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超聲波液位計常見誤差及校準
2019-10-21
隨著工業自動化程度的快速提高，液位測量作為工業生產中液位測量的一個重要測試和控制手段，已被廣泛應用于各種容器、管道內液位測量及水庫、江河、水渠的水位測量。無論是應用于哪種場所，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、被測量液體的化學成分等多方面因素的影響，導致其測量精度不高。本文對超聲波液位計測量中可能出現的一些誤差進行了分析，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收發合一的陶瓷超聲波換能器，聲波的發射和接收都由同一個探頭完成。探頭向被測液面發射超聲波信號，超聲波由探頭經傳播介質傳播至被測液面，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射到回波被接收所用的時間，根據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。
?溫度補償
一般情況下，溫度是影響聲速的主要因素。可通過在超聲波液位計上安裝溫度傳感器實時測量溫度，并利用溫度與聲速的關系，換算出聲速值。但是，實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。因此，在實際應用中，僅利用測量溫度的方法，對聲速進行標定還有諸多不足，且在溫度測量過程中也會存在一定的誤差，因此溫度補償方法只適用一般應用，而無法滿足高精度測量。
?實時聲速補償
實踐證明，由于受測量環境的復雜性和測量方法等因素的影響，無論是利用何種經驗公式和經驗數據對聲速進行補償，都需要引進新的誤差。因此，利用實測聲速的方法進行聲速補償被認為是最可靠的補償方法。
二）渡越時間誤差
聲波是縱向振動的彈性機械波，它借助傳播介質的分子運動而傳播。由于傳播介質的吸收、散射和聲波的擴散等原因，導致聲強、聲壓和聲能減弱，發生聲波衰減。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規律衰減的，當液面高度不同時，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。探頭發射超聲波時系統開始計時，當接收信號的幅度超過設定的閾值時停止計時。液位高度發生變化時，接收信號的幅度也會發生變化。在液位比較低時，接收信號幅度比較小，可能需要在第4個波峰處才能達到閾值；當液面高度比較高時，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測量精度帶來誤差。該誤差如果應用在1000m3以上的儲油罐上，將會產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。該方法需要預知不同液位高度聲波的傳播時間，以及在這段距離內聲波的衰減量，然后將兩者的對應關系擬制出一條曲線，并設計出符合這一曲線方程的時間增益控制電路。
根據前面的分析，傳播時間和衰減量是較為重要的兩個因素，它們易受現場環境影響，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，也難以設計出與之完全吻合的TGC電路。由此，在補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過前置預處理的接收信號，經過直流檢波后提取出信號的包絡，將包絡進行微分處理。通過信號的變換過程，無論接收信號的幅度如何，其包絡的峰值肯定處于接收信號的時間中心點上，即微分信號的過零處。因此，過零檢測電路產生的停止計時信號一定處于回波信號的時間中心點，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）系統誤差
系統誤差主要由系統時延產生，系統延時的主要來源有硬件電路延時、單片機的中斷響應延時、探頭響應延時等。由于超聲波液位計工作于脈沖發射狀態，單片機每次發出發射命令后，發射功放電路要經過一個能量蓄積的過程才能達到發射狀態，同時探頭內的壓電陶瓷也有一個起振過程，要達到40kHz的振動頻率也需要一定時間。而計時卻是從發射命令發出開始的，因此這個系統時延必須要予以考慮，并在軟件上進行補償。
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，實際上壓電陶瓷聲學中心并不是在其表面上。因此，從探頭表面到聲學中心點的距離，也會引起系統誤差，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，標定并修正系統時延。
以上對超聲波液位計測量中幾種主要誤差進行了分析，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，其帶有溫度補償，精度高，適應性強；采用特殊回波處理方式，有效避免虛假回波；整機防護等級高達IP66/IP67，能夠在不同工業環境中應用。
一、超聲波液位計的工作原理
超聲波液位計一般采用收發合一的陶瓷超聲波換能器，聲波的發射和接收都由同一個探頭完成。探頭向被測液面發射超聲波信號，超聲波由探頭經傳播介質傳播至被測液面，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射到回波被接收所用的時間，根據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。
?溫度補償
一般情況下，溫度是影響聲速的主要因素。可通過在超聲波液位計上安裝溫度傳感器實時測量溫度，并利用溫度與聲速的關系，換算出聲速值。但是，實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。因此，在實際應用中，僅利用測量溫度的方法，對聲速進行標定還有諸多不足，且在溫度測量過程中也會存在一定的誤差，因此溫度補償方法只適用一般應用，而無法滿足高精度測量。
?實時聲速補償
實踐證明，由于受測量環境的復雜性和測量方法等因素的影響，無論是利用何種經驗公式和經驗數據對聲速進行補償，都需要引進新的誤差。因此，利用實測聲速的方法進行聲速補償被認為是最可靠的補償方法。
實測聲速補償原理圖
如圖所示，在發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間，該結構稱之為聲程架。當探頭發射聲波時，該擋板能將一部分聲波反射回探頭。探頭接收到反射波后，計算從發射到接收的時間，并計算出聲速。
利用實測聲速方法進行補償，由于補償聲速與測量聲波傳播路徑所處的環境極為相似，所受的環境影響也基本一致，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，聲程架應選用低溫度膨脹系數的材料，以免環境溫度變化聲程架發生熱脹冷縮，使聲程距離發生改變，影響實測聲速精度。二）渡越時間誤差
聲波是縱向振動的彈性機械波，它借助傳播介質的分子運動而傳播。由于傳播介質的吸收、散射和聲波的擴散等原因，導致聲強、聲壓和聲能減弱，發生聲波衰減。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規律衰減的，當液面高度不同時，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。探頭發射超聲波時系統開始計時，當接收信號的幅度超過設定的閾值時停止計時。液位高度發生變化時，接收信號的幅度也會發生變化。在液位比較低時，接收信號幅度比較小，可能需要在第4個波峰處才能達到閾值；當液面高度比較高時，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測量精度帶來誤差。該誤差如果應用在1000m3以上的儲油罐上，將會產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。該方法需要預知不同液位高度聲波的傳播時間，以及在這段距離內聲波的衰減量，然后將兩者的對應關系擬制出一條曲線，并設計出符合這一曲線方程的時間增益控制電路。
根據前面的分析，傳播時間和衰減量是較為重要的兩個因素，它們易受現場環境影響，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，也難以設計出與之完全吻合的TGC電路。由此，在補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過前置預處理的接收信號，經過直流檢波后提取出信號的包絡，將包絡進行微分處理。通過信號的變換過程，無論接收信號的幅度如何，其包絡的峰值肯定處于接收信號的時間中心點上，即微分信號的過零處。因此，過零檢測電路產生的停止計時信號一定處于回波信號的時間中心點，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）系統誤差
系統誤差主要由系統時延產生，系統延時的主要來源有硬件電路延時、單片機的中斷響應延時、探頭響應延時等。由于超聲波液位計工作于脈沖發射狀態，單片機每次發出發射命令后，發射功放電路要經過一個能量蓄積的過程才能達到發射狀態，同時探頭內的壓電陶瓷也有一個起振過程，要達到40kHz的振動頻率也需要一定時間。而計時卻是從發射命令發出開始的，因此這個系統時延必須要予以考慮，并在軟件上進行補償。
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，實際上壓電陶瓷聲學中心并不是在其表面上。因此，從探頭表面到聲學中心點的距離，也會引起系統誤差，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，標定并修正系統時延。
以上對超聲波液位計測量中幾種主要誤差進行了分析，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，其帶有溫度補償，精度高，適應性強；采用特殊回波處理方式，有效避免虛假回波；整機防護等級高達IP66/IP67，能夠在不同工業環境中應用。
TAGS : 超聲波液位計
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