超声波液位传感器在液罐中测量液位的过程主要基于声波的传播时间和速度原理。其工作步骤可以概括如下：

1. 发射超声波脉冲：

   • 传感器顶部的压电换能器（类似一个小喇叭）被激发，向液面方向发射一个短暂、高频的超声波脉冲。这个频率通常在 20 kHz 到 200 kHz 之间，远超于人耳可听范围。

2. 超声波传播：

   • 发出的超声波脉冲在液罐顶部的气体（通常是空气）介质中向下传播。声波在空气中的传播速度约为 340 米/秒（在标准条件下）。这个速度会受温度的影响（温度升高，声速增大），因此传感器通常需要进行温度补偿（通过内置或外置的温度传感器）。

3. 声波反射：

   • 当超声波脉冲到达液体表面时，由于气体（空气）和液体的声阻抗（声学特性）存在显著差异，大部分声波能量会在气-液界面发生反射，沿原路径向上（垂直方向）返回。

4. 接收反射回波：

   • 同一个压电换能器（大多数情况下）或者专门配置的接收器检测到从液面反射回来的超声波脉冲（即回波信号）。

5. 测量传播时间差：

   • 传感器内部的电子线路（计时器或处理器）精确地测量超声波脉冲从发射时刻到接收到回波时刻所经过的时间间隔（Δt）。

6. 计算传感器到液面的距离：

   • 知道了超声波在介质（空气）中的实际声速（v，通常由温度补偿提供）和传播时间差（Δt），就可以计算出超声波脉冲从传感器往返液面所经过的总距离，即2d（d为传感器到液面的单程距离）。
   • 计算公式：2d = v * Δt => d = (v * Δt) / 2

7. 计算液位高度：

   • 液罐通常是已知总高度（H）的容器。传感器通常安装在罐顶一个固定位置。
   • 最终所需的液位高度（L）等于罐子的总高度（H）减去从传感器到液面的距离（d）：
   • 计算公式：L = H - d

总结关键公式

• 距离 d = (v * Δt) / 2
• 液位 L = H - d = H - (v * Δt) / 2

实际应用中的重要考量因素

• 盲区： 在超声波脉冲发射后，换能器需要一段时间“恢复平静”才能开始接收回波。在这个短暂的恢复时间内，传感器无法检测到任何回波信号。这意味着靠近传感器下方一段区域（称为盲区或死区）的液位是测量不到的。传感器必须安装在高于最高液位的位置，留出足够的盲区空间。
• 温度影响： 声速受温度影响显著（典型变化约0.17%每摄氏度）。温度补偿至关重要，大多数传感器都内置温度传感器或使用参考探头来实时修正声速值。
• 蒸汽、泡沫和粉尘： 严重的蒸汽、悬浮的泡沫或粉尘会吸收、散射超声波信号，导致反射信号非常微弱甚至无法被检测到，从而影响测量精度或失效。需要根据工况选择合适的传感器型号。
• 安装位置： 传感器应安装在罐顶中央，避开障碍物（如梯子、加热盘管、搅拌器叶片等），确保发射的声波锥形覆盖区能直接无障碍地到达最低液面。
• 液面条件： 平静的液面反射效果最佳。强烈波动、泡沫表面或粘稠液体可能减弱反射信号。
• 声速校准： 对于极其精确的应用，或者在介质成分变化较大的情况，有时需要在特定条件下进行现场声速校准（例如，在已知距离安装一个参考板）。

总而言之，超声波液位计通过精确测量超声波在空气中的传播时间，并结合环境声速（温度补偿后）和已知罐高，从而计算出液位高度。它是一种非接触式、可靠且广泛应用的液位测量技术。