一种大量程超声波液位计的实现

　　目前液位测量的方法有很多，包括水尺、投入压助式水位计、浮子式水位计和超声波液位计等[1]。采用非接触式测量的方法，利用超声波来进行对液位的测量可以做到不接触液　　面，从而避免了液体污染和腐蚀对测量设备的影响，具有结构简单、安装方便、价格低廉等优点。但由于超声换能器本身的机电能量转换效率、超声传播过程发生衰减等因素的制约，现有的超声液位计测量量程一般为5 m， 当量程增加到10 m 以上时误差较大。 文章在不改变超声换能器的前提下，提出了一种提高超声液位测量距离的方法。

　　1 超声液位测量原理介绍

　　超声波测量液位的基本原理是基于超声波在声阻抗率不同的媒介分界面上产生反射的特性。 超声波在空气和与水之间的界面可以近似看成完全反射，故可利用气体与液体对声波界面的反射进行测量[2]，从而不需要接触被测液面即可测量液位。如图1 所示，测量过程是首先超声波探头垂直向液面发射一个超声波脉冲(持续时间为 t0)并开始计时，声波在气体与水面的分界面发生反射，探头接收由液面反射的超声回波，得到声波传播时间t.

　　2 超声波在远距离液位测量中的问题

　　空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波[3]。 在理想介质中，描述简谐声波向 x 正方向传播的质点位移运动方程可表示为：

　　空气中的介质常数Ae=2×10-11s2·m-1; f是声波的振动频率。从(4)式可以看出声波频率越高，声能被吸收衰减也越大，声波的传播距离就越小;声波频率越低，声能的吸收衰减越小，声波的传播距离就越大。

　　这里当超声波探头的频率固定时，其测量的范围也基本固定。 在实际使用中普通的频率为40 kHz 的超声传感器其测量范围不超过 10 m。 所以当进行远距离超声测量时，为了减少声波在传播中的衰减，一般将超声换能器的频率降低，但带来的是超声换能器体积增加，在使用和安装上都很不方便。为此，考虑在不改变原有超声换能器的条件下，通过声阻抗变换来提高声波传播效率以及利用信号处理的方法提高接收回波的信噪比，从而实现了远距离的超声波液位测量。

　　3 声阻抗变换提高声波效率

　　利用在超声波传感器外部安装一个喇叭形谐振器的方法，来强化声波传播方向性和延长测量距离，如图2 所示。

　　喇叭谐振器可以看成是一个截面变化的管子，可用来增加声源的辐射。 喇叭的主要作用是可以给声源的任意的声阻抗，在大开口端实现与空气平面波的阻抗的有效匹配。 这个　　特点可以使传感器向空间辐射高效率的超声波脉冲信号。 以接收状态工作时，过程与此相反。