ToF 基础
超声波基础
1914年，Canadian Reginald Fessenden 在美国发明了最早的 声纳。 1942年，奥地利医生杜西克首次利用超声波原理来进行脑部 扫描。 直到20世纪80年代，超声波原理才开始在工业上用于对物位 的测量。
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超声波基础 超声波物位测量所利用的两个主要性质：
sodium hydroxide, sulfuric acid, textile color and water Horizontal tank Length 5 m / 16.4 ft Diameter 3.5 m / 11.5 ft Process temperature 20…70 °C/ 68 … 158 °F Ambient pressure
water basin Control and recognition of the
overload amount to the sewage treatment plant
Solution Prosonic S with FDU91 sensor and
mounting angle Flood-proof sensor according to
Solution Prosonic S with top-hat rail housing and FDU91 sensor
FDU91
Applications
Ultrasonic measurement
Level measurement in storm water basin
Requirements Level measurement in a storm
分体式超声波物位计——探头
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型号 最大量程 （液体） 最大量程 （固体）
盲区
精度
最大耐温 最大耐压
防护等级
FDU90 FDU91 FDU91F FDU92 FDU93
3m
10m
10m
20m
25m
1.2m
5m
5m
10m
15m
0.07m
0.3m
+80°C
0.3m
0.4m
0.6m
±2mm (0.17％)
当在空气中传播的超声波遇到液体或固体的表面时，由于密 度差别很大，声波几乎全部被反射回去
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超声波的产生和接收——压电效应
最早由皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟发现
压电效应：某些物质在受到压力产生变形的时候，其表面上 会产生积聚的电荷
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表面没有电荷
表面与内部的电荷 极性相同
+105°C
+95°C
4 bar
3 bar
IP68
FDU95
N/A
FDU96
N/A
45m 0.7m
70m 1.6m
+150°C
1.5 bar
3 bar
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分体式超声波物位计——变送器
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型号 探头数量
输出
FMU90
2个
4～20mA HART PROFIBUS DP Relay
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影响测量的因素——介质表面情况（传播时间）
介质表面情况
平静表面 波动/搅拌 泡沫 固体颗粒 安息角
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影响测量因素——虚假回波
罐壁上的障碍物
多重回波
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安装注意事项——罐顶安装位置
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盲区 避开罐内的障碍物/进料口 不能装在罐顶的中心处 不能距离罐壁太近 理想安装位置：
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超声波物位计的组成
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超声波信号
信号传强感度器/时探间头信息
各种补偿算法 生成波形图（包络线） 各种分物析电位算子值法模计，块算确定回波
线性化计算
……
将测量输值出转/显换示为模输块出信号
去往上位机
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仪表型号及参数
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超声波物位计的分类
一体化变送器
分体式变声波物位计
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型号 FMU30 1.5”FMU30 2” FMU40
最大量程
（液体）
5m
8m
5m
最大量程
（固体）
2m
3.5m
2m
盲区
0.25m
0.35m
0.25m
FMU41
8m 3.5m 0.35m
Solution Prosonic S – FMU90 transmitter with top-hat rail housing and FDU91 sensor
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Applications
Ultrasonic measurement
Flow measurement in open channels
距离罐壁1/6直径
Applications
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Ultrasonic measurement
Level measurement in fat/oil mixture
Requirements Fat/oil mixture for coating
process in food industry Tank with conical ceiling
FMU42
10m 5m 0.4m
FMU43
15m 7m 0.6m
FMU44
20m 10m 0.5m
精度
±3mm (0.2％)
±2mm (0.2％)
±4mm (0.2％)
最大耐温
+60°C
+80°C
最大耐压
3 bar
2.5 bar
输出
4～20mA HART, PROFIBUS PA, FF
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价格低廉
免费提供ToF-Tool调试软件
Prosonic
四线 分体式 最大量程70米 可最多配五路继电器输出 双通道 OCM preprogrammed 专门针对水/污水行业所设
计的功能（明渠、隔栅） 可选配HART, DP, RS 485
接口 可用COMMUWIN II
价格
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汽油 乙醚 石油 酒精 煤油 苯 植物油 水
密度 （kg/m3）
700 710 760 790 800 880 920 1000
空气： 1.23 kg/m3
介质 （固体） 聚丙烯 聚乙烯 PET树脂
铝 煤 铁 铜 铅
密度 （kg/m3）
870 900 1400 2700 7000 7800 8900 11300
FMU95 10个
PROFIBUS DP
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E+H 超声波物位仪表的特点----针对不同行业的清晰定位
性能
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Prosonic M
两线或四线
Prosonic T 最大测量距离 15 m
两线，连续测量 菜单引导式操作
或开关
现场显示可观察回波曲线
最大测量距离 7 m 带HART, PA , FF通讯协议
表面与内部的电荷 极性相反
逆压电效应：在压电材料表面施加电压，压电材料会产生机 械形变
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超声波探头结构
将膜片振动与外界隔离
压电晶体基底 压电晶体
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声抗耦合材料
传感器外壳； 将传感器整体封装，无需密封
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超声波探头的盲区
同一块压电晶体既负责超声波的发射，也负责接收 因此，在发射状态与接收状态之间，需要一段时间使得压电 晶体从振荡状态恢复到静止状态，然后才能开始接收反射的超 声波信号 根据ToF的原理，这段时间代表了空间的一段距离，即盲区 在盲区内，超声波物位计是不能进行测量的
with fruit mix CIP at +135 °C/+275 °F Pressure abs. 1.5 bar/22 psi Triclamp connection
Solution
~1.25 m/4.1 ft
Prosonic S with fully welded stainless steel sensor FDU91F
IP68/NEMA6P
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Applications
Ultrasonic measurement
Parshall flume
Requirements 9“ Parshall flume
waste water atmospheric pressure relay for flow pulse output
超声波物位计基础
01/04/2011
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ToF 基础
内容介绍
测量原理 超声波物位计的型号及参数 现场安装注意事项 应用举例
要求掌握的内容
① 超声波物位计的测量原理 ② 产品的型号，及相应的特点与区别 ③ 主要的应用场合 ④ 根据实际的工况进行选型
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超声波物位计
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测量原理
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超声波基础
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超声波是频率超出人耳听觉的上限（约20kHz）的声波，是 一种听不到的声波。
20Hz
20kHz
20MHz
次声波
声波
超声波
在19世纪末，科学家就已经开始对超声波进行研究了。