如何消除超声波在流量测量及液位测量中温度的影响

简介

超声波的应用在当今各行各业中都很广泛。从物质到电磁，波动方程总能给我们带来惊喜。超声波的几种典型应用如下：

·       无损检测/探伤

·       医学成像

·       液位和流量测量

·       管道中气泡和流量在线检测（Air-In-Line）

·       测距/厚度和腐蚀测厚

·       超声波清洁

·       超声波焊接

·       流体胶液喷射和分配

…        

1． 超声波的液位检测在减排SCR系统中的应用 

作为其中一个基本且典型的应用，液位的检测对于超声波而言，是非常容易理解的。通常情况下，超声波收发器的布置位置都处于被检测页面的上方。而作为一种特例，我们把柴油发动机中为减排所增加的选择性催化还原系统（SCR）的添蓝罐（俗称尿素罐）液位检测传感器作为说明。如下图所示（该传感器往往还集成加热装置，此图不包含加热部分结构1）。由于应用设计的特殊性，该液位传感器的布置位置在蓝罐底部，以下作说明。

图-1-1        SCR蓝罐液位传感器（图片来自于安费诺传感器-SSI）

1.1       温度对音速乃至液位检测的影响

从原理上讲，液位的高度计算就是一个简单的， 其中h=C * t/2，C为声音在液体内的传播速度，t为收发器发送到接收回波信号的总时长。搞定！？

事情似乎还没有这么简单。我们看一下声音在水中的传播速度和温度的关系图（如图-1-2）。

图-1-2 音速在水中的速度随温度的变化趋势

音速在尿素液内随温度的关系也大抵如此，尤其是车载的液态尿素液，其温度变化尤其不定。相比较音速在空气中的速度：

其中，V25 ≈ 331.45 m/s  表示在室温25度下的音速。

为什么不将传感器布置在液面的上面？因为这里通过添加另外一路超声波收发器检测电路使得模块有一举多得的作用。

1.2       蓝罐液位检测中如何解决温度的影响

图-1-3 蓝罐液位传感器两路超声波检测方位示意图2(AS-TULC-Sensor Datasheet)

如图-1-3所示，除了在原来的图-1-3（a）中所示的垂直方向的一个超声波检测电路，还增加了一个水平方向的[图-1-3（b）]所示的检测电路。

图-1-3（b）中，因为检测的距离为已知L，因此，可以通过收发时间t1，反过来求得当前的音速c。再使用该速度值和垂直检测时间t2，换算当前的液面高度。不仅如此，因为我们还知道不同的液体，甚至同一种溶液浓度不同时的液体在不同温度下具有的音速变化及趋势（如图-1-4），我们就可以利用该特性来检测当前液体的特性，浓度和品质等。

图-1-4 各种液体介质中温度对音速的影响曲线图3(AS-TULC-Sensor Datasheet)

注：该款蓝罐液位传感器上集成了温度传感器，因此是一款多传感器的模块。

2．超声波流量的检测应用 

在工业应用中，管道内流体的流量检测，是超声波传感器的一个拿手好戏。

图-2-1 超声波流量检测的示意图

如图-2-1所示。其中：

·       TR1和TR2为固定安装的超声收发探头

·       D为安装处的管道直径

·       S为两个探头之间的距离

·       Ɵ为探头连线与管道轴线之间的夹角

·       V为声音在该液体中的速度

·       C为流体的速度

其中C即为我们所需要精确求解的参数。我们将TR1发出的声波被TR2收到时的时间称之为上行时间t_u，将TR2发出的声波被TR1接收到时的时间称之为下行时间t_d。毫无疑问，温度T将一如图-1-2，4既往地影响声音的传播速度。

2.1 测量精度关键处理 

测量计算过程中完美地避开了温度的影响，似乎问题迎刃而解。这对于精度一般的应用需求而言，可能也算完成了，但是如果我们细究实际的过程参数，尤其是收发时间，会发现一些问题：

设管道直径D为30cm，实际流速C为2m/s，Ɵ=45°，S=40cm，音速=1500m/s，则：

两者的时间差仅为0.503us，不到1us。这种对于时间精确检测的要求对于很多的设计而言都存在如何实现的问题。

Amphenol Sensors将为您提供解决方案。

3．关于超声传感器应用及解决方案

Piezo Technologies是安费诺传感器旗下为用户提供完整的先进压电陶瓷，可提供开发定制的超声换能器方案的著名品牌。我们提供的产品应用和服务行业涵盖：

·       振动监测

·       生物技术

·       制药业

·       医疗应用

·       管道内气泡流量检测/ AIL

·       井下/石油和天然气

·       工业与过程控制

·       海洋探测

·       航空航天设备检测

·       无损检测/无损检测

从检测喷气发动机部件缺陷的高级压电陶瓷到用于医学成像的定制超声换能器，Piezo Technologies总能为您提供先进的压电陶瓷，压电换能器和定制制造的集成超声换能器和设备。

专注于定制，Piezo Technologies不提供现成的压电陶瓷超声换能器。