超声波物位计

定义

超声波物位计是物位仪表的一种。物位泛指容器中液面的高低、两种液体分界面的位置以及固体散粒物料的堆积高度，分别称为液位、界面和料位；检测液位的仪表称液位计，检测料位的称料位计，它们统称物位计^[1]。超声波物位计以超声波为探测手段，属于成对概念中的声学式物位检测方法^[5]。

按使用方式可把超声物位仪表分为两类：一类是检测物位是否到达预定高度的定点式信号控制器，另一类是能连续指示物位的连续式仪表；后者大多采用回波测距法，即声呐法，是通常所说的超声波物位计^[2]。按声波传播介质的不同，这类仪表又可分为固介式、液介式和气介式三种，工业过程检测中绝大多数采用以空气传声的气介式^[1][2]。

原理

气介式超声波物位计的换能器安装在容器或料仓顶部，由电子单元定时触发，向物料表面发出一束超声脉冲，声波在料面被反射，部分回波返回并被同一探头接收，转换成电信号^[6][7]。若探头到料面的距离为 $S$、介质中的声速为 $C$、脉冲往返时间为 $T$，则 $S = C \times T / 2$；再由安装高度减去该距离，即得物位值^[4][8]。因此这类仪表本质上是计时装置，其准确度取决于计时能力和声速取值的可靠程度。

声波的发射与接收依靠压电换能器完成。压电晶体受声压作用时两端产生与声压同步的电荷，把机械能变为电能；在其电极上施加交变电压时，晶体沿厚度方向产生同频振动而向外辐射声波，实现电能向机械能的转换^[1]。探头可设两个，一个发射一个接收；也可只用一个，发射与接收在时间上错开^[1]。

声速随介质温度变化明显。空气中声速可近似写作 $c = 331.45 + 0.6T$（单位为米每秒，$T$ 为摄氏温度），温度每变化 10 ℃ 会给测量结果带来约 1.7% 的附加误差^[2]。工程上常在换能器内装设温度传感器，按已知的声速—温度关系自动修正；也有做法是在被测介质中另设一组校正探头与固定反射板，用已知声程上的往返时间实时求出声速，再代入测量结果^[1][7]。

flowchart LR

A[电子单元发出触发脉冲] --> B[压电换能器发射超声脉冲]

B --> C[声波在物料表面反射]

C --> D[回波被同一探头接收并转为电信号]

D --> E[计时电路测得往返时间 T]

E --> F[温度补偿修正声速 C]

F --> G[由 S=C×T/2 求距离]

G --> H[安装高度减距离得物位]

发展历程

超声探测技术的源头可追溯到压电效应的发现和第一次世界大战前后对水下目标探测的研究，利用石英晶体制成的夹心式换能器可在水中发射与接收超声波，形成了早期的声呐装置^[9]。超声波测位在过程检测中是超声技术应用最广的领域之一，20 世纪 50 年代末已进入实用阶段，起初多用于液体、固体物位的定点报警^[2]。

早期连续式产品以被测液体本身作为传声介质，因容器结构和介质声速各异而通用性受限；此后以空气传声的产品发展迅速，逐渐取代了液介传声的方式^[2]。我国在 20 世纪 60 年代末采用固定标记的温度校正方案，超声水位计最大量程曾达到 60 m；定型的 USS 型产品在 40 m 量程内可获得优于 ±10 mm 的精度，并用于黄河三门峡水文总站及新安江、富春江、葛洲坝等水电站的水位遥测^[10]。

20 世纪 80 年代以后，微电子与单片机技术的进步推动物位仪表向非接触、数字化方向发展，超声、微波、激光等技术相继应用^[11]。单片机的引入使超声液位测量在精度、人机界面和智能化程度上明显提升，产品随之进入普及阶段^[9]。2000 年，西门子收购超声物位计制造商 Milltronics，成为同时掌握超声、微波、射频电容、音叉等多种物位技术的供应商，也反映出该领域此后的整合趋势^[11]。

应用

超声波物位计用于储罐、化学品罐、池子、料槽、水渠、水井、粮仓、料仓等场合的液位与料位测量，被测介质包括清水、污水、灰浆、泥浆、酸碱液、润滑油、重油、矿石、粮食和固体颗粒等^[8]。由于探头不与被测介质接触，它适合测量腐蚀性、有毒或不宜直接接触的液体，也适合开放式水位和大型储液罐^[9]。

行业应用覆盖石油、矿业、发电厂、化工厂、水处理厂、污水处理站、农业用水、环保监测、食品与酿造、水文监测和明渠测流等^[3]。在电厂，它常用于原煤仓、灰料仓和石灰石溜井的料位监测，输出信号送入输煤程控系统以控制上煤与磨煤^[11][4]。在污水处理中，非接触方式可避免探头长期浸没于腐蚀性液体^[12]。

小量程产品还可与明渠或各种堰配合测量液体流量，相应的物位—流量特性曲线存放在电子装置中，已广泛用于污水流量测量^[13]。产品量程跨度较大，常压液体测量可覆盖数米至数十米，部分型号标称量程达 60 m 以上，精度大致为量程的 0.1%~0.5%^[4][8]。

局限

盲区是这类仪表的固有约束。超声脉冲具有一定宽度，发射后换能器还存在余振，这段时间内无法分辨回波，紧邻探头的向下小段距离因而不能正常测量^[6][7]。盲区随量程增大而增大，通常量程 5 m 的产品盲区约 0.3 m，10 m 量程约 0.4 m，15 m 量程可达 0.5 m 以上，安装时须保证最高物位低于盲区上沿^[14][15]。

介质表面状态直接决定回波质量。泡沫是不充分反射面，会吸收或扩散部分声波，中性泡沫尤其使回波减弱甚至丢失；蒸汽和雾气在罐顶形成吸收、散射声波的层，温度较高时更为明显；搅拌使液面起伏倾斜，反射信号可能减弱到正常值的一半以下^[16][17][14]。加装导波管或静管、选用更大量程的探头、把探头移离搅拌区是常见的应对方式^[14][18]。

声波衰减和反射条件还带来其他限制。声强随距离平方下降，量程增大时回波显著变弱；声波是机械波，不能在真空中传播；探头表面结露、结冰或结垢也会阻断信号的收发^[17][15]。固体物料料面常形成安息角，若仍为镜面反射，探头可能收不到回波，需要料面产生漫反射才能测量^[2]。此外，含气泡或大量悬浮物的液位、有剧烈波浪的液面会引入反射混乱和测量误差；与雷达物位计相比，超声波在高温高压、强蒸汽和真空等工况下适应性较弱^[19][20]。

参见

• 超声波 —— 本类仪表所使用的探测声波，频率在 20 kHz 以上。

• 换能器 —— 完成电信号与声波相互转换的核心部件，多基于压电效应工作。

• 声呐 —— 回波测距原理的早期实践，超声波物位计沿用了同一思路。

• 雷达物位计 —— 同样采用非接触回波测距，但以电磁波代替声波，工况适应性不同。

• 液位计 —— 物位仪表的总类，超声波物位计是其中的一个分支。