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  行业资讯
发掘超声波液位计
2012-2-4 8:32:50

大家知道在工业生产装置的检测和控制中,了解所需的仪器仪表工作原理,对选取合适的测量调节仪表是非常有帮助的.在当前工矿企业的物位测量控制中,除了选用

各种浮球液位计,压力变送器和差压变送器等等检测仪表外也常常选用超声波物位计,那么它是如何工作的呢?一般来说我们把声波频率超过20kHz的声波称

为超声波,超声波是机械波的一种,即是机械振动在弹性介质中的一种传播过程,它的特征是频率高、波长短、绕射现象小,另外方向性好,能够成为射线而定

向传播。超声波在液体、固体中衰减很小,因而穿透能力强,尤其是在对光不透明的固体中,超声波可穿透几十米的长度,碰到杂质或界面就会有显著的反射,

超声波物位计就是利用它的这一原理而工作的。在超声波检测技术中,不管那种超声波仪器,都必须把电能转换超声波发射出去,再接收回来变换成电信号,完

成这项功能的装置就叫超声波换能器,也被称作为探头。将超声波换能器置于被测液体或物位上方,向下发射超声波,超声波穿过空气介质,在遇到水面或物体

介面时被反射回来,然后被换能器所接收并转换为电信号,电子检测部分检测到这一信号后将其变成物位信号进行显示并输出标准信号,供其它仪表或控制装置

使用.由超声波在介质中传播原理可知,若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定,则超声波在该介质中传播速度是一个常数。因此,当测量出超声波由发射

到遇到物面或液面反射被接收所需要的时间,则可换算出超声波通过的路程,从而间接地测量出物位或者液位数据。


超声波的起初发明史

 自19世纪末到20世纪初,在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法,从此迅速揭开了发展与推广超声技术

的历史篇章。


 
  1922年,德国出现了首例超声波治疗的发明专利。


 
  1939年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道。


 
  40年代末期超声治疗在欧美兴起,直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上,才有了超声治疗方面的论文交流,为超声治疗学的发展奠定了基础。

1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表,超声治疗进入了实用成熟阶段。


这时1993年,美国物理学家发现超声波液位计工作原理 


   超声波液位计的工作原理是由换能器(探头)发出高频超声波脉冲遇到被测介质表面被反射回来,部分反射回波被同一换能器接收,转换成电信号。超声波脉冲以

声波速度传播,从发射到接收到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式

表示:S=CxT/2。


由于发射的超声波脉冲有一定的宽度,使得距离换能器较近的小段区域内的反射波与发射波重迭,无法识别,不能测量其距离值。这个区域称为测量盲区。盲区的

大小与超声波物位计的型号有关。

超声波的测距原理


超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间,根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实

际距离。由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。


测距的公式表示为:L=C×T


式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。


超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量,虽然目前的测距量程上能达到百米,但测量的精度往往只能达到厘米数量级。


由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点,是作为液体高度测量的理想手段。在精密的液位测量中需要达到毫米

级的测量精度,但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因,提高测量时间差到微秒级,以及用

LM92温度传感器进行声波传播速度的补偿后,我们设计的高精度超声波测距仪能达到毫米级的测量精度。

特点 


   因为采用了提高前辈的微处理器和独特的EchoDiscovery回波处理技术,超声波物位计可以应用于各种复杂工况。换能器内置温度传感器,可实现丈量值的温度补偿。 


  超声波换能器采用最佳声学匹配之专利技术,使其发射功率能更有效地辐射出去,进步信号强度,从而实现正确丈量。


超声波液位计/物位计 安装要求。


安装要求: 


  换能器发射超声波脉冲时,都有一定的发射开角。从换能器下缘到被测介质表面之间,由发射的超声波波束所辐射的区域内,不得有障碍物,因此安装时应尽可能

避开罐内举措措施,如:人梯、限位开关、加热设备、支架等。 另外须留意超声波波束不得与加料料流相交。 


  安装仪表时还要留意:最高料位不得进入丈量盲区;仪表距罐壁必需保持一定的间隔;仪表的安装尽可能使换能器的发射方向与液面垂直。


根据超声波测距公式L=C×T,可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。


时间误差


当要求测距误差小于1mm时,假设已知超声波速度C=344m/s (20℃室温),忽略声速的传播误差。测距误差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。


在超声波的传播速度是准确的前提下,测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级,就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12MHz晶体作时钟基准的

89C51单片机定时器能方便的计数到1μs的精度,因此系统采用89C51定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。
 

超声波传播速度误差


超声波的传播速度受空气的密度所影响,空气的密度越高则超声波的传播速度就越快,而空气的密度又与温度有着密切的关系

已知超声波速度与温度的关系如下:

式中: r —气体定压热容与定容热容的比值,对空气为1.40,


R —气体普适常量,8.314kg·mol-1·K-1,


M—气体分子量,空气为28.8×10-3kg·mol-1,


T —绝对温度,273K+T℃。


近似公式为:C=C0+0.607×T℃


式中:C0为零度时的声波速度332m/s;


T为实际温度(℃)。


对于超声波测距精度要求达到1mm时,就必须把超声波传播的环境温度考虑进去。例如当温度0℃时超声波速度是332m/s, 30℃时是350m/s,温度变化引起的

超声波速度变化为18m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m,测量1m误差将达到5mm。