检测技术物位201636level measurement超声波液位计

物位测量Slide104信息与控制工程学院Level

MeasurementSlide2信息与控制工程学院低音乐器—贝斯1.

UltrasoundUltrasoundsaresoundwaveswithfrequencieshigherthantheupperaudiblelimitofhumanhearing.Ultrasoundisnotdifferentfrom‘normal’(audible)soundinitsphysicalproperties,onlyinthathumanscannothearit.方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。可应用于医学、军事、工业、农业Slide3信息与控制工程学院Batsuseultrasounds（10KHz～120KHz)tonavigateinthedarknessUltrasoundimageofafetusinthewomb,viewedat12weeksofpregnancy(bidimensional-scan)孕12周胎儿在子宫里的超声二维影象猎物反射的声波蝙蝠发射的声波1.

Ultrasound1.

UltrasoundSlide4信息与控制工程学院媒质名称温度（℃）密度（kg/m3）声速（m/s）声阻抗率（Pa·s/m）=密度×声速空气201.205344410石油2070013309.3×105水20100014501.45×106钢-780050003.9×107超声波为机械波，可在固、液、气体中传播传播速度：

气体<液体<固体不能在真空中传播当声波通过声阻抗（密度）不同的介质时，在交界面产生反射与折射两介质声阻抗差别越大，反射越强声阻抗：固体>液体>气体

超声波波速与介质密度和弹性有关

超声波在气体和液体中(纵波)的传播速度CgL为：式中：ρ—介质的密度；

Ba

—绝对压缩系数（B为容变模量）Withultrasoniclevelinstruments,thenecessaryconditionforanechotooccuristhatthesoundwaveencountersasuddenchangeinmaterialdensity.Slide5信息与控制工程学院1.

Ultrasound介质空气-30℃空气-20℃空气-10℃空气0℃空气10℃空气20℃空气30℃空气100℃声速313319325333338344349386声速为介质密度的函数；气相部分的P/T变化将导致声速变化每升高1℃，空气中声速大约增大0.6m/s,

水中声速大约增大4.6米/秒需内置温度传感器，进行声速温度补偿！空高介质高度Fillage=Totalheight−Ullage超声波液位计的最大缺点！！INSTRUMENTANDPROCESSEQUIPMENTSYMBOLSSlide6信息与控制工程学院2.飞行时间（行程时间）原理(TimeofFlight/Echo)气介式（非接触）top-mounted

transducersLiquidswithaheavylayeroffoam(泡沫)

floatingontoparemoredifficult,sincethefoamislessdensethantheliquid,butconsiderablydenserthanthegasabove.Aweakechowillbegeneratedattheinterfaceoffoamandgas,andanothergeneratedattheinterfaceofliquidandfoam,withthefoamactingtoscatteranddissipatemuchofthesecondecho’senergy.泡沫问题！泡沫会吸收超声波信号，造成回波丢失，因此不适宜测量有泡沫或气泡的液体△t

=

2h/v也不适合易挥发的介质，Slide7信息与控制工程学院2.飞行时间（行程时间）原理(TimeofFlight/Echo)液介式（接触式）Iftheultrasonictransducerisrugged(坚固)

enoughtheprocessvesselsufficientlyfreeofsludgeandothersound-dampingmaterialsaccumulatingatthevesselbottom

thetransducermaybemountedatthebottomofthevessel,bouncingsoundwavesofftheliquidsurfacethroughtheliquiditselfratherthanthroughthevaporspace.bottom-mountedtransducersSlide8信息与控制工程学院3.

超声波换能器（探头、变送器）

atypicalelectronicsmodule（“LT”）Sonic

transducer（“LE”）Theinstrumentitselfconsistsofanelectronicsmodulecontainingallthepower,computation,andsignalprocessingcircuits+anultrasonictransducertosendandreceivethesoundwaves.Thistransduceristypicallypiezoelectric（压电）innature,beingtheequivalentofaveryhigh-frequencyaudiospeaker.

Slide9信息与控制工程学院3.

超声波换能器（探头）

一般均可逆，既可发射也可接收超声波discoveredbyJacquesandPierreCuriein1880,wasusefulintransducerstogenerateanddetectultrasonicwavesinairandwater.工作原理—Thepiezoelectriceffect压电效应

机械能→电能正压电效应—某些晶体在承受压力或张力等时产生电荷发射超声波？接收超声波？Slide10信息与控制工程学院3.

超声波换能器（探头）

逆压电效应（电致伸缩效应）电能—机械能逆压电效应——接触电场时这类晶体会产生受控变形

发射超声波？接收超声波？在压电晶体两端面的电极上加高频交变电场，沿着晶体厚度方向会产生与交变电压同频率的机械振动，向附近发射声波。Slide11信息与控制工程学院3.

超声波换能器（探头）

超声场—超声在介质内传播的过程中，明显受到超声振动影响的区域。

①如果超声换能器的直径明显大于超声波波长，则所发射的超声波能量集中成束状向前传播，称为超声的指向性。②换能器近侧的超声波束宽度与声源直径相近似，平行而不扩散，近似平面波，该区域称近场区。近场区内声强分布不均匀(盲区)。近场区以外的声波以某一角度扩散称远场区。该区声波近似球面向外扩散，声强分布均匀，但逐渐减弱。

换能器的频率愈高，直径愈大，则超声束的指向性越好、其能量越集中。Slide12信息与控制工程学院3.

超声波换能器（探头）

一体化超声波物位计一览@E+H量程越大，盲区越大Slide13信息与控制工程学院3.

超声波换能器（探头）

分体式超声波物位计一览@E+H量程越大，盲区越大精度偏低Slide14信息与控制工程学院Instrumentsareavailableascompact(一体化)orseparateversions(分体式).Thismeasuringprincipleischaracterizedbyeasyplanningandassembly,fastandsafecommissioning,

alongservicelifeandreducedmaintenancecosts.4.

基本应用

Typicalapplicationsincludeabrasiveandaggressivemedia,eveninroughambientconditions,butalsotasksinwaterandwastewaterengineering.sensingthelevelofwastewaterinanopenchannelSlide15信息与控制工程学院Non-contact,maintenance-freemeasurement

非接触式，无需维护Unaffectedbyproductproperties,e.g.DCvalue,densi