超聲波液位計的工作原理

1工作原理超聲波液位計的工作原理如圖1所示，超聲波液位計一般采用收發(fā)一體型的陶瓷超聲波換能器，聲波的收發(fā)全部用同一探針完成。 探頭向被檢液面發(fā)送超聲波信號，超聲波從探頭通過傳播介質(zhì)傳播到被檢液面，在液面形成反射，反射波在原路徑上傳播，被探頭接收。 計時器單元測量從發(fā)射超聲波到接收回波的時間，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，計算探針到液面的距離，可以求出液面的高度。 式(1)是液面高度的計算公式。 其中，h表示探頭距容器底部的距離，s表示距探頭的液面的距離，v表示超聲波的傳播速度t是超聲波的傳播時間。 2誤差分析和校正方法2.1聲速精度誤差由式(1)可知，超聲波的傳播時間是用液位計測量的中間結(jié)果，需要用超聲波液位計測量水平，知道超聲波在空氣中的傳播速度，因此取超聲波傳播速度值的精度對超聲波液位計的測量精度有很大影響。 2.1.1溫度補(bǔ)償一般情況下，溫度是影響聲速的主要因素，通常在大氣壓條件下，聲速與溫度的關(guān)系如下。 V0=331.45m/s表示0℃下的聲速，V0=331.45m/s表示0℃下的聲速，t表示溫度、單位℃。 在工業(yè)測量中，一般用式(3)近似計算空氣中超聲波的聲速與溫度的關(guān)系。 因此，通過在液位計上安裝溫度傳感器來實(shí)時測量溫度，利用式(3)給出的溫度與聲速的關(guān)系，能夠容易地?fù)Q算聲速值。 但是，實(shí)際上音速不僅與溫度有關(guān)，還與氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的浮游物等多個因素有關(guān)。 因此，在實(shí)際應(yīng)用中，單靠測溫方法來標(biāo)定聲速還存在很多不足，在測溫過程中也存在一定的誤差，因此溫度補(bǔ)償方法只適用于一般應(yīng)用，不能滿足高精度的測量。 2.1.2實(shí)測聲速補(bǔ)償實(shí)踐證明，無論采用哪種經(jīng)驗(yàn)式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)補(bǔ)償聲速，由于測量環(huán)境的復(fù)雜性和測量方法等原因?qū)е滦碌恼`差。 因此，通過實(shí)測聲速的方法進(jìn)行聲速補(bǔ)償被認(rèn)為是zui的可靠補(bǔ)償方法。 如圖2所示，在發(fā)射探頭的前端安裝擋板，擋板和探頭形成距離一定的音程區(qū)間，這種結(jié)構(gòu)稱為音程架。 探針發(fā)射聲波時，擋板可以將聲波的一部分反射到探針上。 探針接收到反射波后，計算從發(fā)射到接收的時間，用式(4)計算聲速的t是聲波的傳播時間。 實(shí)測聲速法的補(bǔ)償與聲波測量聲波傳播路徑的環(huán)境極為類似，環(huán)境的影響也基本一致，其聲速也一般接近，因此，現(xiàn)在是使用zui的聲速修正方式。 但是，在該方法的使用中，聲支架應(yīng)選擇低溫膨脹系數(shù)的材料，以免環(huán)境溫度變化，聲支架熱膨脹收縮，聲距l(xiāng)變化，影響實(shí)測聲速精度。 2.2渡越時間誤差聲波是縱向振動的彈性波，通過傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動進(jìn)行傳播。 由于傳播介質(zhì)的吸收、散射、聲波擴(kuò)散等原因，聲音強(qiáng)度、聲壓和諧減弱，產(chǎn)生聲波衰減。 另外，液位計的測量需要在被測液面上形成聲波反射，這也會引起聲波的衰減。 聲波隨著傳播距離的指數(shù)而衰減，液面高度不同聲波的傳播距離也不同，接收波的幅度也有很大不同。 在對所接收的超聲波脈沖串進(jìn)行放大濾波之后，其波形如圖3所示。 當(dāng)探測器發(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。 液面高度變化時，接收信號的幅度也變化。 液面水平低時，接收信號的振幅較小，有可能在第4個峰值達(dá)到閾值；液面高時，接收信號的幅度較大，有可能在第3個之前達(dá)到閾值。 這樣停止計時的時間不確定，這種不確定性必然給系統(tǒng)的測量精度帶來誤差。 例如，在超聲波頻率為40kHz的情況下，如果停止定時信號僅波形不同，則定時時間為125&mu； s、聲速為340m/s時，液面高度相差42.5mm，但該誤差應(yīng)用于石油化學(xué)部門的1000m3以上的儲罐時，會產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差，必須消除。 當(dāng)前消除相對簡單的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，在各種液面高度的情況下，使接收波的寬度大致一致，盡可能減小測量誤差。 但是，這種方法有很大的局限性。 該方法需要預(yù)測不同液位高度的聲波的傳播時間和該距離下的聲波衰減量，以兩者的對應(yīng)關(guān)系為曲線，設(shè)計與該曲線方程相適應(yīng)的時間增益控制電路。 前面的分析表明，其中兩個重要因素是<； br/>； 傳播時間和衰減量易受現(xiàn)場環(huán)境的影響，與預(yù)先制作的曲線不符。 另外，即使擬合曲線充分，也難以設(shè)計與其完全一致的TGC電路。 因此，在補(bǔ)償中引入新的誤差也是不可避免的。 為了完全消除過渡時間的誤差，接收電路可以采取圖4所示的形式。 圖5 b示出信號的轉(zhuǎn)換過程。圖5 a示出經(jīng)過預(yù)處理的接收信號中的經(jīng)過DC檢測和提取的信號的包絡(luò)線在圖5 b中示出。 觀察信號的變換過程，無論所接收信號的振幅如何，包絡(luò)線的峰值必須位于所接收信號的時間中心點(diǎn)，即導(dǎo)數(shù)信號的過零點(diǎn)。 因此，在過零檢測電路中產(chǎn)生的停止定時信號必須位于回波信號的時間中心點(diǎn)，并且不隨著信號寬度的變化而改變。因此，渡越時間誤差也完全消除。 2.3系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差主要由系統(tǒng)延遲引起，系統(tǒng)延遲的主要原因是硬件電路延遲、單片機(jī)中斷響應(yīng)延遲、探測響應(yīng)延遲等。 由于超聲波液位計是在脈沖發(fā)射狀態(tài)下工作的，所以每次單片機(jī)發(fā)出發(fā)射命令時，發(fā)射放大器電路都會經(jīng)過能量儲存過程到達(dá)發(fā)射狀態(tài)，同時探頭內(nèi)的壓電陶瓷也有振蕩過程，到達(dá)40kHz的振動頻率需要花費(fèi)時間。 然而，考慮到系統(tǒng)延遲，必須在軟件上補(bǔ)償此系統(tǒng)，因?yàn)樗鰰r序開始于發(fā)射指令。 另外，用超聲波測量液位時，液位距離從探針前端表面到液面，實(shí)際上壓電陶瓷的聲學(xué)中心不是其表面。 因此，從探針表面到聲中心點(diǎn)的距離也會引起系統(tǒng)誤差，能夠?qū)⒃撜`差分類為時間延遲差一起進(jìn)行修正。 在相同型號和批次的水平計中，由于所使用的部件、材料、過程等相同，因此系統(tǒng)幾乎沒有延遲，是比較一定的值。 因此，通過測量一定距離，可以定位并修正系統(tǒng)延遲。 令S1、S2為已知的兩個固定距離，t1、t2為當(dāng)標(biāo)定這兩個距離時測得的時間，其中包括相同的系統(tǒng)延遲&增量的t :聲波在兩個距離之間往返時的實(shí)際時間為t1-&Delta； t和t2-&Delta； t。 將能夠由式(5)和式(6)實(shí)測S1、S2、t1、t2代入式(&Delta； t、系統(tǒng)軟件測量結(jié)果&Delta； 對t進(jìn)行校正可以消除系統(tǒng)的延遲誤差。 3結(jié)束語以上分析了超聲液位計測量中的幾個主要誤差，提出了修正方法。 采用以上修正方法的液位計，測量精度大幅提高。

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