一、超聲波液位計(jì)原理及應(yīng)用
超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱超聲換能器或超聲波探頭。這種裝置能發(fā)射超聲波和接收超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)。目前常見(jiàn)的超聲波發(fā)射和接收器件的標(biāo)稱頻率一般為 40kHz，頻率取得太低，外界雜音干擾較多，太高在傳播過(guò)程中衰減較大。按作用原理不同，超聲波傳感器可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等數(shù)種，其中壓電陶瓷晶片制成的換能器最為常用。在原理上利用壓電陶瓷材料在電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的功能。
壓電陶瓷晶片傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成，如圖1所示。需用的壓電材料較少，價(jià)格低廉且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷片加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向是于外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f 的電壓脈沖，晶片就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)。這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒質(zhì)，便會(huì)發(fā)出超聲波。反之，如在壓電陶瓷晶片上有超聲波作用，將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲波相同的電信號(hào)。當(dāng)在 A，B 間施加交流電壓時(shí)，若上片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固有的諧振頻率，即中心頻率 F0，發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓頻率要與它的固有諧振頻率一致，接收超聲波時(shí)，作用在它上面的超聲機(jī)械波的頻率也要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲波傳感器才有較高的靈敏度，當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可以非常方便地改變其固有頻率。
超聲波傳感器由壓電陶瓷晶片、錐形諧振板、底座、端子、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成。如圖2所示。其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形諧振板是發(fā)射和接收超聲波的能量集中，并使傳感器有一定的指向角。金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形諧振板的損害，金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射和接收超聲波。
超聲測(cè)距傳感器按其作用距離可以分為大、中、小三種量程。其中，小量程探測(cè)距離小于2m，工作頻率在 60-300kHz 之間；中量程探測(cè)距離約為 2-l0m，工作頻率在40-60kHz 之間；大量程探測(cè)距離約為 20-50m，工作頻率處16-30kHz 之間。
超聲波傳感器是超聲波測(cè)距電路中的重要元件，其性能優(yōu)劣直接影響到測(cè)距準(zhǔn)確度和可靠性。超聲波傳感器按收發(fā)方式可分兩類：一類是發(fā)射和接收分別是兩種不同的分體式超聲波傳感器，此類傳感器測(cè)距有效范圍比較大，但不具備防塵、防水性能，如用于發(fā)射的CSB40T及用于接收的 CSB40R。另一類是具有雙向的發(fā)射/接收功能的收發(fā)一體式超聲波傳感器，如 TR40-16，不僅用于發(fā)射超聲波，也用于接收超聲波，此類超聲波測(cè)距有效范圍比較小，防塵、防水性能好。根據(jù)實(shí)際工作時(shí)所處的環(huán)境的要求，本系統(tǒng)所選用的超聲波傳感器為分體式超聲波傳感器 CSB40T，其中心頻率為 40kHz。CSB40T探頭各項(xiàng)參數(shù)為：頻率為 40 kHz，阻抗 500，靈敏度為 103dB(min)，帶寬在 -3dB 時(shí)為 1.5K，角度最大值為 (-6dB)，靜電容 200010%PF，最大驅(qū)動(dòng)電壓 150Vp-p(10%工作周期)，回波靈敏度為 -70dB(min)，聲壓電平 0dB=1uvolt/bar。
超聲流量計(jì)是近年來(lái)發(fā)展迅速的流量計(jì)之一，和傳統(tǒng)的流量計(jì)，如差壓流量計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、渦街流量計(jì)等相比，超聲波流量計(jì)有以下突出的優(yōu)點(diǎn):
（1）采用非接觸式測(cè)量，換能器安裝在渠道外壁而不與被測(cè)流體直接接觸，基本上不干擾流場(chǎng)無(wú)壓力損失，是一種比較理想的儀表。
（2）換能器形式多樣，可適合不同場(chǎng)合的需要，除了用于測(cè)量水、石油等一般導(dǎo)聲流體外，還可用來(lái)測(cè)高溫、高壓、高粘度、強(qiáng)腐蝕、非導(dǎo)電、易爆和放射性等導(dǎo)聲流體。
（3）通用性好，在可測(cè)范圍內(nèi)，同一臺(tái)流量計(jì)可測(cè)任何不同的渠道。
（4）無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)磨損，使用壽命長(zhǎng)，重量輕。
（5）安裝維修方便，不需要專門的閥門等且不必中斷流體流動(dòng)，不影響生產(chǎn)。
三、超聲波流量測(cè)量
1、流量的定義
在流體的流動(dòng)中，具有某一定面積的截面，把流過(guò)該截面的體積或質(zhì)量與時(shí)間之比稱為流量。用流體流過(guò)的體積與時(shí)間之比來(lái)表示流量時(shí)，稱為體積流量(或容積流量)。用流體流過(guò)的質(zhì)量與時(shí)間之比來(lái)表示流量時(shí)，稱為質(zhì)量流量。
一般地說(shuō)，流量的測(cè)量對(duì)象就是流過(guò)管路或溝渠的流體。在這種情況下，我們來(lái)研究具有某個(gè)一定面積的管路或溝渠的截面，稱流過(guò)該截面的流量為流過(guò)該管路或溝渠的流體流量。
2、流量測(cè)量方法
目前已投入使用的流量計(jì)超過(guò)了100種，這些流量測(cè)量?jī)x表已成為過(guò)程控制與檢測(cè)儀表中的重要部分。根據(jù)現(xiàn)代設(shè)備、現(xiàn)代控制及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)流量檢測(cè)技術(shù)的要求，流量測(cè)量方法可分為接觸式與非接觸式兩大類。
非接觸式是一種先進(jìn)的流量測(cè)量方法。非接觸式流量測(cè)量是借助于超聲波、射線、激光等發(fā)展起來(lái)的流量測(cè)量新技術(shù)，它通過(guò)安裝在渠道兩側(cè)的檢測(cè)裝置之間接感知信號(hào)。由于檢測(cè)元件不與被測(cè)流體直接接觸，所以克服了傳統(tǒng)的接觸法流量測(cè)量中存在的問(wèn)題。它不但可以提高測(cè)量精度（因?yàn)闊o(wú)節(jié)流壓力損失，不破壞原來(lái)流場(chǎng)）及儀表壽命（因?yàn)闄z測(cè)元件不受流體沖擊、磨蝕作用），而且可以實(shí)現(xiàn)用一套測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量渠道系統(tǒng)多個(gè)部位的流量，因而是一種具有廣泛發(fā)展與應(yīng)用前景的先進(jìn)的流量測(cè)量方法。
四、結(jié)束語(yǔ)
超聲波流量計(jì)對(duì)流速無(wú)影響，也沒(méi)有壓力損失；能用于任何液體，特別是具有高黏度、強(qiáng)腐蝕，非導(dǎo)電性等性能的液體的流量測(cè)量，也能測(cè)量氣體的流量；對(duì)于大口徑管道的流量測(cè)量，不會(huì)因管徑大而增加投資；量程比較寬，可達(dá)5：1；輸出與流量之間呈線性等優(yōu)點(diǎn)。
超聲波液位計(jì)原理及應(yīng)用http://www.wzlawxsbh.com/
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