超聲波液位計(jì)原理
超聲波液位計(jì)/物位計(jì) 的測(cè)量原理、特點(diǎn)
1 測(cè)量原理
原理
超聲波物位計(jì)的工作原理是由換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測(cè)介質(zhì)表面被反射回來(lái)，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時(shí)間間隔與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。此距離值S與聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S=CxT/2。
由于發(fā)射的超聲波脈沖有一定的寬度，使得距離換能器較近的小段區(qū)域內(nèi)的反射波與發(fā)射波重迭，無(wú)法識(shí)別，不能測(cè)量其距離值。這個(gè)區(qū)域稱為測(cè)量盲區(qū)。盲區(qū)的大小與超聲波物位計(jì)的型號(hào)有關(guān)。
特點(diǎn)
由于采用了*的微處理器和*的EchoDiscovery回波處理技術(shù)，超聲波物位計(jì)可以應(yīng)用于各種復(fù)雜工況。換能器內(nèi)置溫度傳感器，可實(shí)現(xiàn)測(cè)量值的溫度補(bǔ)償。
超聲波換能器采用*聲學(xué)匹配之技術(shù)，使其發(fā)射功率能更有效地輻射出去，提高信號(hào)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。
超聲波液位計(jì)/物位計(jì) 安裝要求。
安裝要求：
換能器發(fā)射超聲波脈沖時(shí)，都有一定的發(fā)射開角。從換能器下緣到被測(cè)介質(zhì)表面之間，由發(fā)射的超聲波波束所輻射的區(qū)域內(nèi)，不得有障礙物，因此安裝時(shí)應(yīng)盡可能避開罐內(nèi)設(shè)施，如：人梯、限位開關(guān)、加熱設(shè)備、支架等。 另外須注意超聲波波束不得與加料料流相交。
安裝儀表時(shí)還要注意：zui高料位不得進(jìn)入測(cè)量盲區(qū)；儀表距罐壁必須保持一定的距離；儀表的安裝盡可能使換能器的發(fā)射方向與液面垂直。
超聲波測(cè)距原理
超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。
測(cè)距的公式表示為：L=C×T
式中L為測(cè)量的距離長(zhǎng)度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。
超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。
由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。
超聲波測(cè)距誤差分析
根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。
時(shí)間誤差
當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。
在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。
超聲波傳播速度誤差
超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，如表1所示。
已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：
式中： r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為1.40，
R —氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，
M—氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，
T —溫度，273K+T℃。
近似公式為：C=C0+0.607×T℃
式中：C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s；
T為實(shí)際溫度(℃)。
對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5mm。
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