摘要：超聲波液位開關利用超聲波發射、接收換能器之間介質變化時引起聲阻抗變化的原理來進行液位的監測。和其它液位開關相比，超聲波液位開關的液位測試只與被測介質的聲阻抗參數有關，與介質的粘度無關，因此克服了其它液位開關受介質粘度影響的缺點，產品可廣泛應用于石油、化工、食品、飲料等行業。

關鍵詞：超聲波，液位開關，聲阻，粘稠介質

Abstract:The change of medium between ultrasonic transmitting and receiving transducer leads to the change of the acoustic impedance, and ultrasonic liquid level switch uses the principle for liquid level monitoring. Compared to other liquid level switches, level test of ultrasonic liquid level switch is only related to the acoustic impedance parameters of the measured medium, which has nothing to do with the viscosity of the medium. The ultrasonic liquid level switch overcomes the shortcomings that other liquid level switches are affected by the medium viscosity, and these products have been widely used in petroleum, chemical industry, food, beverage and other industries.

Key words: ultrasonic, liquid level switch,acoustic resistance, viscous medium

1引言

液位開關包括浮球液位開關、音叉液位開關、電容式液位開關以及正在興起的超聲液位開關等。

一直以來，大部分液位開關對粘度大的介質進行液位檢測時，都存在反應時間滯后、上下動作點落差大、使用壽命短、極易產生誤報警等測量問題。

浮球液位開關主要通過浮球的上下升降來檢測液面的變化，在測量粘稠性或者含雜質液體時，容易造成浮球堵塞，產生浮子上浮和下降慢現象。

音叉液位開關主要通過測量兩個振動音叉間介質變化時共振頻率的變化來檢測液位的變化。音叉液位開關在測量粘度介質時，叉體容易被粘連在一起的叉間物料堆積，從而產生誤報警。

電容式液位開關通過檢測液面或者散料高度變化時電容值的變化來測量液位或料位的高度。當測量粘稠介質時容易形成開關桿體掛料，從而影響模擬量的輸出而產生誤報警[2]。

而超聲波液位開關利用超聲波在空氣和液體中的傳播特性來檢測液體的液位，可以克服粘稠介質液位的測量控制問題，最大動力粘度可測量到7000mpa.s,是石油、化工行業高粘稠度液體液位測量控制的優選產品。并且其結構精巧，沒有機械部件，性能穩定可靠。安裝方式多樣，既可頂部安裝，也可側部安裝，還有兩點式結構，可以滿足各種工況。

2產品原理

超聲波液位開關利用超聲波在空氣和液體中的傳播特性來檢測液體的液位。由于換能器表面材料的聲阻抗(聲阻抗Z=密度ρ*聲速C)與空氣的聲阻抗相差巨大，聲波在空氣中的發射、接收困難；而且聲波在氣體中傳播時的衰減也比液體中大得多，因此，聲波在空氣中傳播時幾乎沒有信號，而在液體中傳播時信號很強。通過檢測聲波接收信號的大小或強度可以用來檢測液位。

為了達到液位檢測的目的，設計的超聲波液位開關傳感器采用了如圖1所示的凹槽型結構。

圖1 超聲波液位開關傳感器示意圖

圖中，凹槽二端的內壁面上分別安裝了一個超聲發射晶片和一個超聲接收晶片，用于超聲波的發射和接收。當凹槽內存在液體時，液位開關電路檢測到的聲波接收信號強度較大，而當凹槽內存在氣體（空氣）時，液位開關電路檢測到的聲波接收信號極為微弱[1]。液位開關電路根據檢測到的聲波信號的強度不同來實時判斷液位，并相應地輸出繼電器開關信號來控制液位。

3超聲波液位開關的優點分析

超聲波液位開關具有如下優點：

（1）響應速度快：超聲波液位開關利用液體和空氣聲阻抗的不同，來快速準確的區分是否有液到達測試點，反應靈敏。

（2）誤差小：當液體充滿凹槽時，立刻就會被檢測為有液狀態；當液體離開凹槽上面的一個面時，立刻就會被檢測為無液狀態。這樣上下液位的落差點很小，基本保持一致，重復性誤差±2mm。

（3）使用壽命長：液體介質的粘度對超聲波開關的影響很小，基本不用保養；而且開關為全電子部件，沒有機械部件，可常年使用不用維護。

（4）連接方式多樣：如圖2所示，超聲波液位開關的結構有頂裝結構、側裝結構和兩點式結構（兩點式結構可測量控制兩個液位報警點）。安裝方式包括螺紋連接、法蘭連接和衛生型連接，滿足各種工況要求。

圖2 開關結構：頂裝結構、側裝結構、兩點式結構、迷你衛生型

4產品應用情況

超聲波液位開關部分介質舉例說明：

超聲波液位開關利用介質聲阻抗原理進行測試，可以測量高粘度的液體。但是，如果介質中混有大量的顆粒物或氣泡，會影響測量效果，不建議在類似工況下應用。

5產品的發展前景

目前，超聲波液位開關多為國外品牌，如SOR、Gems、TE、MOBREY等公司產品，由于國外的超聲波液位開關價格高、服務滯后、無法定制，制約了市場的需求[3]。江蘇迅創科技有限公司2016年研制成功的超聲波液位開關，填補了國內空白，成功應用于油品儲罐、化工設備、制膠設備和食品機械等領域，其性能穩定，反應靈敏，解決了其它液位開關不能用于粘稠介質液位測量的問題，使過程控制自動化成為可能，既提高了設備的安全性，也降低了工人的勞動強度。

參考文獻：

[1]劉艷艷。 超聲波液位計的研究[D].北京化工大學，2007.

[2] 蔡聞智。 液位儀表的選擇[J]. 電世界，1999,(03):8-10.

[3]劉慶。 浸入式收發一體超聲波液位檢測研究[D].廣西師范大學，2015.