超声波液位计的工作原理是什么超声波液位计常

  超声波液位计的工作原理是什么超声波液位计常见误差校准怎么处理?

  随着工业自动化水平的迅速提高，超声波液位计作为工业生产中液位测量的重要测试和控制手段，已经广泛应用于各种容器和管道，以及水库、河流和运河中。无论在哪里使用，都对液位计的测量精度提出了越来越高的要求。超声波液位计广泛应用于液位测量。然而，超声波液位计的测量精度容易受到温度、湿度、粉尘、被测液体的化学成分等多种因素的影响，导致其测量精度较低。本文分析了超声波液位计测量中可能出现的一些误差，并提出了相应的补偿措施。

  一、超声波液位计的工作原理

  超声波液位计一般采用接收和发射相结合的陶瓷超声换能器，声波的发射和接收由同一探头完成。探头向被测液体表面发射超声信号，并且超声波通过传播介质从探头传播到被测液体表面，在液体表面上形成反射，并且反射波沿着原始路径传播到探头并被探头吸收。计时单元测量超声波从发射到接收回波所用的时间。根据声波在空气中的传播速度，可以计算出探头到液面的距离，进而得到液面的高度。

  二、超声波液位计常见误差及校准方法

  1)参考声速的精度误差

  根据距离值S、声速c与传输时间T之间的关系式S=CT/2，可以看出超声波的传输时间是液位测量的中间结果。使用超声波液位计测量液位时，需要知道超声波在空气中的传播速度，因此超声波传播速度的准确性将极大地影响超声波液位计的测量精度。

  温度补偿

  一般来说，温度是影响声速的主要因素。通过在超声波液位计上安装温度传感器，可以实时测量温度，利用温度和声速之间的关系可以转换声速值。然而，事实上，声速不仅受温度的影响，还与许多因素有关，如气体密度、气压、湿度、空气中的悬浮固体等。因此，在实际应用中，仅用测温的方法来标定声速还有很多缺点，而且在测温过程中存在一定的误差，因此温度补偿方法只适用于一般应用，不能满足高精度测量的要求。

  实时声速补偿

  实践证明，由于测量环境和测量方法的复杂性，无论用什么经验公式和数据来补偿声速，都有必要引入新的误差。因此，通过测量声速来补偿声速被认为是最可靠的补偿方法。

  如图所示，在发射探头的前端安装一个挡板，与探头形成一个固定距离的声程间隔。这种结构称为声音路径框架。当探头发出声波时，挡板可以将一部分声波反射回探头。探头接收到反射波后，计算从发射到接收的时间，并计算声速。

  测量声速法用于补偿。由于补偿后的声速与被测声音传播路径所处的环境非常相似，且环境影响基本相同，声速通常比较接近，因此该方法是目前使用的最准确的声速校正方法。然而，在使用这种方法时，声路径框架应该由具有低温度膨胀系数的材料制成，以防止声路径框架由于环境温度的变化而随热膨胀和随冷收缩，这将改变声路径距离并影响测量声速的精度。

  2)传输时间误差

  声波是一种纵向振动的弹性机械波，通过传播介质的分子运动来传播。由于传播介质的吸收、散射和声波扩散，声强、声压和声能减弱，声波衰减。另外，超声波液位计的测量需要在被测液体表面形成声波反射，这也会造成声波的衰减。声波按照传播距离的指数规律衰减。当液位不同时，声波的传播距离也不同，接收波的振幅也大不相同。当探头发射超声波时，系统开始计时，当接收信号的幅度超过设定的阈值时，系统停止计时。当液位高度改变时，接收信号的幅度也会改变。当液位较低时，接收信号的幅度较小，可能需要在第四个峰值达到阈值;当液位较高时，接收信号的幅度较大，可能在第三个或更早的时间达到阈值。这样，停止计时的时间是不确定的，这种不确定性必然会给系统的测量精度带来误差。如果将这一误差应用于1
000米以上的储油罐，将会产生非常客观的绝对误差，因此必须予以消除。

  目前，消除渡越时间误差的一种简单方法是增加一个时间控制电路(TGC)，它可以补偿声波在传播过程中的衰减，使接收到的波的振幅在各种液位下基本一致，从而使测量误差最小化。然而，这种方法仍然有很大的局限性。在该方法中，需要预测声波在不同液位高度的传播时间和声波在该距离的衰减，然后绘制它们之间对应关系的曲线，并设计符合该曲线方程的时间增益控制电路。

  根据前面的分析，传播时间和衰减是两个重要的因素，容易受到现场环境的影响，不能很好地与预先准备好的曲线相匹配。此外，即使拟合曲线非常精确，也很难设计出与其完全一致的TGC电路。因此，在补偿中引入新的误差是不可避免的。为了彻底消除渡越时间误差，接收电路的信号变换过程是对接收信号进行预处理，经过DC检测后提取信号的包络，并对包络进行微分。通过信号变换过程，不管接收信号的幅度如何，其包络的峰值必须在接收信号的时间中心点，即在差分信号的过零点。因此，由过零检测电路产生的停止定时信号必须在回波信号的时间中心点，并且不会由于信号的幅度而改变，从而完全消除了渡越时间误差。

  3)系统误差

  系统误差主要由系统延迟引起，系统延迟主要来自硬件电路延迟、单片机中断响应延迟、探头响应延迟等。由于超声波液位计工作在脉冲发射状态，每次单片机发出发射命令后，发射功率放大电路必须经过能量积累过程才能达到发射状态。同时，探头中的压电陶瓷也有一个振动启动过程，需要一定的时间才能达到40kHz的振动频率。但是，计时从发射命令开始，因此必须考虑系统延迟，并在软件中进行补偿。

  另外，当通过超声波测量液位时，液位距离是从探头的前端表面到液位的距离。事实上，压电陶瓷的声学中心不在其表面。因此，从探头表面到声学中心点的距离也将导致系统误差，这可以被分类为时延差并一起校正。

  对于同类型或同批次的超声波液位计，由于所用的元件、材料和工艺相同，系统延时几乎相同，而且是一个相对固定的值。因此，可以通过测试固定距离来校准和校正系统时间延迟。

  分析了超声波液位计测量中的几种主要误差，并提出了修正方法。它被称为Uson-11系列超声波液位计。根据上述校正方法，测量精度大大提高，并具有温度补偿，精度高，适应性强;采用特殊的回波处理方法，有效避免虚假回波;整机防护等级高达IP66/IP67，可适用于不同的工业环境。