簡(jiǎn)介

超聲波的應(yīng)用在當(dāng)今各行各業(yè)中都很廣泛。從物質(zhì)到電磁，波動(dòng)方程總能給我們帶來(lái)驚喜。超聲波的幾種典型應(yīng)用如下：

·       無(wú)損檢測(cè)/探傷

·       醫(yī)學(xué)成像

·       液位和流量測(cè)量

·       管道中氣泡和流量在線檢測(cè)（Air-In-Line）

·       測(cè)距/厚度和腐蝕測(cè)厚

·       超聲波清潔

·       超聲波焊接

·       流體膠液噴射和分配

…        

1． 超聲波的液位檢測(cè)在減排SCR系統(tǒng)中的應(yīng)用 

作為其中一個(gè)基本且典型的應(yīng)用，液位的檢測(cè)對(duì)于超聲波而言，是非常容易理解的。通常情況下，超聲波收發(fā)器的布置位置都處于被檢測(cè)頁(yè)面的上方。而作為一種特例，我們把柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中為減排所增加的選擇性催化還原系統(tǒng)（SCR）的添藍(lán)罐（俗稱(chēng)尿素罐）液位檢測(cè)傳感器作為說(shuō)明。如下圖所示（該傳感器往往還集成加熱裝置，此圖不包含加熱部分結(jié)構(gòu)1）。由于應(yīng)用設(shè)計(jì)的特殊性，該液位傳感器的布置位置在藍(lán)罐底部，以下作說(shuō)明。

圖-1-1        SCR藍(lán)罐液位傳感器（圖片來(lái)自于安費(fèi)諾傳感器-SSI）

1.1       溫度對(duì)音速乃至液位檢測(cè)的影響

從原理上講，液位的高度計(jì)算就是一個(gè)簡(jiǎn)單的， 其中h=C * t/2，C為聲音在液體內(nèi)的傳播速度，t為收發(fā)器發(fā)送到接收回波信號(hào)的總時(shí)長(zhǎng)。搞定??？

事情似乎還沒(méi)有這么簡(jiǎn)單。我們看一下聲音在水中的傳播速度和溫度的關(guān)系圖（如圖-1-2）。

圖-1-2 音速在水中的速度隨溫度的變化趨勢(shì)

音速在尿素液內(nèi)隨溫度的關(guān)系也大抵如此，尤其是車(chē)載的液態(tài)尿素液，其溫度變化尤其不定。相比較音速在空氣中的速度：

其中，V25 ≈ 331.45 m/s  表示在室溫25度下的音速。

為什么不將傳感器布置在液面的上面？因?yàn)檫@里通過(guò)添加另外一路超聲波收發(fā)器檢測(cè)電路使得模塊有一舉多得的作用。

1.2       藍(lán)罐液位檢測(cè)中如何解決溫度的影響

圖-1-3 藍(lán)罐液位傳感器兩路超聲波檢測(cè)方位示意圖2(AS-TULC-Sensor Datasheet)

如圖-1-3所示，除了在原來(lái)的圖-1-3（a）中所示的垂直方向的一個(gè)超聲波檢測(cè)電路，還增加了一個(gè)水平方向的[圖-1-3（b）]所示的檢測(cè)電路。

圖-1-3（b）中，因?yàn)闄z測(cè)的距離為已知L，因此，可以通過(guò)收發(fā)時(shí)間t1，反過(guò)來(lái)求得當(dāng)前的音速c。再使用該速度值和垂直檢測(cè)時(shí)間t2，換算當(dāng)前的液面高度。不僅如此，因?yàn)槲覀冞€知道不同的液體，甚至同一種溶液濃度不同時(shí)的液體在不同溫度下具有的音速變化及趨勢(shì)（如圖-1-4），我們就可以利用該特性來(lái)檢測(cè)當(dāng)前液體的特性，濃度和品質(zhì)等。

圖-1-4 各種液體介質(zhì)中溫度對(duì)音速的影響曲線圖3(AS-TULC-Sensor Datasheet)

注：該款藍(lán)罐液位傳感器上集成了溫度傳感器，因此是一款多傳感器的模塊。

2．超聲波流量的檢測(cè)應(yīng)用 

在工業(yè)應(yīng)用中，管道內(nèi)流體的流量檢測(cè)，是超聲波傳感器的一個(gè)拿手好戲。

圖-2-1 超聲波流量檢測(cè)的示意圖

如圖-2-1所示。其中：

·       TR1和TR2為固定安裝的超聲收發(fā)探頭

·       D為安裝處的管道直徑

·       S為兩個(gè)探頭之間的距離

·       ?為探頭連線與管道軸線之間的夾角

·       V為聲音在該液體中的速度

·       C為流體的速度

其中C即為我們所需要精確求解的參數(shù)。我們將TR1發(fā)出的聲波被TR2收到時(shí)的時(shí)間稱(chēng)之為上行時(shí)間t_u，將TR2發(fā)出的聲波被TR1接收到時(shí)的時(shí)間稱(chēng)之為下行時(shí)間t_d。毫無(wú)疑問(wèn)，溫度T將一如圖-1-2，4既往地影響聲音的傳播速度。

2.1 測(cè)量精度關(guān)鍵處理 

測(cè)量計(jì)算過(guò)程中完美地避開(kāi)了溫度的影響，似乎問(wèn)題迎刃而解。這對(duì)于精度一般的應(yīng)用需求而言，可能也算完成了，但是如果我們細(xì)究實(shí)際的過(guò)程參數(shù)，尤其是收發(fā)時(shí)間，會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題：

設(shè)管道直徑D為30cm，實(shí)際流速C為2m/s，?=45°，S=40cm，音速=1500m/s，則：

兩者的時(shí)間差僅為0.503us，不到1us。這種對(duì)于時(shí)間精確檢測(cè)的要求對(duì)于很多的設(shè)計(jì)而言都存在如何實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

Amphenol Sensors將為您提供解決方案。

3．關(guān)于超聲傳感器應(yīng)用及解決方案

Piezo Technologies是安費(fèi)諾傳感器旗下為用戶(hù)提供完整的先進(jìn)壓電陶瓷，可提供開(kāi)發(fā)定制的超聲換能器方案的著名品牌。我們提供的產(chǎn)品應(yīng)用和服務(wù)行業(yè)涵蓋：

·       振動(dòng)監(jiān)測(cè)

·       生物技術(shù)

·       制藥業(yè)

·       醫(yī)療應(yīng)用

·       管道內(nèi)氣泡流量檢測(cè)/ AIL

·       井下/石油和天然氣

·       工業(yè)與過(guò)程控制

·       海洋探測(cè)

·       航空航天設(shè)備檢測(cè)

·       無(wú)損檢測(cè)/無(wú)損檢測(cè)

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