TECHNOLOGY & APPLICATION
从测量原理到现场应用，了解超声波液位计的技术特点与选型要点。
TECHNICAL GUIDE
（Ultrasonic Level Meter，ULM）是一种典型的非接触式物位测量仪表，通过向液面发射超声波脉冲并接收回波，由飞行时间差反算液位。由于声波在空气中的传播速度（≈340m/s）远低于电磁波，超声波液位计具有结构简单、价格经济、安装方便的特点，是中小量程（≤ 15m）、常温常压、环境相对洁净场合的首选。
超声波液位计是物位测量仪表中应用最广的入门型非接触仪表，与雷达物位计、导波雷达共同构成"非接触液位测量"三大主力，在市政水务、化工储罐、水处理、食品饮料等行业的市场占有率超过 50%。
系统梳理超声波液位计的传感机理、机械与电气结构、技术优势与局限、典型应用场景、关键参数表与选型表，为仪表工程师提供一份可落地的速查资料。
MEASUREMENT PRINCIPLE
基于压电效应 + 飞行时间（Time of Flight, ToF）测距原理。核心公式为：D = c · t / 2D —— 探头到液面距离 (m) | c —— 声波在空气中的传播速度 (≈340 m/s) | t —— 发射至回波往返时间 (s)
由于 c 受温度影响显著（每升高 10 ℃，声速约增加 6 m/s，相对误差 ≈
8%），工业级超声波液位计均集成温度传感器进行实时补偿，公式修正为：c = 331.45 × √(1 + T/273.15) (m/s)T —— 环境温度 (℃)
根据液面与探头之间的高度关系，超声波液位计支持三种测量模式：
盲区（Dead Zone / Blocking Distance）：探头发射后需等待晶片振铃衰减（典型 100~500 mm），因此液面与探头之间必须保留一个最小距离（盲区），液位进入盲区时仪表将输出满量程或报警。
液面反射能力，超声液液面>固体颗粒；平静液面>波动液面；高介电常数、低蒸汽、轻泡沫回波更强。
罐内障碍物（梯子、搅拌桨、加热盘管、法兰接管）会产生反射干扰，现代仪表通过虚假回波学习（False Echo Suppression, FES）功能识别并抑制。
| 步骤 | 环节 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | 激励脉冲 | CPU 触发压电陶瓷，施加高频电压 |
| 2 | 压电逆效应 | 陶瓷晶片振动，发射 20~200 kHz 超声波 |
| 3 | 空气传播 | 声波在罐内空气中向液面传播 |
| 4 | 界面反射 | 声波遇到液面，部分能量反射回探头 |
| 5 | 回波接收 | 陶瓷晶片以正压电效应把回波转为电信号 |
| 6 | 信号调理 | 放大、整形、滤波、二抗 |
| 7 | 温度补偿 | 按实时温度修正声速 c |
| 8 | 液位输出 | 按 H = L − D 计算液位，输出 4~20 mA / HART |
| 模式 | 公式 | 说明 |
|---|---|---|
| 测量距离模式 | D = c·t/2 | 直接显示探头到液面距离 D（厂家调试或用户设定空罐高度时使用） |
| 液位高度模式 | L = H − D | 最常用：H 为满量程（罐高），D 为探头到液面距离，输出液位 L |
| 空高/剩余空间 | E = D − d | 输出探头到液面的剩余空间 E，常用于高位报警前的余量监测 |
PRODUCT STRUCTURE
由声学探头、电子模块、人机接口、外壳、安装法兰5
材质 / 形式：铝合金 / 不锈钢 / 塑料 主要功能：防护等级 IP65~IP68，承载所有内部组件
材质 / 形式：LCD / OLED 中英文菜单 主要功能：现场显示液位、温度、电流、报警
材质 / 形式：MCU + DSP 主要功能：产生激励、回波检测、温度补偿、虚假回波抑制、4~20 mA 输出
材质 / 形式：PT1000 / 数字温补 主要功能：实时测量环境温度，补偿声速 c
材质 / 形式：PZT-5 / PZT-8 主要功能：完成电 声转换（核心敏感元件）
材质 / 形式：环氧树脂 / 钨粉复合材料 主要功能：声阻抗匹配，提高发射效率
材质 / 形式：PE / PTFE / 硅橡胶 主要功能：聚焦波束，提高方向性
材质 / 形式：PVDF / PP / PTFE / 不锈钢 主要功能：耐腐蚀、密封、与介质兼容
材质 / 形式：螺纹 G2 / 法兰 DN50+ / 卡箍 主要功能：与罐体顶部或旁通管连接
材质 / 形式：M20×1.5 / ½"NPT 主要功能：电源 + 信号电缆引入，IP68 密封
组件：频率 材质 / 形式：波束角 主要功能：量程 典型应用
组件：100~200 kHz 材质 / 形式：3°~6° 主要功能：≤ 6 m 小型水箱、过程罐、反应釜
组件：40~80 kHz 材质 / 形式：6°~10° 主要功能：≤ 15 m 水池、水处理、市政、消防水箱
组件：20~40 kHz 材质 / 形式：10°~15° 主要功能：≤ 30 m 深井、深水池、大型立式罐
组件：40 kHz 材质 / 形式：8° 主要功能：≤ 15 m 污水池、含固体颗粒、易结垢介质
组件：40~80 kHz 材质 / 形式：6°~10° 主要功能：≤ 15 m 高温、强振动、远距离信号传输
组件：防护等级 材质 / 形式：材质 主要功能：适用环境
组件：IP65 材质 / 形式：铝合金喷塑 主要功能：室内、机房、简单室外
组件：IP67 材质 / 形式：铝合金压铸 / 不锈钢 主要功能：室外、潮湿、偶尔冲洗
组件：IP68 材质 / 形式：PVDF / 不锈钢 316L 主要功能：潜水安装、井、长期浸水
组件：IP67 材质 / 形式：PVDF 全包 / PTFE 衬里 主要功能：酸碱盐、强腐蚀介质上方安装
组件：IP69K 材质 / 形式：不锈钢 316L 镜面抛光 主要功能：食品、饮料、制药、生物发酵
TECHNICAL GUIDE
说明：探头不接触介质，无腐蚀、结垢、堵塞、卫生顾虑
说明：顶部开孔螺纹/法兰安装，无需破坏罐体，调试时间 5~15 min
说明：同等量程下，价格约为雷达物位计的 1/3~1/5
说明：水、污水、油、酸碱盐、浆液均可测量（除强泡沫/蒸汽外）
说明：集成 LCD，可现场直接读液位，免去现场仪表柜
说明：无可动机械部件，MTBF 通常 > 10 年
说明：可同时输出液位与剩余空间，便于高位报警
说明：内置 PT1000 自动补偿 -40~+80 ℃ 范围内的声速变化
说明：支持 4~20 mA + HART / Modbus / Profibus PA / FF
优点：缺点 说明：应对措施
说明：加装导波管（PP/不锈钢），或将探头从旁通管测
说明：加大发射功率或改用雷达物位计
说明：加装空气吹扫装置，或改用雷达物位计
说明：液位接近罐顶时进入盲区（约 0.25~0.5 m），需加大安装高度
说明：低温/高温场合声速变化非线性，应加扩展温度补偿
说明：±0.25%~±0.5%FS，比磁致伸缩 / 雷达差，不适用于贸易计量
说明：采用虚假回波学习（FES）功能，避免搅拌桨/加热管干扰
说明：声波需介质传播，真空环境下无法工作
APPLICATIONS
适用于中小量程（≤15
m）、常温常压、环境相对洁净的液体物位测量，以下为典型应用场景：
大量泡沫 +强搅拌的常压罐（如啤酒发酵罐、糖化锅），失波严重，应改用雷达物位计或导波雷达。
高蒸汽 / 高粉尘工况（如蒸汽锅炉、煤粉仓），声波衰减严重，应改用雷达物位计。
真空 / 负压罐，声波无法在真空中传播，应改用差压 / 雷达 / 磁致伸缩。
贸易计量（精度 ±0.5%FS 不足以满足贸易结算），应改用磁致伸缩 ±0.5 mm或质量流量计。
典型应用：清水池、二次供水水箱 推荐理由：非接触、卫生、IP68 防水
典型应用：污水池、调节池、滤池、清水池 推荐理由：价格经济、安装方便、可配自清洁探
典型应用：消防水池、高位水箱、喷淋水箱 推荐理由：IP68 / 电池供电款适合停电场合
典型应用：酸碱储罐、过程罐、中间罐 推荐理由：PVDF/PTFE 探头耐腐蚀
典型应用：果汁罐、牛奶罐、糖浆罐 推荐理由：卫生级 316L + IP69K 适用 CIP
典型应用：培养基罐、缓冲液罐 推荐理由：卫生级 + 不污染介质
典型应用：白水池、黑液池、染液池 推荐理由：可配自清洁探抗污染
典型应用：蓄水池、渠道液位 推荐理由：太阳能 + 4G 无线方案成熟
典型应用：河道、水库、潮位 推荐理由：IP68 潜水型 + 防雷
典型应用：化学水箱、循环水池、除盐水箱 推荐理由：非接触、远程诊断
TECHNICAL SPECIFICATIONS
下表汇总工业级超声波液位计的典型技术参数，覆盖大多数厂家（如西门子 SITRANS Probe
LU、VEGA VEGA 60、E+H FMU30/40/90、横河 ULG100 等）的常规规格：
| # | 参数项 | 典型规格 |
|---|---|---|
| 1 | 量程范围 | 0.25 ~ 30 m（依探头频率） |
| 2 | 盲区 | 0.15 ~ 0.5 m（探头越小越好） |
| 3 | 测量精度 | ±0.25%FS（高精度型）；±0.5%FS（标准型） |
| 4 | 分辨率 | 1 mm / 0.1%FS |
| 5 | 工作频率 | 20 ~ 200 kHz（高频短距、低频远距） |
| 6 | 波束角 | 3° ~ 15°（频率越高角越小） |
| 7 | 工作温度 | 40 ~ +80 ℃（探头），-20 ~ +70 ℃（电子） |
| 8 | 过程压力 | ≤ 0.3 MPa（常压）；耐压型 ≤ 1.0 MPa |
| 9 | 介质要求 | 液面平静、无大量泡沫、无强蒸汽、无粉尘爆炸 |
| 10 | 温度补偿 | 内置 PT1000，自动补偿 -40~+80 ℃ |
| 11 | 输出信号 | 4~20 mA + HART（两线制 / 四线制） |
| 12 | 通信协议 | HART 7 / Modbus RTU / Profibus PA / FF |
| 13 | 供电电压 | 两线制 12~30 VDC；四线制 24 VDC / 220 VAC |
| 14 | 功耗 | ≤ 1.5 W（两线制）；≤ 5 W（四线制带显示） |
| 15 | 显示 | LCD 中文菜单 + 棒图 + 4 位数字 |
| 16 | 防护等级 | IP65 / IP67 / IP68（潜水型） |
| 17 | 防爆等级 | Ex ia IIC T6（本安）/ Ex d IIB T4（隔爆） |
| 18 | 过程连接 | G2 / G1½ 螺纹；DN50 / DN80 法兰；卡箍 2"/3" |
| 19 | 探头材质 | PVDF（耐腐蚀）/ PTFE（强酸碱）/ 不锈钢 316L（卫生） |
| 20 | 外壳材质 | 铝合金 / 不锈钢 316L / 塑料（IP65 经济型） |
| 21 | 电缆入口 | M20×1.5 / ½"NPT，配 PG 格兰头 |
| 22 | 响应时间 | 1 ~ 30 s（可调，默认 4 s） |
| 23 | 虚假回波抑制 | FES 学习功能，最多记录 20 个干扰点 |
| 24 | 故障诊断 | 失波报警、空罐设定、虚假回波跟踪、温度异常 |
| 25 | 认证 | CE / CCC / 防爆证 / SIL 2 / 计量器具型式批准 |
SELECTION GUIDE
的选型应按"量程 → 探头形式 → 介质兼容性 → 防爆 →
| 代码 | 量程 | 频率 | 盲区 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| UL-A | ≤ 6 m | 100~200 kHz | 0.15 m | 小型水箱、过程罐、反应釜 |
| UL-B | ≤ 10 m | 60~80 kHz | 0.20 m | 中型水池、调节池 |
| UL-C | ≤ 15 m | 40~50 kHz | 0.30 m | 大型水池、水处理、消防水箱 |
| UL-D | ≤ 30 m | 20~30 kHz | 0.50 m | 深井、深水池、大型立式罐 |
| UL-E | ≤ 6 m（自清洁） | 40 kHz | 0.30 m | 污水池、含颗粒、易结垢介质 |
| 场景 | 推荐量程 | 探头材质 | 防护 | 通信 |
| 清水池 | UL-B/C | PVDF | IP68 | 4~20 mA / HART |
| 污水池 | UL-E（自清洁 ） | PP / PVDF | IP68 | 4~20 mA / HART |
| 消防水箱 | UL-B/C | PVDF | IP68 | 4~20 mA + 干接点 |
| 酸碱储罐 | UL-A/B | PTFE / 哈氏 | IP67 | HART + FF |
| 食品罐 | UL-A | 不锈钢 316L | IP69K | HART / Modbus |
| 过程罐 | UL-A/B | PVDF | IP65 | HART / Profibus |
| 江河水位 | UL-D + 太阳能 | PVDF | IP68 | 4G / NB-IoT / LoRa |
| 深井 | UL-D | PVDF | IP68 | 电池供电 + 无线 |
| 反应釜（≤ 200 ℃） | UL-A 分体式 | 不锈钢 + 高温电缆 | IP65 | HART / 4~20 mA |
| 介质类型 | 介质示例 | 探头材质 | 注意事项 | |
| M1 清水 | 自来水、纯水、脱盐水 | PVDF / 316L | 普通即可 | |
| M2 污水 | 生活污水、工业废水 | PP / 自清洁 | 配自清洁功能或空气吹扫 | |
| M3 酸碱盐 | HCl / NaOH / 盐水 | PVDF / PTFE / 哈氏 | PVDF 酸碱耐受，PTFE 强酸碱 | |
| M4 油品 | 原油 / 柴油 / 润滑油 | 316L / PTFE | 需注意蒸汽影响 |
| 介质类型 | 介质示例 | 探头材质 | 注意事项 |
|---|---|---|---|
| M5 浆液 | 纸浆 / 泥浆 / 矿浆 | PP / 自清洁 | 自清洁探或加导波管 |
| M6 食品 | 牛奶 / 果汁 / 糖浆 | 316L 卫生级 | IP69K + 镜面抛光 |
| M7 含颗粒 | 矿浆 / 砂石水 | PP + 自清洁 | 空气吹扫必需 |
| 代码 | 防爆型式 | 防护等级 | 典型应用 |
| EX-N | 无防爆（普通型） | IP65 | 机房、户外非危险区 |
| EX-D | 隔爆型 Ex d IIB T4 | IP67 | 化工储罐（爆炸性气体环境） |
| EX-I | 本安型 Ex ia IIC T6 | IP67 / IP68 | 强腐蚀、易燃易爆介质上方 |
| WP-A | 无防爆 + IP65 | IP65 | 室内安装 |
| WP-B | 无防爆 + IP67 | IP67 | 室外、潮湿环境 |
| WP-C | 无防爆 + IP68 | IP68 | 潜水安装、井、长期浸水 |
| WP-D | 无防爆 + IP69K | IP69K | 食品、制药、CIP 冲洗 |
| 代码 | 过程连接 | 规格 | 适用场景 |
| CN-T1 | 螺纹 | G2 / G1½ | 小型罐、过程罐、经济型 |
| CN-T2 | 美制螺纹 | 2"NPT / 1.5"NPT | 北美标准、过程罐 |
| CN-F1 | 法兰 | DN50 / DN65 / DN80 | 中型罐、储罐、压力容器 |
| CN-F2 | 法兰 | DN100 / DN125 | 大型罐、便于拆装 |
| CN-C1 | 卫生卡箍 | 2" / 3" Tri-clamp | 食品、饮料、制药 |
| CN-S1 | 支架安装 | L 型 / 万向支架 | 室外、河道、水池顶部 |
SELECTION GUIDE
超声波液位计是中小量程、常温常压、非接触的首选仪表，具有价格低、安装快、维护少的显著优势。选型时应重点关注量程、盲区、温度补偿、介质兼容性四大要素，并对强泡沫、高蒸汽、真空、高精度等特殊工况考虑升级到雷达或导波雷达方案。
| 步骤 | 任务 | 关键问题 |
|---|---|---|
| 1 | 明确测量对象 | 液体 / 浆液 / 油品 / 酸碱？介质密度、粘度、腐蚀性？ |
| 2 | 确定量程 | 罐体高度 H？最高 / 最低液位？盲区预留？ |
| 3 | 评估环境 | 介质温度、过程压力、有无蒸汽 / 泡沫 / 粉尘？ |
| 4 | 选探头 | 按 7.1 量程表选 UL-A/B/C/D/E；按介质选探头材质 |
| 5 | 选防护 | 按环境选 IP65/IP67/IP68/IP69K |
| 6 | 选防爆 | 爆炸性气体 / 粉尘环境？选 Ex d / Ex ia |
| 7 | 选通信 | 4~20 mA + HART（最常用）/ Modbus / Profibus / FF / 4G |
| 8 | 选连接 | 螺纹 / 法兰 / 卡箍 / 支架，按 7.5 表 |
| 9 | 下单 | 核对电源电压、显示语言（中文）、认证（CE/CCC/SIL） |
| # | 注意事项 | |
| 1 | 避开盲区：最高液位应距探头 ≥ 0.3 m（即盲区 + 安全裕量） | |
| 2 | 避开障碍物：罐内梯子、搅拌、加热管应离探头 ≥ 波束半径（一般 0.3~0.5 m） | |
| 3 | 探头垂直向下：垂直度偏差 ≤ ±2°，否则回波减弱 | |
| 4 | 温度补偿线长度：温度传感器至探头 ≤ 1 m，否则补偿失准 | |
| 5 | 电缆屏蔽：使用屏蔽双绞线，屏蔽层单端接地，避免动力电缆平行走线 | |
| 6 | 电源稳定：电压波动 ≤ 5%，必要时加稳压器或隔离栅 | |
| 7 | 罐顶接管：接管高度 ≤ 0.3 m，内径 ≥ 探头直径，否则会衰减波束 | |
| 8 | 虚假回波学习：首次安装时空罐学习一次，加装障碍物后再学习一次 | |
| 9 | 防雷 / 防水：室外安装应加防雷栅 + 防水接线盒 | |
| 10 | 预留盲区裕量：罐顶最高液位时不得进入盲区，否则输出满量程 | |
| 故障现象 | 可能原因 | 处理措施 |
| 输出 22 mA（超量程） | 失波 / 液位进入盲区 | 降低探头高度 / 重新空罐学习 |
| 输出 4 mA（超低） | 回波弱 / 探头故障 | 检查电源、清洁探头、重新学习 |
| 故障现象 | 可能原因 | 处理措施 |
|---|---|---|
| 输出跳变不稳定 | 虚假回波干扰 | 调整阈值、重新学习、加导波管 |
| 偏差大且随温度变化 | 温度补偿失准 | 检查 PT1000 接线、确认探头内温度 |
| 液体平稳仍失波 | 液面大量泡沫 / 蒸汽 | 改用雷达、加导波管或降低探头高度 |
| 显示空白 / 无显示 | 供电 / 显示板故障 | 检查 24 VDC 电源、更换显示模块 |
| 测量值比实际高 | 虚假回波识别错误 | 重新空罐学习 FES，调整增益 |
| 测量值比实际低 | 信号衰减 / 探头污染 | 清洁探头、加大发射功率 |
| 通信失败（HART） | 接线错误 / 电阻不匹配 | 回路电阻 250 Ω ± 20%，检查极性 |
Models
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