超聲波液位計(jì)的校準(zhǔn)方法

隨著工業(yè)自動化程度的提高，對液位計(jì)的測量精度要求越來越高，同時相應(yīng)的液位計(jì)檢定裝置的溯源準(zhǔn)確性也提出了越來越高的要求。在液位測量中，超聲波液位計(jì)的應(yīng)用越來越廣泛，但超聲波液位計(jì)的測量精度很容易受到外界環(huán)境因素的影響，比如溫濕度、粉塵、被測介質(zhì)的化學(xué)成分等。下面對超聲波液位計(jì)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(jì)測量的中間結(jié)果，利用超聲波液位計(jì)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*大地影響超聲波液位計(jì)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(jì)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。

?實(shí)時聲速補(bǔ)償

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。

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(jì)算從發(fā)射到接收的時間，并計(jì)算出聲速。

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(jì)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。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(jì)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***，也難以設(shè)計(jì)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。

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(jì)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(jì)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(jì)，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(jì)測量中幾種主要誤差進(jìn)行了分析，并提出了修正方法，計(jì)為Uson-11系列超聲波液位計(jì)根據(jù)以上修正方法的液位計(jì)，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。