【经验】一文解析如何消除超声波在流量测量及液位测量中温度的影响

时间： 2022-02-18 来源：Amphenol Sensors

技术问答

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等。本文AMPHENOL SENSORS主要介绍如何消除超声波在流量测量及液位测量中温度的影响。

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。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，，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)

(2-2)

从而可得流速C：

(2-3)

所以流量Q：

(2-4)

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0.503μs，不到1μs。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。

3．关于超声传感器应用及解决方案⁴

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。

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可用于超声波传感器/超声波换能器的安费诺压电陶瓷

安费诺旗下Piezo Technologies 创造了先进的压电陶瓷技术，可用于超声波换能器等应用。Piezo Technologies一直是研究和开发先进材料的全球领导者，具备卓越的技术知识和丰富的生产经验。在超声波换能器的众多潜在应用中，这些压电陶瓷材料可用于加速度计和空气传感器等。

厂牌及品类发布时间 : 2019-08-20

【产品】安费诺超声接触式换能器，专为金属、塑料、陶瓷、弹性体和复合材料等方面通用缺陷检测和厚度测量而设计

Amphenol Sensor安费诺旗下品牌Piezo Technologies的超声波接触式换能器专为金属、塑料、陶瓷、弹性体和复合材料等方面通用缺陷检测和厚度测量而设计。其中接触式无损探伤（NDT：Nondestructive Testing）换能器也可用于从储罐外部进行液位测量。

新产品发布时间 : 2020-08-17

【产品】耐高温达200℃的安费诺超声波井下换能器，耐压25,000+psi

Amphenol Sensor安费诺旗下品牌Piezo Technologies的领先研发成果带来了许多独特的超声波井下解决方案。Piezo Technologies在为石油和天然气勘探与维护行业提供可靠产品方面拥有悠久的历史，其产品可以在地球上最恶劣的环境中使用，包括高度腐蚀性，磨蚀性，高温（高达200°C）和加压（25,000+ psi）的一系列环境。

新产品发布时间 : 2020-08-15

【应用】TT Electronics全系列电阻产品，助力现代医学电子设备蓬勃安全发展

TT Electronics旗下的HVP、HVC、CC、PWC、DSC、HR、T系列电阻产品，以其突出的特点和可靠性能，成为接触、图像、分析三大医疗应用领域内不同产品需求的极佳解决方案，这些应用包括除颤脉冲保护、心电图等监视器内部高增益放大器、X射线头分压器、超声换能器、MRI扫描仪、IVD分析设备。

应用方案发布时间 : 2018-11-25

中国知名电子陶瓷元器件件生产商——嘉康电子（JIAKANG）

嘉康电子（JIAKANG）创建于1986年，连续超十四年列入“中国电子元件百强企业”，具有超30年的微波介质陶瓷元器件、压电传感/换能元器件、压电陶瓷频率元件和一体成型电感等研发经验，多次参与国家与行业标准的制修订工作，其产品广泛应用于移动通信、卫星导航定位授时、网络通信、射频识别（RFID）、智能检测、智能电器、智能家居、计算机和电子烟等领域。

品牌简介发布时间 : 2021-06-04

Amphenol Sensors（安费诺）是先进传感技术和创新嵌入式测量解决方案的创新领导品牌，成为工业，汽车，医疗，消费等领域的客户提供创新和多样化的传感器产品组合，包括温度，湿度，压力，热验证，气体，位置，振动，超声波和超低压等，以及定制化的测试测量解决方案。

压力传感器温度传感器温湿度传感器气体传感器粉尘传感器

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Amphenol Sensors(安费诺)/Thermometrics 温度传感器选型指南

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Amphenol Sensors（安费诺）建筑及工业应用传感器选型指南

目录- Chip Cap 2完全校准的温湿度传感器 Telaire Ventostat®T8700壁挂式温湿度变送器 Telaire Ventostat®T8031 CO2小型风管式C02传感器 Telaire®T8041/T8042 分管式C02传感器 Telaire T8100-R系列挂壁式C02和温度变送器（带继电器） Telaire®7000室内空气品质监测器 Telaire VaporstatTM 9002红外露点变送器 Telaire®配件 Telaire HumiTrac™温湿度变送器 T9602湿度与温度传感器 AAS-53系列水管型温度变送器 ADT/AOT/AIT温湿度变送器使用说明书

型号- P40250128,CC2D265,P40250129,P40250126,P40250127,P40250125,P40250122,P40250123,DC95F302W,P40250120,P40250121,T8031,CC2D255,EHR-4,T8100-D-R,P40250139,K53,T8700,CC2A23,PT1000A,AIT,PT1000B,CC2A25,P40250133,P40250131,T2075NG,P40250130,T804K0-10V,T1508,T8200-D-5P,T8042-5VI0-5V,T9602-5-A-1,NI1000,9002,T9602-3-A-1,T5100,P40250149,CC2A35,T8700-E-D,P40250147,0-5000PPM,P40250144,PT100A,T7001I,P40250145,PT100B,P40250142,P40250143,T8100,S4B-EH,CC2A33,P40250141,CC2D235,CC2D355,T7001,PT1000,T2072,T7001D,CC2D25,T9602-3-A,T8042I0-10V,CC2D23,P40250156,T8041,T8100-R,P40250151,T8042,P40250150,T9602-3-D,NTC10K,CC2025,7000,T9602-3-D-1,CC2D35,T9602,CC2D33,ADT,NTC15K,T8200,CC2D335,CHIPCAP 2,NTC10K-II,T2090,T1551,T1552,MPNT3D03750M4,NTC20K,T2007,T8700-D,T8700-E,T8100,T2080,T8100-EC,P40250109,PA0250118,T8100-E-D-GN-5P-R,PA0250115,T1505,P40254275,P40254276,P40254277,P40250189,P40250186,P40250184,P40250185,T8300,P40250182,P40250183,P40250181,AAS-53,8000,PT100,T7001SK,P40250119,NTC10K-A,AOT,P40250117,T9602-5-A,P40250113,P40250114,P40250111,P40250112,DC95F103W,T2076NG,P40250110,P40250193,T9602-5-D,T8001,P40250191,7001D,P40250192,T8002,T9602-5-D-1,MPNV12R30M 16004616,B4B-EH-A,P40250190,T8041-5VI0-5V,RS485,NTC10K-III

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AMPHENOL SENSORS（安费诺）温度传感器选型表

AMPHENOL SENSORS（安费诺）温度传感器选型表。25°C 时阻值：5Ω~1.3MΩ，B25/85：2983K~4793K。

产品型号	品类	安装类型	封装/外壳	25°C 时阻值(Ω)	长度-引线(inch、mm)	工作温度(℃)	电阻容差	B25/85
AL03006-5818-97-G1	温度传感器	通孔	DO-204AH，DO-35，轴向	10k	1.15"（29.20mm）	-50°C ~ 204°C	±10%	3992K