使用超声波进行物位测量的原理及方法

1.基本原理

声波可以在气体、液体、固体中传播，并具有一定的传播速度。声波在穿过介质时会被吸收而产生衰减，气体吸收最强衰减最大，液体次之，固体吸收最少衰减最小。声波在穿过不同介质的分界面时会产生反射，反射波的强弱决定于分界面两边介质的声阻抗，两种介质的声阻抗差别越大，反射波越强。声阻抗即为介质的密度与声速的乘积。所谓超声波一般是指频率高于可听频率极限（20kHz以上频段）的弹性振动，这种振动以波动的形式在介质中的传播过程就形成超声波。根据声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关系，就可以进行物位的测量。

应用超声波进行物位测量，首先要解决的问题是如何发射和接收超声波，这通常由超声波换能器来实现。目前应用最广泛的是压电式超声波换能器。压电式换能器产生超声波是基于某些晶体的压电效应及其可逆性能。

超声波类似于光波，具有反射、透射和折射的性质。当超声波入射到两种不同介质的分界面上时会发生反射、折射和透射现象，这就是应用超声技术测量物位最常用的一个物理特性。超声技术应用于物位测量中的另一特性是超声波在介质中传播时的声学特性（如声速、声衰减、声阻抗等）。

当声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种密度不同、声速不同的介质分界面上，传播方向便发生改变。即一部分被反射（反射角=入射角）；一部分折射到相邻介质内。如果两种介质的密度相差悬殊，则声波几乎全部被反射。因此，可以根据声波从发射至接收到反射回波的时间间隔与物位高度之间的关系，即可测得物位高度。

基本测量原理如图3-103所示，设超声探头至物位的垂直距离为H，由发射到接收所经历的时间为t，超声波在介质中传播的速度为v，则存在如下关系

对于一定的介质v是已知的，因此，只要测得时间t即可确定距离H，即得知被测物位高度。

图3-103 超声式物位计的测量原理

2.测量方法

实际应用中可以采用多种方法。根据传声介质的不同，有气介式、液介式和固介式；根据探头的工作方式，又有自发自收的单探头方式和收、发分开的双探头方式。它们相互组合就可得到不同的测量方法。

图3-104是超声波测量液位的几种基本方法。

图3-104a是液介式测量方法，探头固定安装在液体中最低液位处，探头发出的超声脉冲在液体中由探头传至液面，反射后再从液面返回到同一探头而被接收。液位高度与从发到收所用时间之间的关系仍可用式（3-139）来表示。

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图3-104 脉冲回波式超生波液位计的基本方案

图3-104b是气介式测量方法，探头安装在最高液位之上的气体中，式（3-139）仍然完全适用，只是v代表气体中的声速。

图3-104c是固介式测量方法，将一根传声的固体棒或管插入液体中，上端要高出最高液位，探头安装在传声固体的上端，式（3-139）仍然适用，但v代表固体中的声速。

图3-104d～f是一发一收双探头方式。图3-104d是双探头液介式方式，由图可见，若两探头中心间距为2a，声波从探头到液位的斜向路径为S，探头至液位的垂直高度为H，则有

而

图3-104e是双探头气介式方式，只要将v理解为气体中的声速，则上面关于双探头液介式的计算方法完全可以适用。

图3-104f是双探头固介式方式，它需要采用两根传声固体，超声波从发射探头经第一根固体传至液面，再在液体中将声波传至第二根固体，然后沿第二根固体传至接收探头。超声波在固体中经过2H距离所需的时间，将比从发到收的时间略短，所缩短的时间就是超声波在液体中经过距离d所需的时间，所以有

式中，v为固体中的声速；v_H为液体中的声速；d为两根传声固体之间的距离。

当固体和液体中的声速v、v_H已知，两根传声固体之间的距离d固定时，则可根据测得的t求得H。

图3-104a～c属于单探头工作方式，即该探头发射脉冲声波，经传播反射后再接收。由于发射时脉冲需要延续一段时间，故在该时间内的回波和发射波不易区分，这段时间所对应的距离称测量盲区（大约在1m）。探头安装时高出最高液面的距离应大于盲区距离，这是单探头工作方式应注意的。图3-104d～f属于双探头工作方式，由于接收与发射声由两探头独立完成，可以使盲区大为减小，这在某些安装位置较小的特殊场合是很方便的。

超声波测量物位有许多优点：它的探头可以不与被测介质接触，即可以做到非接触测量；可测范围较广，只要分界面的声阻抗不同，液体、粉末、块状的物体均可测量；安装维护方便，而且不需安全防护；它不仅能够定点连续测量物位，而且能够方便地提供遥测或遥控所需的信号。但缺点是探头本身不能承受高温，声速受介质温度、压力影响，有些介质对声波吸收能力很强，此方法受到一定限制。