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基于专利分析的超声波液位计技术原理探讨

尺子资讯 2020-09-04 15:12:28
基于专利分析的超声波液位计技术原理探讨

一、超声波液位计技术发展概况

人类对超声技术的研究是从1880年发现压电效应 开始的。1917年,法国研究用超声波探测潜艇,法国科学家P.Langevin利用石英晶体制成超声夹心式换能器,在水下进行超声发射和接收,这是世界上的第一部声呐。接着,镍、铝-铁合金等磁致伸缩换能器出现;20世纪50年代钦酸钡压电陶瓷的研究应用;60年代以后,压电陶瓷推广使用并不断发展,使超声换能器的研制进入了一个崭新的蓬勃发展时期。虽然1934年就有人提出用超声波进行探伤的设想,但从20世纪60年代才引起广泛重视 。

二、超声波液位计原理

超声波液位计测量是利用超声波在气体、液体和固体 介质中传播的回声测距原理进行测量,故超声波物位传 感器有气介式、液介式和固介式三类。根据探头的工作方式,又有自发、自收的单探头方式和收、发分开的双探头方式。以单探头超声波液位计为例,对超声波液位计工作原理进行介绍,其探头既可以安装在液面底部,也可以安装在容器底的外部,处理电路中时钟电 路定时出发发射电路发出电脉冲,激励超声探头发射超声脉冲。脉冲穿过容器壁进入被测液体,在被测液体表面上发射回来,再由超声塔头转换成电信号,最后送至处理电路中处理。

在超声波探头安装位置方面,主要有以下代表专利文献。DE3431741A1公开了一种封闭容器液位检测器, 将超声波传感器固定于容器底部,通过反射原理测量液位。US4958518A公开了一种摩托车油箱油位监测器,具 有一种支撑反向对接的超声波换能器,其限定了一个到达底部开口的轴向超声波测量路径,提高了测量准确度 并降低了成本。DE59201292D公开了一种检测容器中液体有无的检测方法,包括两个超声波接收器和一个超声波换能器,安装在容器外侧壁上,超声波换能器发射超声 波信号,一部分超声信号经过容器内壁的反射回第一接收器,剩下的超声波信号经过容器中的结构元件反射到第二接收器,将信号处理后与上下阈值进行比较来确定容器中液体的有无,提高了容器中气液未完全分离时测量的可靠性。

随着技术的进步,对超声波换能器的结构进行了研究,目的在于进一步提高测量精度。DE3570325D公开了一种超声波检测传感器,用于水下,具有装设于基板上且带有端子的厚膜电路,在两个塑料箔片(炭聚物或硅衬底)之间放置至少一个金属箔片,使得具有相同声速和材料密度的探针使用数量减少。EP0465878A2公开了一种压电陶瓷超声换能器,使用长板形压电陶瓷部,压电陶瓷部在相反的两面具有不同的金属镀层区,将两个压电陶 瓷部竖直放置在储油容器中的一个腔室中,接收信号在上部传感器和下部传感器之间进行变化。DE4328792C1公开了液体填充量检测器,包括压电超声波发射接收传感器,提出在基板上放置匹配层,在两个匹配层之间设置压电层,增加了超声波能量且减小了声音衰减时间常数。DE4330747C1公开了一种超声波换能器,具有一个一体成型的第一材料壳体,壳体底座上具有一个压力元 件,在壳体底座上压力元件的对立面有一个第二材料的适配体,壳体内部填充吸音材料来覆盖压力元件,提高了机械鲁棒性,配置和安装简单。

三、结论

本文介绍了超声波液位计的基本原理,并根据液位计的主要技术分支,介绍了所涉及的超声波发射/接收传感器、超声波液位计电路及测量结果的修正方法,分析了多篇具有代表性的专利文献,通过对超声波液位计技术 原理的分析,可以有效帮助超声波液位测量领域的企业知识产权管理人员及研发人员把握技术发展的脉络,为研发方向进行高效指引。