超声波液位计测量原理
前言：近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。

基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为流量测量工作的首选工具。

超声波流量计是20世纪70年代随着IC（集成电路）技术迅速发展才开始得到实际应用的一种非接触式仪表，相对于传统的流量计而言，它具有下列主要特点：
（1）解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困难的问题。

因为一般流量计随着管径的增加会带来制造和运输上的困难，不少流量计只适用于圆形管道，而且造价提高，能耗加大，安装不便，这些问题，超声波流量计都可以避免，这样就提高了流量测量仪表的性能价格比。

（2）对介质几乎无要求。

超声波流量计不仅可以测量液体、气体，甚至对双相介质（主要是应用多普勒法）的流体流量也可以测量，由于可制成非接触式的测量仪表，所以不破坏流体的流场，没有压力损失，并且可以解决其它类型流量计难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性的流量问题。

（3）超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、密度、粘度等参数的影响。

（4）超声波流量计的测量范围度宽，一般可达到20：1。

关键词：超声波流量计原理流量
一、超声波的基本性质
声波是一种传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。

根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20KHz的声波称为超声波。

超声波具有类似光线的一些物理性质：
(1)超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。

在传播中，超声波的速度与声波相同；
(2)超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物体；
(3)能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率。

要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍(如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的)，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器；
(4)功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。

声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。

超声频率高，故可以给出大的功率。

声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。

通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s。

根据声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波形也不同，通常有以下几种：
(1)纵波。

质点的振动方向与波的传播方向一致的波。

它能在固体、液体和气体中传播；
(2)横波。

质点振动方向垂直于传播方向的波。

它只能在固体中传播；
(3)表面波。

质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播。

振幅随深度增加而迅速衰减的波。

从上述分类可看出，只有纵波可以在气体中传播。

因此，目前在空气中的超声波测量系统大多依靠纵波来实现。

而实际测量用的超声波主要集中在频率为40kHz 的范围内。

其中，靠近低频段主要用于空气和液体介质中的测量系统，中频和高频段主要用于固体介质的测量。

这主要是由于介质对声波能量的吸收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。

而在固体介质中，测量的量程比较短(例如超声波探伤，测工件厚度等)，在液体和气体中，测量的量程比较长(例如空气中的超声波测距，海洋中测深度等)，因此，气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固体介质中低。

二、超声波传感器的原理及应用
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
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。

三、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、超声流量计的特点:
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。

五、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。

参考文献
[1] 梁国伟，蔡武昌，等.流量测量技术及仪表.北京:机械工业出版社，2002
[2] 陈玲.新型流量测量仪表的应用和发展.传感器与微系统，2007，26(6)
[3] 祝海林等．管道流量非接触测量—方法与技术．北京:气象出版社，1999。