（检测技术与自动化装置专业论文）超声波液位计的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号t h 8 1 6 2学科分类号 4 6 0 4 0 论文编号1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 4 8 2密级公开 学位授予单位代码1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 刘艳艳学号 2 0 0 4 0 0 0 4 8 2 获学位专业名称 检测技术与自动化装置获学位专业代码 0 8 1 1 0 2 课题来源自选项目研究方向新型传感器 论文题目超声波液位计的研究 关键词 超声波液位计，探头，声速校正，参考挡板，单片机 论文答辩日期2 0 0 7 1 2 2宰论文类型 3 开发研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称 工作单位学科专长 指导教师 莫德举教授 北京化工大学 传感技术及流量测量 教授级 评阅人1任鸿威 北京化工研究院化工自动化及仪表 高工 评阅人2林伟国副教授北京化工大学 传感技术与机器人研究 评阅人3程杰高工北京化工大学 串行通讯与仿真技术 评阅人4 评阅人5 教授级 答辩委员会筛任鸿威北京化工研究院 化工自动化及仪表 高工 答辩委员1林伟国副教授北京化工大学 传感技术与机器人研究 答辩委员2程杰高工北京化工大学 串行通讯与仿真技术 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类- 9 代码中查 询 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 摘要 超声波液位计的研究 摘要 目前市场上的超声波液位计品种多样，大多采用温度补偿方法对超声 波传播速度进行校正，以提高仪表测量精度。此方法需在系统外加一个温 度测量单元，通过测量环境温度，获得实际声速；由此也引进了温度测量 误差，从而限制了系统精度的进一步提高。 课题设计了一种利用参考声速法实现声速校正的超声液位测量系统。 设计中采用气介测量方式，将一个反射性能良好的参考挡板固定在超声波 探头与液面之间距离一定的位置，通过测量挡板回波的时间，实现精确的 声速校正；并用单片机双定时器对挡板反射回波和液面反射回波进行精确 计时，从而大大提高了液位测量精度。此系统不但继承了传统超声波液位 计的优点，而且由于无需采集环境温度，避免了由于测温误差引起的系统 误差，还简化了系统结构，降低了生产成本，进一步提高了系统精度。 论文研究了设置参考挡板进行声速校正的特点，通过理论分析，得出 了探头安装角度、安装距离、挡板安装位置、挡板大小与测量量程之间的 关系，及其对测量结果的影响，并通过实验进行了验证。 系统选用a t 8 9 s 5 2 型单片机作为系统控制核心，以超声波测距原理为 理论依据，完成对液体液位的连续测量、实时液位数据显示和远程通讯等 功能。课题研究中完成了软硬件设计，对系统进行了整体调试，对理论推 导进行了很好的验证。这种新型声速校正方法相对于传统的温度补偿方 北京化t 大学硕七学位论文 法，性能更加优越，是今后超声液位测量的发展方向，具有广阔的发展前 景。 关键词：超声波液位计，探头，声速校正，参考挡板，单片机 l l 摘要 s t u d yo nu i j r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e r a b s t r a c t t o d a y , t h eu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e r sa r ed i v e r s i f o r m m o s to ft h e m u s et h ei n s t r u m e n to ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nt oo b t a i nt h er e a lu l t r a s o n i c v e l o c i t y i no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n b u ti tn e e d sa t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tu n i t ，s ot h ee r r o ri sa d d e d i nt h i st h e s i s ，an e w w a yo fu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t ，w h i c hi s b a s e do nt h ec o m p e n s a t i o no fu l t r a s o n i cv e l o c i t yb yab a f f l er e f l e c t i n gt h e u l t r a s o n i c ，i ss t u d i e d i ti st i m e dt h a tt h eu l t r a s o n i ct r a n s m i t t e db ya t 8 9s e r i e s s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r t h el i q u i dl e v e lc a nb em e a s u r e de x a c t l yb yt h i s k i n do fi n s t r u m e n t i th a sa d v a n t a g e sa st h ef o r m e rm e t e r s ，a n ds i m p l i f i e st h e s y s t e m ，i m p r o v e st h ep r e c i s i o na n dr e d u c e st h ec o s t t h ec h a r a c t e r i s t i co fu l t r a s o n i c v e l o c i t yc o m p e n s a t i o nb y ab a f f l e r e f l e c t i n gt h eu l t r a s o n i ci ss t u d i e di nt h i st h e s i s a n di ti st a l k e dw h e r ea n d h o wt h eu l t r a s o n i cs e n s o ra n dt h eb a f f l ea r ei n s t a l l e d ，a n dw h e t h e rt h e yw o u l d a f f e c tt h em e a s u r e m e n tr e s u l t i nt h es y s t e m ，a t 8 9 s 5 2s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc o n t r o l st h ee n t i r e s y s t e mw h i c hb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cr e f l e c t i n go nb a r r i e r i tc a n m e a s u r et h el i q u i dl e v e l ，d i s p l a yt h ed a t aa n di m p l e m e n tc o m m u n i c a t i o n i l i 北京化工大学硕：1 ：学位论文 f u n c t i o n i nt h es t u d y ，i ta c c o m p l i s h e st h ed e s i g ni nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，i n a d d i t i o nt h es y s t e md e b u g g i n g t h i sk i n do fu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e rw i l l a p p l yw i d e l ya n dh a v eab r i g h tf u t u r e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cl i q u i d l e v e l m e t e r , s e n s o r , u l t r a s o n i cv e l o c i t y c o m p e n s a t i o n ，b a f f l e ，m i c r o c o m p u t e r i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 液位测量的意义一1 1 2 液位计的分类1 1 3 超声波液位计概况5 1 3 1 国内外超声波液位计的历史、现状与发展5 1 - 3 2 超声波液位计的优点和局限性6 1 3 3 超声波液位测量方法6 1 4 课题的主要任务8 第二章时差法超声波液位计的工作原理 2 1 超声波1 1 2 2 超声波换能器1 3 2 2 1 基本原理：一1 4 2 2 2 超声换能器的主要参数1 5 2 3 时差法超声波液位计的基本原理1 6 2 3 1 环境对声速的影响一1 7 2 3 2 超声波的衰减一1 9 第三章超声波液位计的整体设计2 1 3 1 超声波液位计系统结构2 1 3 2 探头和参考挡板的安装方式2 2 3 3 硬件电路3 6 3 3 1 发射电路的设计一3 6 3 3 2 接收电路的设计3 7 3 3 3 显示电路。4 0 3 3 4 远程通讯接口设计一4 1 3 4 系统供电设计4 2 3 4 1 双电切换4 3 3 4 22 2 0 v a c 供电变压设计4 3 v 北京化| t 火学硕f j 学位论文 3 4 3 各器件供电设计4 4 第四章超声波液位测量系统的软件实现4 7 4 1 单片机的选取4 7 4 1 1 单片机中断功能4 8 4 1 2 定时器计数器工作方式的设定。4 9 4 1 3 单片机的节电模式5 1 4 2 系统软件设计5 1 4 2 1 系统主程序5 2 4 2 2 测量子程序5 3 4 2 3 通讯子程序5 5 第五章实验结果与误差分析”5 7 5 1 发射电路的调试5 7 5 2 实验数据5 7 5 3 误差分析5 9 第六章结论与展望一6 1 6 1 结论6 1 6 2 展望6 2 参考文献一6 3 致 射”6 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文6 9 作者与导师简介7 1 v i 目录 c o n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 】【1t h es i g n i f i c a n c eo f l i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t 1 1 2t h et y p e so f l i q u i dl e v e lm e t e r 。1 1 3u l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e rc u r r e n ts t a t u s 5 1 3 1t h eh i s t o r y , a c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e ri n s i d e a n do u t s i d et h ec o u n t r y 5 1 3 2t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e r 6 1 3 3u l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t 6 1 4t h e p r i m a r yt a s ki nt h es t u d y 8 c h a p t e r2t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e rb yt i m e d i f f e r e n c em o d e 1 1 2 1u l t r a s o n i ci n t r o d u c t i o n 1 1 2 2u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r ：1 3 2 2 1o p e r a t i n gp r i n c i p l e 1 4 2 2 2 t h e m o s t p a r a m e t e r o f u l t r a s o n i c t r a n s d u c e r 1 5 2 3t h e o p e r a t i n gp r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e rb yt i m ed i f f e r e n c e m o d e 1 6 2 3 1e n v i r o n m e n ti n f l u e n c i n gu l t r a s o n i ct r a n s m i t v e l o c i t y 1 7 2 3 2t h ea t t e n u a t i o no fu l t r a s o n i c 1 9 c h a p t e r3t h ew h o l ep r o j e c to f u l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e r 2 1 3 1t h ec o n f i g u r a t i o no fu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e lm e t e r 2 1 3 2t h ei n s t a l l a t i o nm o d eo f t r a n s d u c e ra n db a f f l e 2 2 3 3h a r d w a r ec i r c u i t 3 6 3 3 1t r a n s m i tc i r c u i t 3 6 3 3 2e c h oc i r c u i t 3 7 3 3 3d i s p l a yc i r c u i t 4 0 3 3 4c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ec i r c u i t 4 1 3 4p o w e r s u p p l y 4 2 3 4 1a c d ct r a n s f e r 4 3 v l l 北京化t 大学硕l ：学位论文 3 4 22 2 0 v a cp o w e r s u p p l yt r a n s f o r m a t i o n 4 3 3 4 3p o w e rs u p p l yf o rp a r t s 4 4 c h a p t e r4 t h e p r o g r a mo fu l t r a s o n i cl i q u i dl e v e l m e a s u r e m e n t s y s t e m 4 7 4 1s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc h o i c e 4 7 4 1 1t h ei n t e r m i tf u n c t i o no f s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 4 8 4 1 2w o r k i n gm o d e 4 9 4 1 3t h es p a r em o d eo fs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r 5 1 4 2s o f t w a r ep r o g r a m 5 1 4 2 1m a i np r o g r a m 5 2 4 2 2m e a s u r es u b p r o g r a m 5 3 4 2 3c o m m u n i c a t i o n s u b p r o g r a m 5 5 c h a p t e r5e x p e r i m e n te f f e c ta n de r r o ra n a l y s i s 5 7 5 1t r a n s m i tc i r c u i td e b u g g i n g 5 7 5 2e x p e r i m e n td a t a 5 7 5 3e r r o r a n a l y s i s 5 9 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 1 6 1c o n c l u s i o n 6 【 6 2p r o s p e c t 6 2 r e f e r e n c el i t e r a t u r e 6 3 a c k n o w l e d g m e n t 6 7 d i s q u i s i t i o np u b l i s h e di ns t u d y 6 9 a u t h o rb r i e fi n t r o d u c t i o n 7 1 v i i i 第一章绪论 1 1液位测量的意义 第一章绪论 工业生产中，常常需要测量容器内的液体液位。在一般的生产过程中，液位测量 的目的主要是通过液位测量来确定容器里的原料、半成品或产品的数量，以保证生产 过程各环节物料平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据；另外还为了在连续生产的 情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，从而维持正常生产、保证产 品的产量和质量以及保证安全生产。液位测量在工业生产过程中的作用相当重要。随 着各行业的快速发展，液位测量已应用到越来越多的领域，不仅用于各种容器、管道 内液体液位的测量，还用于水渠、水库、江河、湖海水位的测量。【1 2 】 目前无论是开渠水位的测量、大型油罐液位的测量，还是小型容器液位的测量， 或者其他液位系统的测量，都对测量精度提出了越来越高的要求。例如，石化部门使 用的大型储油罐容量一般在1 0 0 0 一1 0 0 0 0 0 m 3 之间，很小的测量误差都将造成很大的绝 对误差，因此提高液位测量的精度，不仅对储油罐的测量有很重要的意义，在其他液 位测量系统中，也处于越来越重要的地位。1 3 叫 近年来，随着电子技术和信号处理技术的迅速发展，液位测量仪表中的测量技术 经历了由机械向机电一体化再到自动化的发展过程。结合这两大技术，尤其是将微处 理器引进液位测量系统，使得液位计的精度越来越高，越来越向智能化、一体化、小 型化的方向发展。在实际应用中，可根据需要选择合适的液位计，满足测量精度、测 量环境等多方面的要求。 1 2 液位计的分类 经过不断的努力和探索，科技工作者已开发出了种类繁多、各具特色的液位仪表。 尤其是近二十年来，随着微处理器的引入，测量仪表更是发生了革命性的变化。液位 计的量程从几米到几十米，测量精度亦大大提高【5 1 。根据液位测量所涉及的液体存储 容器、被测介质以及工艺过程的不同，液位计类型的选用也不同。在进行液位测量前， 必须充分了解液位测量的工艺特点，以此作为液位计设计过程中的参考因素。 早期的液位测量仪表大多采用机械原理，通过测量某些物理参数，达到液位测量 的目的1 6 j 。随着工业自动化的发展，发展了许多新的测量原理，一批具有智能控制功 能、可实现非接触测量、精度高、稳定性好的液位计相继问世，并应用到越来越多的 工业测量领域，如基于超声波、雷达、光纤等技术的液位测量仪i 列。根据工作原理的 不同液位计可分为如下几种i 孓飞 ( 1 ) 直读液位计，如图1 - 1 所示。其中，1 被测容器；2 - 玻璃管；3 标尺；4 、5 一 北京化t 大学硕j ：学位论文 阀；6 、7 连通管。 74 图1 - 1 直读式液位测量方法 f i g 1 - 1l i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tb yh a n d 直读式液位测量方法直接用与被测容器连通的玻璃管或玻璃板来显示容器中的 液位高度，它是最原始但仍应用较多的一种液位测量仪表；另外，利用浸入式刻度钢 皮尺直接测量液位高度的人工检尺法也是应用较广泛的液位计量方法，尤其是在大型 油罐储油量的测量中，也可把它用作现场检验其他测量仪表的参考手段。其精度一般 为2 r a m 的人为误差。此种方法有测量简单、直观、成本低的优点，但测量量程有限， 且不适于恶劣环境中的测量。 ( 2 ) 浮子液位计，如图1 2 所示。其中，1 浮球；2 连杆；3 转轴；4 平衡重；5 杠杆。 筵 图1 - 2 浮子式液位测量方法( 内、外浮球方式) f i g l 2l i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tb yf l o a t e r 利用浮子的比重比所测液体的比重稍小的特点，使浮子漂在液面上并随液面的升 高或下降来反映液位，它也是一种应用最早并且应用范围很广的液位测量仪表；将浮 子用一条多孔钢带连接至一个恒转矩装置或平衡锤上，由浮子的重量带动多孔钢带通 过齿轮装置推动机械计数器作现场显示，还可连接电动变送器，获得远距离显示。由 于滑轮机械装置的摩擦力和铆带重量，测量误差一般约为( 4 一l o ) m m 。 ( 3 ) 静压液位计，如图1 3 所示。其中，1 过滤器；2 减压阀；3 节流元件；4 转 子流量计；5 变送器。 2 第一章绪论 气 图1 - 3 静压式液位测量方法 f i g 1 - 3l i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n tb yp r e s s u r ed i f f e r e n c e 利用液柱对某定点产生压力，测量该定点压力或测量该点与另一参考点的压差而 间接测量液位的仪表；主要应用于测量精度要求不高的场合。 ( 4 ) 电磁液位计 这种测量方式是将液位的变化转换为电量的变化，从而对液位进行间接测量，如 电容式、电感式和电阻式液位计等。 电容式液位测量原理如图1 - 4 所示。 图1 4 a 非导电液体电容式测量原理图l - 4 b 导电液体电容式测量原理 f i g 1 - 4 ac a p a c i t a n c em e a s u r e m e n tp r i n c i p l ef i g 1 _ 4 bc a p a c i t a n c em e a s u r e m e n tp r i n c i p l e f o re l e c t r i ci n s u l a t i o nl i q u i df o re l e c t r i cl i q u i d 图1 4 中，电容由两块同心的圆柱面极板组成，电容式液位测量是根据电容量与 被测液体和气相介质的相对介电常数、电容传感器浸入液体的深度、电容传感器垂直 高度、内外极板圆柱底面半径之间的关系，由已知的其他数值得出所测液位高度值。 电容式液位计价格低，安装容易，且可以应用于高温、高压的场合。但电容液位计测 量重复精度较低，需定期维修和重新标定，工作寿命也不长。 电阻式液位测量方法特别适用于导电液体。敏感器件具有电阻特性，其电阻值随 液位的变化而变化，因此将电阻变化值传送给二次电路即得到液位高度值。 电感式液位测量方法同样适用于导电液体的液位测量，特别是液态金属。其原理 是：液位变化使得电感元件的自感、互感或导磁率发生变化，故将该变化量送往二次 3 北京化工大学硕上学位论文 电路即可得到相应的液位数值。电感式测量应用最广泛的是高频液位计。该液位计的 测量原理是，频率调制信号通过射频电缆耦合到传输线传感器谐振回路，谐振回路的 输出电压经过检波电路和射频电缆传送给低通滤波器，然后根据低通滤波器的输出电 压控制调谐电路，产生新的振荡频率，直到传感器谐振电路处于完全谐振状态为止， 则此时的振荡频率即与传感器的电感量相对应，从而与液位相对应。 以上3 种方法都是利用液位传感器的电参数产生变化的方法来测量液位的。这种 测量方法原理简单、易于操作、成本低廉，但精度较低、可靠性差，已不能满足现代 工业测量中对测量精度和仪器可靠性的要求。随着科学技术的发展，基于新技术的液 位计发展越来越快l 舯j 。 ( 5 ) 超声波液位计 超声波液位仪是非接触测量中发展最快的一种。该技术基于超声波在空气中的传 播速度及遇到被测物体表面产生反射的原理。可实现非接触测量、测量范围宽、并且 测量不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，因此它的适用范围非常广泛，包括 水渠、油罐、粘稠、腐蚀性及有毒液体等的液位测量中1 1 0 l 。我国从九十年代初开始， 将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体 的液位测量中1 1 1j 。超声液位测量技术在越来越多的领域发挥其重要作用。 ( 6 ) 雷达液位仪 连续式微波液位仪通常采用调频雷达原理，利用同步调频脉冲技术，微波发射和 接收器安装在罐顶，向液面发射频率调制的微波信号。当接收到回波信号时，由于来 回传播的时间延迟，发射频率已改变了。将两者信号混合处理，所得信号的频差与罐 顶到液面之间的距离成正比。 ( 7 ) 光纤液位仪 其测量原理与超声波液位计类同，只是用光波代替超声波。即光源发射激光，经 被测液面反射，接收反射光后，将从发射至接收的时间换算成液位。激光的光束是很 窄的，在液位计中通过光学系统转换成约2 0 m m 宽的光束，这样可使反射光易于被传 感器接收。 ( 8 ) y 射线液位计 该技术基于y 射线对不同物质产生不同衰减的理论，将放射源钴6 0 或铯1 3 7 置 于一个防护容器内，放在被测容器的一侧，在其对面，装有一个检测器，当y 射线穿 透容器时，会发生衰减，衰减率取决于被测液体的密度、吸收系数和厚度1 1 2 】。液位越 高，衰减越大，接收器将y 射线量变为光脉冲信号，再由光电倍增管转换为电脉冲信 号。液位与y 射线衰减量是非线性关系，必须进行标定。 ( 9 ) 小型液位开关 在液位计智能化的同时，出现了一些基于新检测原理，由新型电子部件构成的小 型现场液位开关。较典型的是利用超声波穿透空气及液体时衰减率的显著差别来检测 4 第一章绪论 液面的超声液位开关；利用空气和液体对振动体的阻尼差别来检测液位的振动式液位 开关：以及利用空气和液体电导率的不同来检测液位的电导式液位开关。 传统液位计逐渐被这些新型液位计所取代。新型液位计无论是在精度、稳定性， 还是在智能测量方面都比传统液位计有着明显的优势，是今后液位计的发展方向l l 引。 其中，超声波液位计以其低成本、高精度、非接触测量、稳定性好等优势受到广泛青 睐，发展出了适应于不同场合的超声波液位计，广泛应用于石油化工、航天航空、水 利、气象、环保、医药卫生、食品饮料等多个领域1 1 引。本课题中正是以超声波液位 计为研究对象。 1 3 超声波液位计概况 1 3 1 国内外超声波液位计的历史、现状与发展 人类对超声技术的研究是从1 8 8 0 年发现压电效应开始的。1 9 1 7 年法国研究用超 声波探测潜艇，法国科学家e l a n g e v i n 利用石英晶体制成超声夹心式换能器，在水下 进行超声发射和接收，这是世界上的第一部声呐；接着镍、铝一铁合金等磁致伸缩换能 器出现；五十年代钛酸钡压电陶瓷的研究应用；六十年代以后，锆钛酸铅压电陶瓷推 广使用和不断发展，使超声换能器的研制进入了一个崭新的蓬勃发展的时期。1 9 3 4 有人提出用超声波进行探伤的设想，但从2 0 世纪6 0 年代才引起广泛重视。 1 6 - 1 9 j 自动测量和自动控制技术的发展特别是微机技术的发展，促进了超声测量技术的 研究和应用。8 0 年代中后期，单片机技术的应用使超声波液位计向高性能、智能化方 向发展。由于使用了单片机作中央处理单元，系统不仅可以进行复杂的数学运算和数 据处理、进一步提高了超声波流量计的测量精度，而且还能设计出友好的人机界面， 使系统具有参数设置、自动检错排错功能以及其他一些辅助功能，大大方便了用户的 操作和使用【舡2 。单片机在超声波液位计中的应用，使超声波液位计开始真j 下进入工 业测量领域。 虽然超声波技术应用于液位测量在国际上已有较长时间，而在我国从2 0 世纪9 0 年代才开始发展。国内与国外相比，在测量精度上还有一些差距。目前国外超声波测 量液位的精度可以达到l m m 或1 ，最小盲区可达5 1 0 c m ；而国内超声波液位测量 精度目前只能达到2 m m 或1 5 ，盲区最小为3 0 c m l 2 二2 3 1 。影响精度的因素除了超声 波传感器本身的制作工艺f2 4 j 外，还与发射和接收电路的性能以及误差的修正方法有 关。随着人们对引起测量误差因素的认识以及解决方法的提出，测量精度在逐步提高。 近十年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理器技术的进步，以及新型探头 材料与工艺的研究，超声液位测量技术取得了长足的进步，显示出强劲的技术优势， 形成了迅猛的发展势头，已成功应用于江河水位、污水处理、化学和制药工业、食品 北京化工大学硕i ：学位论文 加工、罐装液位、电厂、钢厂、酒厂等多种领域，并日益显示其在非接触测量中的巨 大优势。 1 3 2 超声波液位计的优点和局限性 与其它种类的液位计相比，超声波液位计具有以下优点【压2 6 1 ： ( 1 ) 非接触式测量，超声波换能器安装在液面上方，不与被测介质接触，可方便 的测量腐蚀性、粘稠或有毒液体，避免被被测液体腐蚀或污损，免于维护。 ( 2 ) 通用性好，液位计即可测量开渠液位，也可测量大型储罐等的液体液位。安 装拆卸方便。 ( 3 ) 适应性强，使用范围广，不受介质密度、介电常数、导电性等的影响，对被 测液体的物理化学性质的适应性极强。 ( 4 ) 适用于有毒、有腐蚀、高粘度的液体液位测量，弥补了其他液位计在此类恶 劣测量环境中的不足。 ( 5 ) 几乎没有机械可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。换能器内的压电元 件以声频振动，振幅小，寿命长。 ( 5 ) 稳定性好。 但是超声波液位计也有其自身的局限性【2 7 之8 1 ，主要表现在被测液体易挥发时，液 面上方的空气密度不均匀，会导致测量误差较大；当被测液体液位有较大波浪时，易 引起声波反射混乱，产生误差；另外，超声波液位计测量液位时有无法避免的盲区【2 9 】， 因此小距离测量比较困难。 1 3 3 超声波液位测量方法 目前，采用超声波测量液位的方法很多，有声波阻断式、脉冲回波法、共振法、 频差法等连续液位测量方法，还有连续波阻抗式、连续波穿透式、脉冲反射式和脉冲 穿透式等定点液位测量方法。 1 s - 1 9 j ( 1 ) 声波阻断式是利用超声波在气体、液体和固体中被吸收而衰减的情况不同， 来探测在超声波探头前方是否有液体或固体物料存在。当液位达到预定高度位置时， 超声波被阻断，即可发出报警信号或进行限位控制。这种方式主要用于超声波液位控 制器中，也可用于运动体以及生产流水线上工件流转等的计数和自动开门控制中。 ( 2 ) 脉冲回波测距法是利用声波在同一介质中有一定的传播速度，而在不同密度 的介质分界面处会产生反射，从而根据声波从发射到接收到液面回波的时间间隔来计 6 第一章绪论 算液位。根据超声波探头的安装位置不同，此方法又分为液介式、气介式、固介式三 种【1 3 l 。 ( a ) 液介式：超声波发射探头置于最低液位之下，声波以被测液体为传播介质，在 液面发生反射； 公 图1 s a 液介式单探头 图l - s b 液介式双探头图1 5 c 底置探头 f i g 1 - 5 as i n g l et r a n s d u c e rf i g 1 - 5 bd o u b l et r a n s d u c e rf i g 1 - 5 ct r a n s d u c e ri n s t a l l e d ( 1 i q u i dm e d i u m ) ( 1 i q u i dm e d i u m ) o nt h eb o t t o m ( b ) 气介式：超声波发射探头置于最高液位之上，声波在液面上方的气体介质中传 播，经被测液体表面反射； 图1 6 a 气介式单探头图l 6 b 气介式双探头 f i g 1 - 6 as i n g l et r a n s d u c e r ( a i rm e d i u m )f i g 1 - 6 bd o u b l et r a n s d u c e r s ( a i rm e d i u m ) ( c ) 固介式：声波经固体棒或金属管传播，经液面发射后再由固体棒传回接收换能 器接收。这种方式由于有一定的局限性，所以应用的较少。 上述脉冲回波法是以测量超声脉冲在介质中传播时间为基础的，因此又称时差 法。除此之外还有以测量声波衰减为基础的。基于声波传播时差的脉冲回波法是应用 最广泛的连续液位测量方法之一。 ( 3 ) 共振法测量液位的基本原理是通过调节超声波的频率，使得探头和液面之间建 立共振状态，根据共振频率和介质声速计算出探头至液面的距离。如果不知道声速， 也可利用某一固定距离时的共振，两者比较，计算出探头至液面的距离。 ( 4 ) 频差法是让探头发出调频的长脉冲超声波，即超声波的频率在脉冲宽度的时间 范围内随时间成线性关系变化，从一个起始值逐渐变化到一最终值，每隔一个周期重 复一次。当超声波从探头发出，传播至液面再反射回探头时，发射频率已经变化到另 一数值，接收信号的频率( 起始值) 与这时发射信号的频率之差就正比于从发射到接 收所经过的时间。因而这个频差与探头至液面的距离成正比，从而计算出液位高度。 7 北京化t 大学硕卜学位论文 ( 5 ) 连续波阻抗式定点液位测量利用一个处于谐振状态的超声波探头连续发射超 声波，当探头与气体或液体接触时，由于气体和液体两者的声阻抗相差很大，所以发 射电路中通过的电流相差也很大。根据这一原理，可以测定探头前是气体还是液体， 从而得知液位是否达到了