[科普中国]-声学式物位检测

简介

物位测量在现代工业生产过程中具有重要地位。通过物位测量可以确定容器中被测介质的储存量，以保证生产过程物料平衡，也为经济核算提供可靠依据。通过物位测量并加以控制可以使物位维持在规定的范围内，这对于保证产品的产量和质量，保证安全生产具有重要意义。在实际生产中，物位测量对象有液位也有料位等，有几十米高的大容器、也有几毫米的微型容器，介质的特性更是千差万别。因此，物位测量方法很多，以适应各种不同的测量要求。声学式物位检测是其中的一种检测方法。1

原理声学式物位检测是指通过测量声波从发射至接收到被测物位界面所发射的回拨的时间间隔，从而来确定物位的高低。如图1是用超声波检测物位的原理图。超声波发射器被置于容器底部，当它向液面发射短促的脉冲时，在液位处产生反射，回波被超声接收器接收。若超声发射器和接收器（图中简称探头）到液面的距离为H，声波在液体中的传播速度为v，则有如下简单关系1：

（1）

式中t为超声脉冲从发射到接收所经过的时间。当超声波的传播速度v为已知时，利用上式便可求得物位。

超声波物位计分类根据声波传播的介质不同，超声波物位计可分为固介式、液介式和气介式三种。超声换能器探头可以使用两个，也可以只用一个。使用两个探头时，一个探头发射超声波，另一个探头接收超声波；使用一个探头时，发射和接收声波均由一个探头进行，只是发射与接收时间相互错开。超声波的接收和发射是基于压电效应和逆压电效应。具有压电效应的压电晶体在受到声波声压的作用时，晶体两端将会产生与声压变化同步的电荷，从而把声波（机械能）转换成电能；反之，如果将交变电压加在晶体两个端面的电极上，沿着晶体厚度方向将产生与所加交变电压同频率的机械振动，向外发射声波，实现了电能与机械能的转换。用作超声发射和接收的压电晶体也称换能器。1

超声波物位计的校正与补偿物位检测的精度主要取决于超声脉冲的传播时间t和超声波在介质中的传播速度v两个量。前者可用适当的电路进行精确测量，后者易受介质温度、成分等变化的影响。因此，需要采取有效的补偿措施，超声波传波速度的补偿方法主要有以下几种。1

1）温度补偿

如果声波在被测介质中的传播速度主要随温度而变，声速与温度的关系为已知，而且假设声波所穿越的介质的温度处处相等，则可以在超声换能器附近安装一个温度传感器，根据已知的声速与温度之间的函数关系，自动进行声速的补偿。1

2）设置校正具

在被测介质中安装两组换能器探头，一组用作测量探头，另一组用作构成声速校正用的探头。校正的方法是将校正用的探头固定在校正具（一般是金属圆筒）的一端，校正具的另一端是一块是放射板。由于校正探头到反射板的距离L0为已知的固定长度，测出声脉冲从校正探头到反射板的往返时间t0，则可得声波在介质中的传播速度为1：

（2）

因为校正探头和测量探头是在同一个介质中，如果两者的传播速度相等，即v0=v，则代入式（1）可得1：

（3）

由上式可知，只要测出时间t和t0，就能获得料位的高度H，从而消除了声波变化引起的测量误差。根据介质的特性，校正具可以采用固定型的，也可以用活动型的。固定型的适用于容器中介质的声速各处相同，活动型的主要用于声速沿高度方向变化的介质。图2为这两种校正具检测液位的原理图。1

相关概念物位是指容器（开口或密封）中液体介质液面的高低（称为液位），两种液体介质的分界面的高低（称为界面）和固体块、散粒状物质的堆积高度（称为料位）。用来检测液体的仪表称为液位计，检测分界面的仪表称界面计，检测固体料位的仪表称料位计，它们统称为物位计。1