超聲波液位計(jì)的工作原理是什么超聲波液位計(jì)常見誤差校準(zhǔn)怎么處理?

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

  一、超聲波液位計(jì)的工作原理

  超聲波液位計(jì)一般采用接收和發(fā)射相結(jié)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(hào)，并且超聲波通過傳播介質(zhì)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(jì)時(shí)單元測量超聲波從發(fā)射到接收回波所用的時(shí)間。根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，可以計(jì)算出探頭到液面的距離，進(jìn)而得到液面的高度。

  二、超聲波液位計(jì)常見誤差及校準(zhǔn)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(shí)間T之間的關(guān)系式S=CT/2，可以看出超聲波的傳輸時(shí)間是液位測量的中間結(jié)果。使用超聲波液位計(jì)測量液位時(shí)，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(zhǔn)確性將極大地影響超聲波液位計(jì)的測量精度。

  溫度補(bǔ)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(jì)上安裝溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)測量溫度，利用溫度和聲速之間的關(guān)系可以轉(zhuǎn)換聲速值。然而，事實(shí)上，聲速不僅受溫度的影響，還與許多因素有關(guān)，如氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮固體等。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，僅用測溫的方法來標(biāo)定聲速還有很多缺點(diǎn)，而且在測溫過程中存在一定的誤差，因此溫度補(bǔ)償方法只適用于一般應(yīng)用，不能滿足高精度測量的要求。

  實(shí)時(shí)聲速補(bǔ)償

  實(shí)踐證明，由于測量環(huán)境和測量方法的復(fù)雜性，無論用什么經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)來補(bǔ)償聲速，都有必要引入新的誤差。因此，通過測量聲速來補(bǔ)償聲速被認(rèn)為是最可靠的補(bǔ)償方法。

  如圖所示，在發(fā)射探頭的前端安裝一個(gè)擋板，與探頭形成一個(gè)固定距離的聲程間隔。這種結(jié)構(gòu)稱為聲音路徑框架。當(dāng)探頭發(fā)出聲波時(shí)，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(jì)算從發(fā)射到接收的時(shí)間，并計(jì)算聲速。

  測量聲速法用于補(bǔ)償。由于補(bǔ)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(zhǔn)確的聲速校正方法。然而，在使用這種方法時(shí)，聲路徑框架應(yīng)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(shí)間誤差

  聲波是一種縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，通過傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)來傳播。由于傳播介質(zhì)的吸收、散射和聲波擴(kuò)散，聲強(qiáng)、聲壓和聲能減弱，聲波衰減。另外，超聲波液位計(jì)的測量需要在被測液體表面形成聲波反射，這也會(huì)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(dāng)液位不同時(shí)，聲波的傳播距離也不同，接收波的振幅也大不相同。當(dāng)探頭發(fā)射超聲波時(shí)，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收信號(hào)的幅度超過設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)。當(dāng)液位高度改變時(shí)，接收信號(hào)的幅度也會(huì)改變。當(dāng)液位較低時(shí)，接收信號(hào)的幅度較小，可能需要在第四個(gè)峰值達(dá)到閾值;當(dāng)液位較高時(shí)，接收信號(hào)的幅度較大，可能在第三個(gè)或更早的時(shí)間達(dá)到閾值。這樣，停止計(jì)時(shí)的時(shí)間是不確定的，這種不確定性必然會(huì)給系統(tǒng)的測量精度帶來誤差。如果將這一誤差應(yīng)用于1
000米以上的儲(chǔ)油罐，將會(huì)產(chǎn)生非?？陀^的絕對(duì)誤差，因此必須予以消除。

  目前，消除渡越時(shí)間誤差的一種簡單方法是增加一個(gè)時(shí)間控制電路(TGC)，它可以補(bǔ)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(yù)測聲波在不同液位高度的傳播時(shí)間和聲波在該距離的衰減，然后繪制它們之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的曲線，并設(shè)計(jì)符合該曲線方程的時(shí)間增益控制電路。

  根據(jù)前面的分析，傳播時(shí)間和衰減是兩個(gè)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(yù)先準(zhǔn)備好的曲線相匹配。此外，即使擬合曲線非常精確，也很難設(shè)計(jì)出與其完全一致的TGC電路。因此，在補(bǔ)償中引入新的誤差是不可避免的。為了徹底消除渡越時(shí)間誤差，接收電路的信號(hào)變換過程是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過DC檢測后提取信號(hào)的包絡(luò)，并對(duì)包絡(luò)進(jìn)行微分。通過信號(hào)變換過程，不管接收信號(hào)的幅度如何，其包絡(luò)的峰值必須在接收信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)，即在差分信號(hào)的過零點(diǎn)。因此，由過零檢測電路產(chǎn)生的停止定時(shí)信號(hào)必須在回波信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)，并且不會(huì)由于信號(hào)的幅度而改變，從而完全消除了渡越時(shí)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(jī)中斷響應(yīng)延遲、探頭響應(yīng)延遲等。由于超聲波液位計(jì)工作在脈沖發(fā)射狀態(tài)，每次單片機(jī)發(fā)出發(fā)射命令后，發(fā)射功率放大電路必須經(jīng)過能量積累過程才能達(dá)到發(fā)射狀態(tài)。同時(shí)，探頭中的壓電陶瓷也有一個(gè)振動(dòng)啟動(dòng)過程，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到40kHz的振動(dòng)頻率。但是，計(jì)時(shí)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(jìn)行補(bǔ)償。

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

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

  分析了超聲波液位計(jì)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(jì)。根據(jù)上述校正方法，測量精度大大提高，并具有溫度補(bǔ)償，精度高，適應(yīng)性強(qiáng);采用特殊的回波處理方法，有效避免虛假回波;整機(jī)防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP66/IP67，可適用于不同的工業(yè)環(huán)境。