超声波液位计的测量原理

超声波液位计工作原理：超声波在气体、液体和固体中传播，具有一定的传播速度。超声波在介质中传播时会被吸收而衰减，在气体中传播的衰减*大，在固体中传播的衰减*小。超声波在穿过两种不同介质的分界面时会产生反射和折射，对于声阻抗差别较大的界面，几乎为全反射。从发射超声波至接收发射回来的信号的时间间隔与分界面位置有关，超声波液位计正是利用超声波的这一特点进行物位测量的。

超声波液位计的发射器和接受器既可以安装在容器底部，也可以安装在容器的顶部，发射的超声波在相界面被发射，并由接收器接收，测出超声波从发射导接收的时间间隔，就可以测量物位的高低。

超声波液位计按照传声介质不同，可分为固介式、气介式和液介式3种，按探头的工作方式可分为自发自收单探头方式和收发分开的双探头方式。相互组合可以得到6种超声波液位计。在实际测量中，有时液面会有气泡、悬浮物、波浪或液体出现沸腾，引起反射混乱，产生测量误差，因此在复杂情况下宜采用固介式液位计。图1为单探头超声波液位计，它使用一个换能器，由控制电路控制，分时交替作发射器与接收器。

图1 单探头超声波液位计

设超声波到液面的距离为H，波的传播速度为c，传播时间间隔为△t ，则：H=c△t/2

要想通过测量超声波传播时间来确定物位，声速c必须恒定。实际上声速随介质及其温度变化而变化，为了准确地测量物位，对于一定的介质，必须对声速进行校正。对于液介式的声速校正的方法有校正具校正声速法、固定标记校正声速法和温度校正声速法。对于气介式的声速校正一般采用温度校正法，即采用温度传感器测量出仓或罐的温度，根据声速与温度之间的关系计算出当时的声速，再根据H=c△t/2公式求出料位。

空气中声速c与温度T之间的关系为：c=331.3+0.6T(m/s)

图2为基于单片机的超声波液位计的原理框图，该物位计以单片机为核心，进行超声波的发射、接收控制和数据处理，具有声速补偿功能及自动增益控制功能。

图2  超声波液位计原理框图

单片机根据量程确定发射周期，输出脉冲信号，此信号使发射电路发出一串高频(10kHz-40kHz)电脉冲，经功率放大后，加到探头上，探头发出的超声波到达料面后，经发射又回到探头，探头将接收到的超声波能转换成电信号，放大后，送单片机的中断口。单片机对超声波从发射到接收所需的时间计时，同时测量现场环境温度，按公式H=c△t/2和公式c=331.3+0.6T(m/s)计算出探头到料面的高度H，将料仓的高度减去H就可以得到料位的高度。