一、超聲波液位計原理(lǐ)及應用(yòng)
超聲波傳感器是實現聲、電轉換的(de)裝置，又稱超聲換能器或超聲波探頭。這(zhè)種裝置能發射超聲波和(hé)接收超聲波回波，并轉換成相應電信号。目前常見的(de)超聲波發射和(hé)接收器件的(de)标稱頻(pín)率一般爲 40kHz，頻(pín)率取得(de)太低，外界雜(zá)音(yīn)幹擾較多(duō)，太高(gāo)在傳播過程中衰減較大(dà)。按作用(yòng)原理(lǐ)不同，超聲波傳感器可(kě)分(fēn)爲壓電式、磁緻伸縮式、電磁式等數種，其中壓電陶瓷晶片制成的(de)換能器最爲常用(yòng)。在原理(lǐ)上利用(yòng)壓電陶瓷材料在電能與機械能之間相互轉換的(de)功能。
壓電陶瓷晶片傳感器一般采用(yòng)雙壓電陶瓷晶片制成，如圖1所示。需用(yòng)的(de)壓電材料較少，價格低廉且非常适用(yòng)于氣體和(hé)液體介質中。在壓電陶瓷片加有大(dà)小和(hé)方向不斷變化(huà)的(de)交流電壓時(shí)，據壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片産生機械變形，這(zhè)種機械變形的(de)大(dà)小和(hé)方向是于外加電壓的(de)大(dà)小和(hé)方向成正比的(de)。也(yě)就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻(pín)率爲 f 的(de)電壓脈沖，晶片就會産生同頻(pín)率的(de)機械振動。這(zhè)種機械振動推動空氣等媒質，便會發出超聲波。反之，如在壓電陶瓷晶片上有超聲波作用(yòng)，将會使其産生機械變形，這(zhè)種機械變形使壓電陶瓷晶片産生頻(pín)率與超聲波相同的(de)電信号。當在 A，B 間施加交流電壓時(shí)，若上片的(de)電場(chǎng)方向與極化(huà)方向相同，則下(xià)面的(de)方向相反，因此，上下(xià)一伸一縮，形成超聲波振動。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固有的(de)諧振頻(pín)率，即中心頻(pín)率 F0，發射超聲波時(shí)，加在其上面的(de)交變電壓頻(pín)率要與它的(de)固有諧振頻(pín)率一緻，接收超聲波時(shí)，作用(yòng)在它上面的(de)超聲機械波的(de)頻(pín)率也(yě)要與它的(de)固有諧振頻(pín)率一緻。這(zhè)樣，超聲波傳感器才有較高(gāo)的(de)靈敏度，當所用(yòng)壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的(de)幾何尺寸，就可(kě)以非常方便地改變其固有頻(pín)率。
超聲波傳感器由壓電陶瓷晶片、錐形諧振闆、底座、端子、金屬殼及金屬網構成。如圖2所示。其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的(de)核心，錐形諧振闆是發射和(hé)接收超聲波的(de)能量集中，并使傳感器有一定的(de)指向角。金屬殼可(kě)防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形諧振闆的(de)損害，金屬網也(yě)是起保護作用(yòng)的(de)，但不影(yǐng)響發射和(hé)接收超聲波。
超聲測距傳感器按其作用(yòng)距離可(kě)以分(fēn)爲大(dà)、中、小三種量程。其中，小量程探測距離小于2m，工作頻(pín)率在 60-300kHz 之間；中量程探測距離約爲 2-l0m，工作頻(pín)率在40-60kHz 之間；大(dà)量程探測距離約爲 20-50m，工作頻(pín)率處16-30kHz 之間。
超聲波傳感器是超聲波測距電路中的(de)重要元件，其性能優劣直接影(yǐng)響到測距準确度和(hé)可(kě)靠性。超聲波傳感器按收發方式可(kě)分(fēn)兩類：一類是發射和(hé)接收分(fēn)别是兩種不同的(de)分(fēn)體式超聲波傳感器，此類傳感器測距有效範圍比較大(dà)，但不具備防塵、防水(shuǐ)性能，如用(yòng)于發射的(de)CSB40T及用(yòng)于接收的(de) CSB40R。另一類是具有雙向的(de)發射/接收功能的(de)收發一體式超聲波傳感器，如 TR40-16，不僅用(yòng)于發射超聲波，也(yě)用(yòng)于接收超聲波，此類超聲波測距有效範圍比較小，防塵、防水(shuǐ)性能好。根據實際工作時(shí)所處的(de)環境的(de)要求，本系統所選用(yòng)的(de)超聲波傳感器爲分(fēn)體式超聲波傳感器 CSB40T，其中心頻(pín)率爲 40kHz。CSB40T探頭各項參數爲：頻(pín)率爲 40 kHz，阻抗 500，靈敏度爲 103dB(min)，帶寬在 -3dB 時(shí)爲 1.5K，角度最大(dà)值爲 (-6dB)，靜電容 200010%PF，最大(dà)驅動電壓 150Vp-p(10%工作周期)，回波靈敏度爲 -70dB(min)，聲壓電平 0dB=1uvolt/bar。
超聲流量計是近年來(lái)發展迅速的(de)流量計之一，和(hé)傳統的(de)流量計，如差壓流量計、轉子流量計、文丘裏流量計、渦街(jiē)流量計等相比，超聲波流量計有以下(xià)突出的(de)優點:
（1）采用(yòng)非接觸式測量，換能器安裝在渠道外壁而不與被測流體直接接觸，基本上不幹擾流場(chǎng)無壓力損失，是一種比較理(lǐ)想的(de)儀表。
（2）換能器形式多(duō)樣，可(kě)适合不同場(chǎng)合的(de)需要，除了(le)用(yòng)于測量水(shuǐ)、石油等一般導聲流體外，還(hái)可(kě)用(yòng)來(lái)測高(gāo)溫、高(gāo)壓、高(gāo)粘度、強腐蝕、非導電、易爆和(hé)放射性等導聲流體。
（3）通(tōng)用(yòng)性好，在可(kě)測範圍内，同一台流量計可(kě)測任何不同的(de)渠道。
（4）無可(kě)動部件，無磨損，使用(yòng)壽命長(cháng)，重量輕。
（5）安裝維修方便，不需要專門的(de)閥門等且不必中斷流體流動，不影(yǐng)響生産。
三、超聲波流量測量
1、流量的(de)定義
在流體的(de)流動中，具有某一定面積的(de)截面，把流過該截面的(de)體積或質量與時(shí)間之比稱爲流量。用(yòng)流體流過的(de)體積與時(shí)間之比來(lái)表示流量時(shí)，稱爲體積流量(或容積流量)。用(yòng)流體流過的(de)質量與時(shí)間之比來(lái)表示流量時(shí)，稱爲質量流量。
一般地說，流量的(de)測量對(duì)象就是流過管路或溝渠的(de)流體。在這(zhè)種情況下(xià)，我們來(lái)研究具有某個(gè)一定面積的(de)管路或溝渠的(de)截面，稱流過該截面的(de)流量爲流過該管路或溝渠的(de)流體流量。
2、流量測量方法
目前已投入使用(yòng)的(de)流量計超過了(le)100種，這(zhè)些流量測量儀表已成爲過程控制與檢測儀表中的(de)重要部分(fēn)。根據現代設備、現代控制及生産現場(chǎng)對(duì)流量檢測技術的(de)要求，流量測量方法可(kě)分(fēn)爲接觸式與非接觸式兩大(dà)類。
非接觸式是一種先進的(de)流量測量方法。非接觸式流量測量是借助于超聲波、射線、激光(guāng)等發展起來(lái)的(de)流量測量新技術，它通(tōng)過安裝在渠道兩側的(de)檢測裝置之間接感知信号。由于檢測元件不與被測流體直接接觸，所以克服了(le)傳統的(de)接觸法流量測量中存在的(de)問題。它不但可(kě)以提高(gāo)測量精度（因爲無節流壓力損失，不破壞原來(lái)流場(chǎng)）及儀表壽命（因爲檢測元件不受流體沖擊、磨蝕作用(yòng)），而且可(kě)以實現用(yòng)一套測量裝置來(lái)測量渠道系統多(duō)個(gè)部位的(de)流量，因而是一種具有廣泛發展與應用(yòng)前景的(de)先進的(de)流量測量方法。
四、結束語
超聲波流量計對(duì)流速無影(yǐng)響，也(yě)沒有壓力損失；能用(yòng)于任何液體，特别是具有高(gāo)黏度、強腐蝕，非導電性等性能的(de)液體的(de)流量測量，也(yě)能測量氣體的(de)流量；對(duì)于大(dà)口徑管道的(de)流量測量，不會因管徑大(dà)而增加投資；量程比較寬，可(kě)達5：1；輸出與流量之間呈線性等優點。
超聲波液位計原理(lǐ)及應用(yòng)/
返回首頁
加入收藏
聯系我們