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超聲波液位計(jì)常見(jiàn)誤差及校準(zhǔn)
2019-10-21
隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的快速提高，液位測(cè)量作為工業(yè)生產(chǎn)中液位測(cè)量的一個(gè)重要測(cè)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(cè)量及水庫(kù)、江河、水渠的水位測(cè)量。無(wú)論是應(yīng)用于哪種場(chǎng)所，都對(duì)液位計(jì)的測(cè)量精度提出了越來(lái)越高的要求。在液位測(cè)量中，超聲波液位計(jì)的使用非常普遍。但由于超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度極易受到溫度、濕度、粉塵、被測(cè)量液體的化學(xué)成分等多方面因素的影響，導(dǎo)致其測(cè)量精度不高。本文對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)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(jì)的工作原理
超聲波液位計(jì)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(gè)探頭完成。探頭向被測(cè)液面發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波由探頭經(jīng)傳播介質(zhì)傳播至被測(cè)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(jì)時(shí)單元測(cè)量超聲波從發(fā)射到回波被接收所用的時(shí)間，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，可以計(jì)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(jì)常見(jiàn)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(shí)間T之間的關(guān)系公式S=C×T/2可知，超聲波的傳播時(shí)間是液位計(jì)測(cè)量的中間結(jié)果，利用超聲波液位計(jì)測(cè)量液位，還需要知道超聲波在空氣中的傳播速度，因此對(duì)超聲波傳播速度取值精度將極大地影響超聲波液位計(jì)的測(cè)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。可通過(guò)在超聲波液位計(jì)上安裝溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量溫度的方法，對(duì)聲速進(jìn)行標(biāo)定還有諸多不足，且在溫度測(cè)量過(guò)程中也會(huì)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(wú)法滿足高精度測(cè)量。
?實(shí)時(shí)聲速補(bǔ)償
實(shí)踐證明，由于受測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性和測(cè)量方法等因素的影響，無(wú)論是利用何種經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)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。
二）渡越時(shí)間誤差
聲波是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它借助傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)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(cè)量需要在被測(cè)液面上形成一次聲波反射，這同樣會(huì)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(shí)，聲波的傳輸距離也不相同，其接收波的幅度也會(huì)有較大差異。探頭發(fā)射超聲波時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收信號(hào)的幅度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)停止計(jì)時(shí)。液位高度發(fā)生變化時(shí)，接收信號(hào)的幅度也會(huì)發(fā)生變化。在液位比較低時(shí)，接收信號(hào)幅度比較小，可能需要在第4個(gè)波峰處才能達(dá)到閾值；當(dāng)液面高度比較高時(shí)，接收信號(hào)幅度比較大，可能在第3個(gè)甚至更早就能達(dá)到閾值。這樣停止計(jì)時(shí)的時(shí)間就不是確定的，這種不確定性必然會(huì)給系統(tǒng)測(cè)量精度帶來(lái)誤差。該誤差如果應(yīng)用在1000m3以上的儲(chǔ)油罐上，將會(huì)產(chǎn)生很客觀的絕對(duì)誤差，所以必須要消除。
目前比較簡(jiǎn)單的消除渡越時(shí)間誤差的方法是增加時(shí)間控制電路（TGC），利用TGC電路補(bǔ)償聲波在傳播過(guò)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(cè)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(shí)間，以及在這段距離內(nèi)聲波的衰減量，然后將兩者的對(duì)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(shí)間增益控制電路。
根據(jù)前面的分析，傳播時(shí)間和衰減量是較為重要的兩個(gè)因素，它們易受現(xiàn)場(chǎng)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(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(shí)間誤差，接收電路的信號(hào)變換過(guò)程為經(jīng)過(guò)前置預(yù)處理的接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)直流檢波后提取出信號(hào)的包絡(luò)，將包絡(luò)進(jìn)行微分處理。通過(guò)信號(hào)的變換過(guò)程，無(wú)論接收信號(hào)的幅度如何，其包絡(luò)的峰值肯定處于接收信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)上，即微分信號(hào)的過(guò)零處。因此，過(guò)零檢測(cè)電路產(chǎn)生的停止計(jì)時(shí)信號(hào)一定處于回波信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)，不會(huì)因信號(hào)的幅度而改變，由此，渡越時(shí)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(shí)延產(chǎn)生，系統(tǒng)延時(shí)的主要來(lái)源有硬件電路延時(shí)、單片機(jī)的中斷響應(yīng)延時(shí)、探頭響應(yīng)延時(shí)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(guò)一個(gè)能量蓄積的過(guò)程才能達(dá)到發(fā)射狀態(tài)，同時(shí)探頭內(nèi)的壓電陶瓷也有一個(gè)起振過(guò)程，要達(dá)到40kHz的振動(dòng)頻率也需要一定時(shí)間。而計(jì)時(shí)卻是從發(fā)射命令發(fā)出開(kāi)始的，因此這個(gè)系統(tǒng)時(shí)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(cè)量液位時(shí)，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(huì)引起系統(tǒng)誤差，這個(gè)誤差可以和時(shí)延誤差歸為一類，并一同修正。
對(duì)于同一個(gè)型號(hào)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(shí)延也相差無(wú)幾，并且是一個(gè)比較固定的值。因此，可以通過(guò)對(duì)固定距離測(cè)試的方式，標(biāo)定并修正系統(tǒng)時(shí)延。
以上對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)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(cè)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(jí)高達(dá)IP66/IP67，能夠在不同工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用。
一、超聲波液位計(jì)的工作原理
超聲波液位計(jì)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(gè)探頭完成。探頭向被測(cè)液面發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波由探頭經(jīng)傳播介質(zhì)傳播至被測(cè)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(jì)時(shí)單元測(cè)量超聲波從發(fā)射到回波被接收所用的時(shí)間，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，可以計(jì)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(jì)常見(jiàn)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(shí)間T之間的關(guān)系公式S=C×T/2可知，超聲波的傳播時(shí)間是液位計(jì)測(cè)量的中間結(jié)果，利用超聲波液位計(jì)測(cè)量液位，還需要知道超聲波在空氣中的傳播速度，因此對(duì)超聲波傳播速度取值精度將極大地影響超聲波液位計(jì)的測(cè)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。可通過(guò)在超聲波液位計(jì)上安裝溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)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(cè)量溫度的方法，對(duì)聲速進(jìn)行標(biāo)定還有諸多不足，且在溫度測(cè)量過(guò)程中也會(huì)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(wú)法滿足高精度測(cè)量。
?實(shí)時(shí)聲速補(bǔ)償
實(shí)踐證明，由于受測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性和測(cè)量方法等因素的影響，無(wú)論是利用何種經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)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。
實(shí)測(cè)聲速補(bǔ)償原理圖
如圖所示，在發(fā)射探頭前端安裝一個(gè)擋板，擋板與探頭形成一個(gè)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(shí)，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(shí)間，并計(jì)算出聲速。
利用實(shí)測(cè)聲速方法進(jìn)行補(bǔ)償，由于補(bǔ)償聲速與測(cè)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(cè)聲速精度。二）渡越時(shí)間誤差
聲波是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它借助傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)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(cè)量需要在被測(cè)液面上形成一次聲波反射，這同樣會(huì)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(shí)，聲波的傳輸距離也不相同，其接收波的幅度也會(huì)有較大差異。探頭發(fā)射超聲波時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收信號(hào)的幅度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)停止計(jì)時(shí)。液位高度發(fā)生變化時(shí)，接收信號(hào)的幅度也會(huì)發(fā)生變化。在液位比較低時(shí)，接收信號(hào)幅度比較小，可能需要在第4個(gè)波峰處才能達(dá)到閾值；當(dāng)液面高度比較高時(shí)，接收信號(hào)幅度比較大，可能在第3個(gè)甚至更早就能達(dá)到閾值。這樣停止計(jì)時(shí)的時(shí)間就不是確定的，這種不確定性必然會(huì)給系統(tǒng)測(cè)量精度帶來(lái)誤差。該誤差如果應(yīng)用在1000m3以上的儲(chǔ)油罐上，將會(huì)產(chǎn)生很客觀的絕對(duì)誤差，所以必須要消除。
目前比較簡(jiǎn)單的消除渡越時(shí)間誤差的方法是增加時(shí)間控制電路（TGC），利用TGC電路補(bǔ)償聲波在傳播過(guò)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(cè)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(shí)間，以及在這段距離內(nèi)聲波的衰減量，然后將兩者的對(duì)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(shí)間增益控制電路。
根據(jù)前面的分析，傳播時(shí)間和衰減量是較為重要的兩個(gè)因素，它們易受現(xiàn)場(chǎng)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(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(shí)間誤差，接收電路的信號(hào)變換過(guò)程為經(jīng)過(guò)前置預(yù)處理的接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)直流檢波后提取出信號(hào)的包絡(luò)，將包絡(luò)進(jìn)行微分處理。通過(guò)信號(hào)的變換過(guò)程，無(wú)論接收信號(hào)的幅度如何，其包絡(luò)的峰值肯定處于接收信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)上，即微分信號(hào)的過(guò)零處。因此，過(guò)零檢測(cè)電路產(chǎn)生的停止計(jì)時(shí)信號(hào)一定處于回波信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)，不會(huì)因信號(hào)的幅度而改變，由此，渡越時(shí)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(shí)延產(chǎn)生，系統(tǒng)延時(shí)的主要來(lái)源有硬件電路延時(shí)、單片機(jī)的中斷響應(yīng)延時(shí)、探頭響應(yīng)延時(shí)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(guò)一個(gè)能量蓄積的過(guò)程才能達(dá)到發(fā)射狀態(tài)，同時(shí)探頭內(nèi)的壓電陶瓷也有一個(gè)起振過(guò)程，要達(dá)到40kHz的振動(dòng)頻率也需要一定時(shí)間。而計(jì)時(shí)卻是從發(fā)射命令發(fā)出開(kāi)始的，因此這個(gè)系統(tǒng)時(shí)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(cè)量液位時(shí)，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(huì)引起系統(tǒng)誤差，這個(gè)誤差可以和時(shí)延誤差歸為一類，并一同修正。
對(duì)于同一個(gè)型號(hào)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(shí)延也相差無(wú)幾，并且是一個(gè)比較固定的值。因此，可以通過(guò)對(duì)固定距離測(cè)試的方式，標(biāo)定并修正系統(tǒng)時(shí)延。
以上對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)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(cè)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(jí)高達(dá)IP66/IP67，能夠在不同工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用。
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