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(zhì)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(zhì)的分界面時會產(chǎn)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(fā)射超聲波至接收發(fā)射回來的信號的時間間隔與分界面位置有關(guān)，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(fā)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(fā)射的超聲波在相界面被發(fā)射，并由接收器接收，測出超聲波從發(fā)射導(dǎo)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(zhì)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(fā)自收單探頭方式和收發(fā)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(xiàn)沸騰，引起反射混亂，產(chǎn)生測量誤差，因此在復(fù)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(fā)射器與接收器。

圖1 單探頭超聲波液位計

設(shè)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(zhì)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(zhì)，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(jù)聲速與溫度之間的關(guān)系計算出當(dāng)時的聲速，再根據(jù)H=c△t/2公式求出料位。

 

空氣中聲速c與溫度T之間的關(guān)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(fā)射、接收控制和數(shù)據(jù)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(jù)量程確定發(fā)射周期，輸出脈沖信號，此信號使發(fā)射電路發(fā)出一串高頻(10kHz-40kHz)電脈沖，經(jīng)功率放大后，加到探頭上，探頭發(fā)出的超聲波到達料面后，經(jīng)發(fā)射又回到探頭，探頭將接收到的超聲波能轉(zhuǎn)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(fā)射到接收所需的時間計時，同時測量現(xiàn)場環(huán)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(zhì)不接觸，無可動部件，傳播速度比較穩(wěn)定，對光線、介質(zhì)黏度、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)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(xù)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(jié)構(gòu)復(fù)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(yīng)進行溫度補償。