一、超声波液位计原理及应用
超声波传感器是实现声、电转换的装置，又称超声换能器或超声波探头。这种装置能发射超声波和接收超声波回波，并转换成相应电信号。目前常见的超声波发射和接收器件的标称频率一般为 40kHz，频率取得太低，外界杂音干扰较多，太高在传播过程中衰减较大。按作用原理不同，超声波传感器可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种，其中压电陶瓷晶片制成的换能器最为常用。在原理上利用压电陶瓷材料在电能与机械能之间相互转换的功能。
压电陶瓷晶片传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成，如图1所示。需用的压电材料较少，价格低廉且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷片加有大小和方向不断变化的交流电压时，据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向是于外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f 的电压脉冲，晶片就会产生同频率的机械振动。这种机械振动推动空气等媒质，便会发出超声波。反之，如在压电陶瓷晶片上有超声波作用，将会使其产生机械变形，这种机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声波相同的电信号。当在 A，B 间施加交流电压时，若上片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。压电陶瓷晶片有一个固有的谐振频率，即中心频率 F0，发射超声波时，加在其上面的交变电压频率要与它的固有谐振频率一致，接收超声波时，作用在它上面的超声机械波的频率也要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波传感器才有较高的灵敏度，当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可以非常方便地改变其固有频率。
超声波传感器由压电陶瓷晶片、锥形谐振板、底座、端子、金属壳及金属网构成。如图2所示。其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形谐振板是发射和接收超声波的能量集中，并使传感器有一定的指向角。金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形谐振板的损害，金属网也是起保护作用的，但不影响发射和接收超声波。
超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率在 60-300kHz 之间；中量程探测距离约为 2-l0m，工作频率在40-60kHz 之间；大量程探测距离约为 20-50m，工作频率处16-30kHz 之间。
超声波传感器是超声波测距电路中的重要元件，其性能优劣直接影响到测距准确度和可靠性。超声波传感器按收发方式可分两类：一类是发射和接收分别是两种不同的分体式超声波传感器，此类传感器测距有效范围比较大，但不具备防尘、防水性能，如用于发射的CSB40T及用于接收的 CSB40R。另一类是具有双向的发射/接收功能的收发一体式超声波传感器，如 TR40-16，不仅用于发射超声波，也用于接收超声波，此类超声波测距有效范围比较小，防尘、防水性能好。根据实际工作时所处的环境的要求，本系统所选用的超声波传感器为分体式超声波传感器 CSB40T，其中心频率为 40kHz。CSB40T探头各项参数为：频率为 40 kHz，阻抗 500，灵敏度为 103dB(min)，带宽在 -3dB 时为 1.5K，角度最大值为 (-6dB)，静电容 200010%PF，最大驱动电压 150Vp-p(10%工作周期)，回波灵敏度为 -70dB(min)，声压电平 0dB=1uvolt/bar。
超声流量计是近年来发展迅速的流量计之一，和传统的流量计，如差压流量计、转子流量计、文丘里流量计、涡街流量计等相比，超声波流量计有以下突出的优点:
（1）采用非接触式测量，换能器安装在渠道外壁而不与被测流体直接接触，基本上不干扰流场无压力损失，是一种比较理想的仪表。
（2）换能器形式多样，可适合不同场合的需要，除了用于测量水、石油等一般导声流体外，还可用来测高温、高压、高粘度、强腐蚀、非导电、易爆和放射性等导声流体。
（3）通用性好，在可测范围内，同一台流量计可测任何不同的渠道。
（4）无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。
（5）安装维修方便，不需要专门的阀门等且不必中断流体流动，不影响生产。
三、超声波流量测量
1、流量的定义
在流体的流动中，具有某一定面积的截面，把流过该截面的体积或质量与时间之比称为流量。用流体流过的体积与时间之比来表示流量时，称为体积流量(或容积流量)。用流体流过的质量与时间之比来表示流量时，称为质量流量。
一般地说，流量的测量对象就是流过管路或沟渠的流体。在这种情况下，我们来研究具有某个一定面积的管路或沟渠的截面，称流过该截面的流量为流过该管路或沟渠的流体流量。
2、流量测量方法
目前已投入使用的流量计超过了100种，这些流量测量仪表已成为过程控制与检测仪表中的重要部分。根据现代设备、现代控制及生产现场对流量检测技术的要求，流量测量方法可分为接触式与非接触式两大类。
非接触式是一种先进的流量测量方法。非接触式流量测量是借助于超声波、射线、激光等发展起来的流量测量新技术，它通过安装在渠道两侧的检测装置之间接感知信号。由于检测元件不与被测流体直接接触，所以克服了传统的接触法流量测量中存在的问题。它不但可以提高测量精度（因为无节流压力损失，不破坏原来流场）及仪表寿命（因为检测元件不受流体冲击、磨蚀作用），而且可以实现用一套测量装置来测量渠道系统多个部位的流量，因而是一种具有广泛发展与应用前景的先进的流量测量方法。
四、结束语
超声波流量计对流速无影响，也没有压力损失；能用于任何液体，特别是具有高黏度、强腐蚀，非导电性等性能的液体的流量测量，也能测量气体的流量；对于大口径管道的流量测量，不会因管径大而增加投资；量程比较宽，可达5：1；输出与流量之间呈线性等优点。
超声波液位计原理及应用http://www.china-jtyb.com/
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