聲學式物位檢測是指通過測量聲波從發射至接收到被測物位界面所發射的回撥的時間間隔，從而來確定物位的高低。聲波是一種機械波，是機械振動在介質中的傳播過程，當振動頻率在十餘赫到萬餘赫時可以引起人的聽覺，稱為聞聲波；更低頻率的機械波稱為次聲波；20kHz以上頻率的機械波稱為超音波。作為物位檢測，一般套用超音波。
基本介紹
- 中文名：聲學式物位檢測
- 外文名：acoustic level detection
- 所用聲波：一般套用超音波
- 作用：物位檢測
- 常用儀器：超音波物位計
- 相關概念：物位、物位計
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簡介
物位測量在現代工業生產過程中具有重要地位。通過物位測量可以確定容器中被測介質的儲存量，以保證生產過程物料平衡，也為經濟核算提供可靠依據。通過物位測量並加以控制可以使物位維持在規定的範圍內，這對於保證產品的產量和質量，保證安全生產具有重要意義。在實際生產中，物位測量對象有液位也有料位等，有幾十米高的大容器、也有幾毫米的微型容器，介質的特性更是千差萬別。因此，物位測量方法很多，以適應各種不同的測量要求。聲學式物位檢測是其中的一種檢測方法。
原理
聲學式物位檢測是指通過測量聲波從發射至接收到被測物位界面所發射的回撥的時間間隔，從而來確定物位的高低。如圖1是用超音波檢測物位的原理圖。超音波發射器被置於容器底部，當它向液面發射短促的脈衝時，在液位處產生反射，回波被超聲接收器接收。若超聲發射器和接收器（圖中簡稱探頭）到液面的距離為H，聲波在液體中的傳播速度為v，則有如下簡單關係：
式中t為超聲脈衝從發射到接收所經過的時間。當超音波的傳播速度v為已知時，利用上式便可求得物位。
圖1 超音波液位檢測原理超音波物位計
分類
根據聲波傳播的介質不同，超音波物位計可分為固介式、液介式和氣介式三種。超聲換能器探頭可以使用兩個，也可以只用一個。使用兩個探頭時，一個探頭髮射超音波，另一個探頭接收超音波；使用一個探頭時，發射和接收聲波均由一個探頭進行，只是發射與接收時間相互錯開。超音波的接收和發射是基於壓電效應和逆壓電效應。具有壓電效應的壓電晶體在受到聲波聲壓的作用時，晶體兩端將會產生與聲壓變化同步的電荷，從而把聲波（機械能）轉換成電能；反之，如果將交變電壓加在晶體兩個端面的電極上，沿著晶體厚度方向將產生與所加交變電壓同頻率的機械振動，向外發射聲波，實現了電能與機械能的轉換。用作超聲發射和接收的壓電晶體也稱換能器。
超音波物位計的校正與補償
物位檢測的精度主要取決於超聲脈衝的傳播時間t和超音波在介質中的傳播速度v兩個量。前者可用適當的電路進行精確測量，後者易受介質溫度、成分等變化的影響。因此，需要採取有效的補償措施，超音波傳波速度的補償方法主要有以下幾種。
1）溫度補償
如果聲波在被測介質中的傳播速度主要隨溫度而變，聲速與溫度的關係為已知，而且假設聲波所穿越的介質的溫度處處相等，則可以在超聲換能器附近安裝一個溫度感測器，根據已知的聲速與溫度之間的函式關係，自動進行聲速的補償。
2）設定校正具
在被測介質中安裝兩組換能器探頭，一組用作測量探頭，另一組用作構成聲速校正用的探頭。校正的方法是將校正用的探頭固定在校正具（一般是金屬圓筒）的一端，校正具的另一端是一塊是放射板。由於校正探頭到反射板的距離L0為已知的固定長度，測出聲脈衝從校正探頭到反射板的往返時間t0，則可得聲波在介質中的傳播速度為：
因為校正探頭和測量探頭是在同一個介質中，如果兩者的傳播速度相等，即v0=v，則代入式（1）可得：
由上式可知，只要測出時間t和t0，就能獲得料位的高度H，從而消除了聲波變化引起的測量誤差。根據介質的特性，校正具可以採用固定型的，也可以用活動型的。固定型的適用於容器中介質的聲速各處相同，活動型的主要用於聲速沿高度方向變化的介質。圖2為這兩種校正具檢測液位的原理圖。
圖2 套用校正具檢測液位原理相關概念
物位是指容器（開口或密封）中液體介質液面的高低（稱為液位），兩種液體介質的分界面的高低（稱為界面）和固體塊、散粒狀物質的堆積高度（稱為料位）。用來檢測液體的儀表稱為液位計，檢測分界面的儀表稱界面計，檢測固體料位的儀表稱料位計，它們統稱為物位計。
