超聲波液位計工作原理及常見誤差校準(zhǔn)

　　隨著工業(yè)自動化程度的快速提高，液位測量作為工業(yè)生產(chǎn)中液位測量的一個重要測試和控制手段，已被廣泛應(yīng)用于各種容器、管道內(nèi)液位測量及水庫、江河、水渠的水位測量。無論是應(yīng)用于哪種場所，都對液位計的測量精度提出了越來越高的要求。在液位測量中，超聲波液位計的使用非常普遍。但由于超聲波液位計的測量精度極易受到溫度、濕度、粉塵、被測量液體的化學(xué)成分等多方面因素的影響，導(dǎo)致其測量精度不高。本文對超聲波液位計測量中可能出現(xiàn)的一些誤差進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)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收發(fā)合一的陶瓷超聲波換能器，聲波的發(fā)射和接收都由同一個探頭完成。探頭向被測液面發(fā)射超聲波信號，超聲波由探頭經(jīng)傳播介質(zhì)傳播至被測液面，在液面上形成反射，反射波沿原路徑傳播至探頭，被探頭吸收。計時單元測量超聲波從發(fā)射到回波被接收所用的時間，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，可以計算出探頭至液面的距離，從而得出液面的高度。

　　二、超聲波液位計常見誤差及校準(zhǔn)方法

　　一）參考聲速精度誤差

　　從距離值S與聲速C和傳輸時間T之間的關(guān)系公式S=C×T/2可知，超聲波的傳播時間是液位計測量的中間結(jié)果，利用超聲波液位計測量液位，還需要知道超聲波在空氣中的傳播速度，因此對超聲波傳播速度取值精度將極大地影響超聲波液位計的測量精度。

　　?溫度補(bǔ)償

　　一般情況下，溫度是影響聲速的主要因素?？赏ㄟ^在超聲波液位計上安裝溫度傳感器實(shí)時測量溫度，并利用溫度與聲速的關(guān)系，換算出聲速值。但是，實(shí)際上聲速又不僅僅受溫度影響，還與氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮物等諸多因素有關(guān)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，僅利用測量溫度的方法，對聲速進(jìn)行標(biāo)定還有諸多不足，且在溫度測量過程中也會存在一定的誤差，因此溫度補(bǔ)償方法只適用一般應(yīng)用，而無法滿足高精度測量。

　　?實(shí)時聲速補(bǔ)償

　　實(shí)踐證明，由于受測量環(huán)境的復(fù)雜性和測量方法等因素的影響，無論是利用何種經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對聲速進(jìn)行補(bǔ)償，都需要引進(jìn)新的誤差。因此，利用實(shí)測聲速的方法進(jìn)行聲速補(bǔ)償被認(rèn)為是最可靠的補(bǔ)償方法。

　　如圖所示，在發(fā)射探頭前端安裝一個擋板，擋板與探頭形成一個距離固定的聲程區(qū)間，該結(jié)構(gòu)稱之為聲程架。當(dāng)探頭發(fā)射聲波時，該擋板能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，并計算出聲速。

　　利用實(shí)測聲速方法進(jìn)行補(bǔ)償，由于補(bǔ)償聲速與測量聲波傳播路徑所處的環(huán)境極為相似，所受的環(huán)境影響也基本一致，其聲速通常比較接近，所以這種方法是目前使用最精確的聲速修正方式。但是這種方法的使用中，聲程架應(yīng)選用低溫度膨脹系數(shù)的材料，以免環(huán)境溫度變化聲程架發(fā)生熱脹冷縮，使聲程距離發(fā)生改變，影響實(shí)測聲速精度。

　　二）渡越時間誤差

　　聲波是縱向振動的彈性機(jī)械波，它借助傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動而傳播。由于傳播介質(zhì)的吸收、散射和聲波的擴(kuò)散等原因，導(dǎo)致聲強(qiáng)、聲壓和聲能減弱，發(fā)生聲波衰減。并且超聲波液位計的測量需要在被測液面上形成一次聲波反射，這同樣會引起聲波的衰減。聲波是按傳播距離的指數(shù)規(guī)律衰減的，當(dāng)液面高度不同時，聲波的傳輸距離也不相同，其接收波的幅度也會有較大差異。探頭發(fā)射超聲波時系統(tǒng)開始計時，當(dāng)接收信號的幅度超過設(shè)定的閾值時停止計時。液位高度發(fā)生變化時，接收信號的幅度也會發(fā)生變化。在液位比較低時，接收信號幅度比較小，可能需要在第4個波峰處才能達(dá)到閾值；當(dāng)液面高度比較高時，接收信號幅度比較大，可能在第3個甚至更早就能達(dá)到閾值。這樣停止計時的時間就不是確定的，這種不確定性必然會給系統(tǒng)測量精度帶來誤差。該誤差如果應(yīng)用在1000m3以上的儲油罐上，將會產(chǎn)生很客觀的絕對誤差，所以必須要消除。

　　目前比較簡單的消除渡越時間誤差的方法是增加時間控制電路（TGC），利用TGC電路補(bǔ)償聲波在傳播過程中的衰減，使各種液面高度情況下，接收波的幅度基本保持一致，從而盡量減小測量誤差。但是這種方法還是具有較大局限性。該方法需要預(yù)知不同液位高度聲波的傳播時間，以及在這段距離內(nèi)聲波的衰減量，然后將兩者的對應(yīng)關(guān)系擬制出一條曲線，并設(shè)計出符合這一曲線方程的時間增益控制電路。

　　根據(jù)前面的分析，傳播時間和衰減量是較為重要的兩個因素，它們易受現(xiàn)場環(huán)境影響，而不能與事先擬制的曲線很好吻合。并且，即使擬合的曲線十分精確，也難以設(shè)計出與之完全吻合的TGC電路。由此，在補(bǔ)償中新的誤差引入也就在所難免了。而要徹底消除渡越時間誤差，接收電路的信號變換過程為經(jīng)過前置預(yù)處理的接收信號，經(jīng)過直流檢波后提取出信號的包絡(luò)，將包絡(luò)進(jìn)行微分處理。通過信號的變換過程，無論接收信號的幅度如何，其包絡(luò)的峰值肯定處于接收信號的時間中心點(diǎn)上，即微分信號的過零處。因此，過零檢測電路產(chǎn)生的停止計時信號一定處于回波信號的時間中心點(diǎn)，不會因信號的幅度而改變，由此，渡越時間誤差也就完全消除了。

　　三）系統(tǒng)誤差

　　系統(tǒng)誤差主要由系統(tǒng)時延產(chǎn)生，系統(tǒng)延時的主要來源有硬件電路延時、單片機(jī)的中斷響應(yīng)延時、探頭響應(yīng)延時等。由于超聲波液位計工作于脈沖發(fā)射狀態(tài)，單片機(jī)每次發(fā)出發(fā)射命令后，發(fā)射功放電路要經(jīng)過一個能量蓄積的過程才能達(dá)到發(fā)射狀態(tài)，同時探頭內(nèi)的壓電陶瓷也有一個起振過程，要達(dá)到40kHz的振動頻率也需要一定時間。而計時卻是從發(fā)射命令發(fā)出開始的，因此這個系統(tǒng)時延必須要予以考慮，并在軟件上進(jìn)行補(bǔ)償。

　　另外，超聲波測量液位時，液位距離都是從探頭前端表面到液面，實(shí)際上壓電陶瓷聲學(xué)中心并不是在其表面上。因此，從探頭表面到聲學(xué)中心點(diǎn)的距離，也會引起系統(tǒng)誤差，這個誤差可以和時延誤差歸為一類，并一同修正。

　　對于同一個型號或批次的超聲波液位計，由于所用的元件、材料工藝等都一樣，其系統(tǒng)時延也相差無幾，并且是一個比較固定的值。因此，可以通過對固定距離測試的方式，標(biāo)定并修正系統(tǒng)時延。

　　以上對超聲波液位計測量中幾種主要誤差進(jìn)行了分析，并提出了修正方法，計為Uson-11系列超聲波液位計根據(jù)以上修正方法的液位計，在測量精度上有較大提高，其帶有溫度補(bǔ)償，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)；采用特殊回波處理方式，有效避免虛假回波；整機(jī)防護(hù)等級高達(dá)IP66/IP67，能夠在不同工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用。