超聲波液位計的工作原理是什么超聲波液位計常見誤差校準怎么處理?

  隨著工業(yè)自動化水平的迅速提高，超聲波液位計作為工業(yè)生產中液位測量的重要測試和控制手段，已經廣泛應用于各種容器和管道，以及水庫、河流和運河中。無論在哪里使用，都對液位計的測量精度提出了越來越高的要求。超聲波液位計廣泛應用于液位測量。然而，超聲波液位計的測量精度容易受到溫度、濕度、粉塵、被測液體的化學成分等多種因素的影響，導致其測量精度較低。本文分析了超聲波液位計測量中可能出現(xiàn)的一些誤差，并提出了相應的補償措施。

  一、超聲波液位計的工作原理

  超聲波液位計一般采用接收和發(fā)射相結合的陶瓷超聲換能器，聲波的發(fā)射和接收由同一探頭完成。探頭向被測液體表面發(fā)射超聲信號，并且超聲波通過傳播介質從探頭傳播到被測液體表面，在液體表面上形成反射，并且反射波沿著原始路徑傳播到探頭并被探頭吸收。計時單元測量超聲波從發(fā)射到接收回波所用的時間。根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，可以計算出探頭到液面的距離，進而得到液面的高度。

  二、超聲波液位計常見誤差及校準方法

  1)參考聲速的精度誤差

  根據(jù)距離值S、聲速c與傳輸時間T之間的關系式S=CT/2，可以看出超聲波的傳輸時間是液位測量的中間結果。使用超聲波液位計測量液位時，需要知道超聲波在空氣中的傳播速度，因此超聲波傳播速度的準確性將極大地影響超聲波液位計的測量精度。

  溫度補償

  一般來說，溫度是影響聲速的主要因素。通過在超聲波液位計上安裝溫度傳感器，可以實時測量溫度，利用溫度和聲速之間的關系可以轉換聲速值。然而，事實上，聲速不僅受溫度的影響，還與許多因素有關，如氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮固體等。因此，在實際應用中，僅用測溫的方法來標定聲速還有很多缺點，而且在測溫過程中存在一定的誤差，因此溫度補償方法只適用于一般應用，不能滿足高精度測量的要求。

  實時聲速補償

  實踐證明，由于測量環(huán)境和測量方法的復雜性，無論用什么經驗公式和數(shù)據(jù)來補償聲速，都有必要引入新的誤差。因此，通過測量聲速來補償聲速被認為是最可靠的補償方法。

  如圖所示，在發(fā)射探頭的前端安裝一個擋板，與探頭形成一個固定距離的聲程間隔。這種結構稱為聲音路徑框架。當探頭發(fā)出聲波時，擋板可以將一部分聲波反射回探頭。探頭接收到反射波后，計算從發(fā)射到接收的時間，并計算聲速。

  測量聲速法用于補償。由于補償后的聲速與被測聲音傳播路徑所處的環(huán)境非常相似，且環(huán)境影響基本相同，聲速通常比較接近，因此該方法是目前使用的最準確的聲速校正方法。然而，在使用這種方法時，聲路徑框架應該由具有低溫度膨脹系數(shù)的材料制成，以防止聲路徑框架由于環(huán)境溫度的變化而隨熱膨脹和隨冷收縮，這將改變聲路徑距離并影響測量聲速的精度。

  2)傳輸時間誤差

  聲波是一種縱向振動的彈性機械波，通過傳播介質的分子運動來傳播。由于傳播介質的吸收、散射和聲波擴散，聲強、聲壓和聲能減弱，聲波衰減。另外，超聲波液位計的測量需要在被測液體表面形成聲波反射，這也會造成聲波的衰減。聲波按照傳播距離的指數(shù)規(guī)律衰減。當液位不同時，聲波的傳播距離也不同，接收波的振幅也大不相同。當探頭發(fā)射超聲波時，系統(tǒng)開始計時，當接收信號的幅度超過設定的閾值時，系統(tǒng)停止計時。當液位高度改變時，接收信號的幅度也會改變。當液位較低時，接收信號的幅度較小，可能需要在第四個峰值達到閾值;當液位較高時，接收信號的幅度較大，可能在第三個或更早的時間達到閾值。這樣，停止計時的時間是不確定的，這種不確定性必然會給系統(tǒng)的測量精度帶來誤差。如果將這一誤差應用于1
000米以上的儲油罐，將會產生非?？陀^的絕對誤差，因此必須予以消除。

  目前，消除渡越時間誤差的一種簡單方法是增加一個時間控制電路(TGC)，它可以補償聲波在傳播過程中的衰減，使接收到的波的振幅在各種液位下基本一致，從而使測量誤差最小化。然而，這種方法仍然有很大的局限性。在該方法中，需要預測聲波在不同液位高度的傳播時間和聲波在該距離的衰減，然后繪制它們之間對應關系的曲線，并設計符合該曲線方程的時間增益控制電路。

  根據(jù)前面的分析，傳播時間和衰減是兩個重要的因素，容易受到現(xiàn)場環(huán)境的影響，不能很好地與預先準備好的曲線相匹配。此外，即使擬合曲線非常精確，也很難設計出與其完全一致的TGC電路。因此，在補償中引入新的誤差是不可避免的。為了徹底消除渡越時間誤差，接收電路的信號變換過程是對接收信號進行預處理，經過DC檢測后提取信號的包絡，并對包絡進行微分。通過信號變換過程，不管接收信號的幅度如何，其包絡的峰值必須在接收信號的時間中心點，即在差分信號的過零點。因此，由過零檢測電路產生的停止定時信號必須在回波信號的時間中心點，并且不會由于信號的幅度而改變，從而完全消除了渡越時間誤差。

  3)系統(tǒng)誤差

  系統(tǒng)誤差主要由系統(tǒng)延遲引起，系統(tǒng)延遲主要來自硬件電路延遲、單片機中斷響應延遲、探頭響應延遲等。由于超聲波液位計工作在脈沖發(fā)射狀態(tài)，每次單片機發(fā)出發(fā)射命令后，發(fā)射功率放大電路必須經過能量積累過程才能達到發(fā)射狀態(tài)。同時，探頭中的壓電陶瓷也有一個振動啟動過程，需要一定的時間才能達到40kHz的振動頻率。但是，計時從發(fā)射命令開始，因此必須考慮系統(tǒng)延遲，并在軟件中進行補償。

  另外，當通過超聲波測量液位時，液位距離是從探頭的前端表面到液位的距離。事實上，壓電陶瓷的聲學中心不在其表面。因此，從探頭表面到聲學中心點的距離也將導致系統(tǒng)誤差，這可以被分類為時延差并一起校正。

  對于同類型或同批次的超聲波液位計，由于所用的元件、材料和工藝相同，系統(tǒng)延時幾乎相同，而且是一個相對固定的值。因此，可以通過測試固定距離來校準和校正系統(tǒng)時間延遲。

  分析了超聲波液位計測量中的幾種主要誤差，并提出了修正方法。它被稱為Uson-11系列超聲波液位計。根據(jù)上述校正方法，測量精度大大提高，并具有溫度補償，精度高，適應性強;采用特殊的回波處理方法，有效避免虛假回波;整機防護等級高達IP66/IP67，可適用于不同的工業(yè)環(huán)境。