一种液位检测方法在流量标准装置上的应用

　　近年来，由于计算机技术在流量标准装置上的应用，我国液体流量标准装置的自动化水平在不断地提高，普遍实现了检定过程的自动控制。但是在动态容积法标准装置中液位的多种测量方式在实际应用中都具有一定的局限性。为此我们采用了一种新型的超声波壁外透射衰减式液位计，现作简单介绍。

　　1 超声波透射衰减式定点液位测量的原理

　　基本原理是利用液态介质与气态介质两种情况下超声波入射到容器壁中的声能透射衰减的差异性来实现容器定点液位的检测。当安装在容器壁外的换能器发射的一束超声波由壁外耦合到容器壁中时，有一部分能量会透射到容器内部的介质中，另一部分能量则残留在容器壁中来回反射，在容器壁中形成余振，直到衰减耗尽为止。透射到容器内部介质中的声能愈大，则残留在容器壁中的能量愈小，余振信号持续的时间也就愈短;反之，余振信号持续时间也就愈长。而每次透射到容器内部介质声能的大小，是由容器壁材料与内部介质的特性共同决定的。设容器壁材料的声阻抗为 z1，内部介质的声阻抗为 z2，那么其界面的声强透射系数为：

　　容器壁材料多为钢板，其声阻抗约为：

　　液态介质多为水和各种油类，其声阻抗约为：

　　而气体的声阻抗约为：

　　当容器液位达到或高于测量点时，测点处容器内部的介质为液体，可以计算出此时声强的透射系数约为：

　　而当容器液位低于测量点时，测点处容器内部为气相介质，可以计算出此时声强的透射系数约为：

　　可见两种情况下声能的透射相差甚远，对于前者来说，由于钢板与液体界面的透射作用强，在多次来回反射后，大部分声能较快的透射到液态介质中，所以钢板内残留的声能衰减快，余振信号持续时间短;对于后者，由于钢板与气体界面的透射作用很弱，声能透射到气相介质过程慢，透射衰减小，所以余振信号持续时间长。

　　图 1(a)和图 1(b)是实测水位高于测点时和水位低于测点时钢板中余振信号的情况，不难看出两者之间存在显著的差异。通过多次测量，两者衰减时间之比可以达到 1: 2 ～ 1: 4。正是这种显著的差异为我们采用透射衰减的原理测量容器内部的定点内液位提供可靠的依据。

　　2 超声波定点液位测量在液体流量标准装置的应用方案

　　图 2 为采用壁外透射式超声波定点液位测量装置的动态容积法液体流量标准装置的结构原理图。

　　在标准容器壁外不同高度位置安装数个超声波换能器，工作时由换能器向容器壁发射一束高频脉冲超声波，并由同一只换能器测量器壁内的余振波。通过测量余振波的衰减信号，并与事先整定好的参比信号(液位高于测量点时)相比较，便可确定容器内的液位是否达到测量点。实现的方法之一是检测余振信号包络面积的大小。