超声波液位测量技术研究

    引　言

    液位测量是工业上经常遇到的一个问题,如化工、石油等企业总是有许多盛液或盛料的反应锅与储槽需要测定液位或料位。从测量范围来说,有的只有几十厘米,有的可达几十米;从测量条件来说,有的很简单,有的却十分复杂。例如:有的是高温高压,有的是低温或真空;有的需要防腐蚀、防辐照,有的液体挥发性很强,甚至必须防爆;有的从安装上提出苛刻的限制,有的从维护上提出严格要求等等。针对不同要求和不同用途,现已发展了许多液位测量技术,其中超声波技术也是一种很有效的测位方法。

    超声波液位测量有许多优点:它不仅能够定点和连续位技术相比,它不需要特别防护,安装和维护较方便,而且结构、方法都较简单,价格低廉。特别是超声波液位测量技术可以选用气体、液体或固体作为传声媒质,因而有较大的适应性。

    在超声波液位测量技术中,应用最广泛的是超声波脉冲回波方法。其工作原理可简述为:由发射传感器发出超声波脉冲,在媒质中传到液面,经反射后再通过媒质返回到接收传感器,测出超声波脉冲从发射到接收到所需的时间,根据媒质中的声速,就能得出从传感器到液面之间的距离,从而确定液面。

    1　超声波液面测量系统

    1.1　超声波液位测量总体方案

    根据传声媒质的不同,超声波液位测量技术可分为气介式、液介式或固介式三类。根据所用传感器的工作方式,又可分为自发自收单传感器方式和一发一收双传感器方式。图1所示为组合后得到的六种方式。

    根据应用的需要,我们采用气介式单传感器方式。如图1b方式。

    1.2　超声波传感器设计

    超声波液位测量技术是以超声波作为采集信息的手段,产生和接收超声波信号是这项技术最关键的问题。实现产生和接收超声波信号的器件就是超声波传感器。为了提高测量精度,作者研究开发了一种新型的自发自收式电容性超声波传感器,其本质是一个电容器,它的两极是由一面蒸涂有金属的聚乙烯塑料薄膜和有适当厚度的金属背极构成的,如图2所示。当两极上加脉冲电压,由于静电引力使塑料薄膜变形,薄膜的高频振动便产生了超声波;当发出的超声波遇到物体时反射回来,反射回波即作用在薄膜上,由于声压的作用,使薄膜发生变形,从而使薄膜与金属背极间的空气间隙发生变化,而引起电容量的变化,将其电容量的变化变换为电压信号,即可得到反射回波信号。

    该电容性超声波传感器的信号产生和接收是通过薄膜的振动来实现的,其振动机理可简化为单自由度振动模型来分析,如图3所示。其中M为振动膜质量,h为刚度,R为粘性阻尼,F为外施力。