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超聲波液位計(jì)
聲波是一種機(jī)械波，是機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)總的傳播過程，當(dāng)振動(dòng)頻率在10~10000赫茲時(shí)候，可以引起人的聽覺，稱為聞聲波；更低頻率的機(jī)械波稱為次聲波；20000赫茲以上頻率的機(jī)械波為超聲波；作為物位檢測的，一般應(yīng)用在20000赫茲以上頻率的超聲波段內(nèi)。
1.檢測原理
超聲波用于物位檢測主要利用他的以下幾個(gè)性質(zhì)。
①超聲波能以各種傳播模式（縱波、橫波、表面波等）在氣體、液體及固體中傳播，也可以在光不能通過的金屬、生物總傳播，是探測物質(zhì)內(nèi)部的有效手段。
②聲波在介質(zhì)中傳輸時(shí)會(huì)被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小，因此對(duì)于一給定強(qiáng)度的聲波，在氣體中傳播的距離會(huì)明顯比在液體和固體中傳播的距離短。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也就越大，因此超聲波比其他聲波在傳播時(shí)衰減更明顯。
③聲波傳播時(shí)方向性隨聲波頻率的升高而變強(qiáng)，發(fā)射的聲束也越尖銳。超聲波可近似認(rèn)為直線傳播，具有很好的方向性。
④當(dāng)聲波由一種介質(zhì)向另一介質(zhì)傳播時(shí)，因?yàn)閮煞N介質(zhì)的密度不同和聲波在氣宗傳播的速度不同，在分界面上聲波會(huì)產(chǎn)生反射和折射；在聲波垂直入射時(shí)，如果兩種介質(zhì)的聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射，如聲波從液體或固體傳播到氣體，或由氣體傳播到液體或固體時(shí)。
聲波式物位檢測方法就是利用聲波的這種特性，通過測量聲波從發(fā)射到接收到物位界面所反射的回波的時(shí)間間隔來確定物位的高低。圖3-16是用超聲波檢測物位的原理圖。圖中超聲波發(fā)生器被置于容器底部，當(dāng)它向液面發(fā)射短促的脈沖是，在液面處產(chǎn)生反射，回波被超聲波接收器接收。若超聲波發(fā)生器和接收器（圖中探頭）到液面的距離為H ，聲波在液體中的傳播速度為u，則有如下簡單關(guān)系：
H=0.5ut
式中，t為超聲脈沖從發(fā)射到接收所經(jīng)過的時(shí)間，當(dāng)超聲波的傳播速度u為已知時(shí)，利用上式便可求得物位的量值。

2.超聲波換能器
超聲波換能器有稱探頭，它是實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射和接收的器件，目前應(yīng)用最廣泛的換能器是電-聲換能器，常見的是壓電晶體換能器，其原理如圖3-17所示。它是根據(jù)“壓電效應(yīng)”和“逆壓電效應(yīng)”原理實(shí)現(xiàn)電能-超聲能的相互轉(zhuǎn)換的。當(dāng)外力作用于晶體端面時(shí)，在其相對(duì)的兩個(gè)面商便產(chǎn)生異性電荷。用導(dǎo)線將兩端面上的電極連接起來，就會(huì)有電流流過。當(dāng)外力消失時(shí)，被中和的電荷有會(huì)立即分開，形成與原來相反的電流。若作用于晶體端面上的外力是交變的，這樣，一松一壓就可以產(chǎn)生交變電場。反之，將交變電壓加在晶體端面的電極上，便會(huì)沿著晶體厚度方向產(chǎn)生與所加變電壓同頻率的機(jī)械振動(dòng)，向附近介質(zhì)發(fā)射聲波。
換能器的核心是壓電晶體片，根據(jù)不同的需要，壓電晶體片的振動(dòng)方式有很多，如薄片的厚度振動(dòng)、縱片的長度振動(dòng)、橫片的長度振動(dòng)、圓片的徑向振動(dòng)、圓管的厚度、長度、徑向和扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲振動(dòng)等，其中以薄片厚度振動(dòng)用得最多。由于壓電晶體本身較脆，并因各種絕緣、密封、防腐蝕、阻抗匹配及防護(hù)不良環(huán)境的要求，壓電元件往往裝以殼體之內(nèi)而構(gòu)成探頭。超聲波換能器的探頭常用結(jié)構(gòu)，如圖3-18所示。該換能器探頭結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)頻率在幾百千赫茲以上，采用厚度振動(dòng)的壓電晶體片。
根據(jù)檢測原理知道，利用聲波特性，采用回聲測距的方法，測量的準(zhǔn)確性關(guān)鍵在于聲速u。由于聲波在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的密度有關(guān)，而密度是溫度和壓力的函數(shù)，因此，當(dāng)溫度和壓力發(fā)生變化時(shí)，聲速也要發(fā)生變化，而且影響比較大，從而使得距離無法測準(zhǔn)。所以在實(shí)際測量中，必須對(duì)聲速進(jìn)行校正，以保證測量精度。

3.超聲波法測量物位的特點(diǎn)
超聲波物位計(jì)有兩種類型：分體式--超聲波的發(fā)射和接收為兩個(gè)器件；一體式--超聲波的發(fā)射和接收為同一個(gè)器件，如圖3-9所示。
①檢測元件（探頭）可以不與被測介質(zhì)接觸，即可做到非接觸測量。
②可測范圍較廣，只要界面的聲阻抗不同，液體、粉末、塊體的物位都可以測量。
③可測量低溫介質(zhì)的物位，測量時(shí)可將發(fā)射器和接收器安裝在低溫槽的底部。
④由于此法構(gòu)成的儀表沒有可動(dòng)部件，而且探頭的壓電晶片振奮很小，所以儀表使用壽命長。
⑤缺點(diǎn)是探頭本身不能承受高溫，聲速受介質(zhì)的溫度、壓力影響，有些介質(zhì)對(duì)聲波的吸收能力很強(qiáng)，此法受到一定的限制。另外，電路復(fù)雜，造價(jià)較高。