果不知道聲速，也可利用某一固定距離時的共振，兩者比較，計算出探頭至液面的距離。

(4)頻差法是讓探頭發出調頻的長脈沖超聲波，即超聲波的頻率在脈沖寬度的時間范圍內隨時間成線性關系變化，從一個起始值逐漸變化到一最終值，每隔一個周期重復一次。當超聲波從探頭發出，傳播至液面再反射回探頭時，發射頻率已經變化到另一數值，接收信號的頻率(起始值)與這時發射信號的頻率之差就正比于從發射到接收所經過的時間。因而這個頻差與探頭至液面的距離成正比，從而計算出液位高度。

(5)連續波阻抗式定點液位測量利用一個處于諧振狀態的超聲波探頭連續發射超聲波，當探頭與氣體或液體接觸時，由于氣體和液體兩者的聲阻抗相差很大，所以發射電路中通過的電流相差也很大。根據這一原理，可以測定探頭前是氣體還是液體，從而得知液位是否達到了一定高度。

(6)連續波穿透式定點液位計是采用相對安裝的一發一收的雙探頭，由發射探頭連續發出連續的頻率較高的超聲波，僅當兩探頭之間有液體時，接收探頭才能接收到透射波，由此測知液位是否到達一定高度。

(7)脈沖反射式定點液位計是用自發自收的單探頭。當液位到達液面高度時，探頭發射的超聲脈沖通過液體傳播至對面的側壁再反射回來，探頭接收到反射信號，即可判斷液面位置。

(8)脈沖穿透式定點液位計在原理、探頭安裝和特點等方面與連續波穿透式定點液位計完全類似，只是用脈沖波代替了連續波。

相比之下，連續液位測量應用范圍更廣，因此，大多超聲波液位計都兼有連續測量和定點報警兩種功能。在上述幾種連續液位測量方法中，應用最多的是時差法，又因為氣介式安裝最能體現其非接觸測量的優勢，因此，超聲波液位計一般采用氣介式安裝。

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