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声波在油罐内油水界面测量中的应用

0基础知识

声波概念：媒质质点的机械振动由近及远地传播称为声波。

(1)典型的声波传播形式：

①平面波：波阵面哪位平面，波动方程为

波动方程的指数解：

平面波传播的特点是声压振幅与传播距离无关，即声场内声压值处处相等。

②球面波：波阵面为球面，波动方程为：

波动方程的指数解：

球面波传播的特点是声压振幅与传播距离成反比。

③柱面波：波阵面为柱面。

柱面波传播的特点是声压振幅与传播距离的平方根成反比。

(2)描述声波的基本物理量

①频率f、波长λ、声速c（运动学量）

声波波动的基本规律是简谐振动，对于平面波，其波动方程的指数解为：

其三角函数表达式为：

对简谐波有：

②声压P、声强I、声功率W（能量）

声压是指介质质点由于声波作用而产生振动时所引起的大气压力的波动值。单位是Pa。

声强是指单位时间内，在垂直于声波传播方向的单位面积内所通过的平均声能量。单位：

2

w/m。声强有方向，是矢量。在平面波和球面波的条件下，声强与声压有如下关系：

ρ

—空气的静态密度；

0

c—空气中的声速；

0

ρ

c—空气的特性阻抗。

00

声功率是指单位时间内声源辐射的总声能。单位：w。

1超声波液位计

测量原理：如图1所示，利用气／液、气／固两相中各相对超声波反射、折射和衰减不同的

原理，检测超声波穿射不同介质后的衰减信号，该信号与两相界面呈一定关系。测量过程为：

超声波→介质传播→液面→反射波→测量发射与接收波间的时间T→按下式求取液位H。

H＝L0-L＝L0-V*T/2

式中：V－声波传递速度，已知；因为双程,故需除2

特点：测量精度高，稳定可靠，测量重复误差：±2mm；非接触测量；

图1超声波液位变送器测量原理

2雷达液位计

雷达液位计按结构可分为天线式和导波式。天线雷达液位计通过天线来发射微波并接收

回波,为非接触式测量,也称自由空间雷达(FreeSpaceRadar),是微波液位计的主要形式。

常用的天线种类有:绝缘棒式,圆锥喇叭式,抛物面式,平面阵列式等。导波雷达液位计是接触

式测量方式,仪表传感部分是一个金属导波体(杆式或柔性缆式),外形类似于电容式液位计,

安装时从测量罐的顶部伸入,直达罐底。测量时微波脉冲沿着导波体外侧向下传播,在碰到液

面时,由于被测液体介电常数与空气不同,就会产生反射,回波被接收。根据微波脉冲的行程

时间可以测出液位。导波式雷达物位计的探头(导波体)在结构上可以分为三种类型:同轴式、

双杆式和单杆式。

2.1天线雷达液位计

天线雷达液位计是按“俯视式”时间行程测量原理进行工作的，用于测量探头安装处到

液位表面的间距。其结构非常简单，主要由仪表外壳、过程连接和短杆天线组成。如图2

所示，雷达液位计利用喇叭状波导管发射低功率微波(几十微瓦),遇到被测介面后,部分微波

反射回来,被发射、接收组合液位计系统接收,通过测量发射、接收的时间差来间接测量液位。

发射装置与被测介质表面的距离同脉冲在其间的传播时间成正比,回波的极性和振幅取决于

上层介质与下层介质的介电常数。上层的介质通常为气体,下层被测介质的介电常数较高。

由于雷达液位计发射的微波沿直线传播,在液面处产生反射和折射时,微波有效的反射

信号强度产生衰减,当相对介电常数小到一定值时,会使微波有效信号衰减过大,导致雷达液

位计无法正常工作。为避免上述情况的发生,对被测介质的相对介电常数有一定的要求,即被

测介质的相对介电常数必须大于产品所要求的最小值。不同的型号有不同的要求,一般要求

相对介电常数大于3。雷达液位计发射的微波传播速度取决于传播媒介的相对介电常数和磁

导率,所以微波的传播速度不受温度变化的影响。但是对高温介质进行测量时,需要对雷达液

位计的液位计和天线部分采取冷却措施,以保证液位计在允许的温度范围内正常工作,或使

雷达天线的喇叭口与最高液面间留有一定的安全距离,以避免高温对天线的影响。

图2雷达液位计测量原理示意图

由于微波的传播速度仅与相对介电常数和磁导率有关,所以雷达液位计可以在真空或受

压状态下正常工作。但是当容器内操作压力高到一定程度时,压力会对雷达测量带来较大的

误差。有关文