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從研發(fā)認(rèn)識(shí)計(jì)為
超聲波液位計(jì)測(cè)量精度影響因素分析
2019-02-25
超聲波液位計(jì)是一款適用于各種槽池的連續(xù)性液位測(cè)量的儀表，其工作原理是由超聲換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖，超聲脈沖遇到被測(cè)液位表面時(shí)，該脈沖便被反射回來(lái)，部分反射回波被換能器重新接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此測(cè)量環(huán)境和儀表電路的聲電轉(zhuǎn)換能力都會(huì)對(duì)超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度造成影響。
超聲波脈沖以聲波速度傳播，超聲波脈沖從發(fā)射到接收所需時(shí)間間隔與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。此距離值S與聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S=C×T/2。根據(jù)超聲波的聲波傳輸特性，超聲波液位計(jì)應(yīng)用的理想工況為平靜的液體表面，如果液面起伏不定或者呈波浪狀，超聲波探測(cè)對(duì)于實(shí)際液位的測(cè)量就會(huì)出現(xiàn)誤差，這就需要內(nèi)部電路對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行算法優(yōu)化，以反饋真實(shí)的液位。
一般來(lái)講，在實(shí)際應(yīng)用中，影響超聲波液位計(jì)測(cè)量精度的因素主要有以下幾個(gè)方面：
1．復(fù)雜的工況：帶攪拌的物料液位測(cè)量或動(dòng)態(tài)的液位環(huán)境
在一些帶攪拌或者較為動(dòng)態(tài)的液位環(huán)境中（比如流體液位測(cè)量）等，由于液位水平呈動(dòng)態(tài)起伏和不確定性變化，會(huì)導(dǎo)致超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度大大降低。針對(duì)這一點(diǎn)則需要在硬件和軟件上對(duì)儀表的魯棒性（魯棒性大致相當(dāng)于穩(wěn)定性）進(jìn)行提高。在軟件方面，加入延時(shí)平均算法能夠使儀表更好地適應(yīng)復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的工況；同時(shí)硬件上采取高效嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男盘?hào)濾波電路來(lái)過(guò)濾掉測(cè)量時(shí)超聲波信號(hào)接觸復(fù)雜的液體表面而產(chǎn)生的次波雜波。
2．錯(cuò)誤的儀表安裝方式
但正是由于溫度傳感器作為探頭的一部分被保護(hù)材料密閉的封裝在探頭里這種結(jié)構(gòu)以及保護(hù)材料（這類材料多為質(zhì)量大、導(dǎo)熱性低的材質(zhì)）的限制，可能導(dǎo)致探頭的溫度無(wú)法實(shí)時(shí)地跟隨環(huán)境溫度變化而改變，例如將超聲波液位計(jì)安裝在無(wú)遮擋的室外環(huán)境，太陽(yáng)光的照射會(huì)使探頭持續(xù)升溫，而環(huán)境溫度并不會(huì)像探頭一般持續(xù)升溫，最終探頭里的傳感器所測(cè)溫度與環(huán)境的溫度差異較大，影響測(cè)量精度。
4．環(huán)境因素
除了第三點(diǎn)所說(shuō)的溫度影響外，空氣濕度、氣壓、氣流、不同的氣體介質(zhì)這些因素均會(huì)對(duì)聲波傳播速度有所影響，從而降低測(cè)量精度。
超聲波脈沖以聲波速度傳播，超聲波脈沖從發(fā)射到接收所需時(shí)間間隔與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。此距離值S與聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S=C×T/2。根據(jù)超聲波的聲波傳輸特性，超聲波液位計(jì)應(yīng)用的理想工況為平靜的液體表面，如果液面起伏不定或者呈波浪狀，超聲波探測(cè)對(duì)于實(shí)際液位的測(cè)量就會(huì)出現(xiàn)誤差，這就需要內(nèi)部電路對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行算法優(yōu)化，以反饋真實(shí)的液位。
一般來(lái)講，在實(shí)際應(yīng)用中，影響超聲波液位計(jì)測(cè)量精度的因素主要有以下幾個(gè)方面：
1．復(fù)雜的工況：帶攪拌的物料液位測(cè)量或動(dòng)態(tài)的液位環(huán)境
在一些帶攪拌或者較為動(dòng)態(tài)的液位環(huán)境中（比如流體液位測(cè)量）等，由于液位水平呈動(dòng)態(tài)起伏和不確定性變化，會(huì)導(dǎo)致超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度大大降低。針對(duì)這一點(diǎn)則需要在硬件和軟件上對(duì)儀表的魯棒性（魯棒性大致相當(dāng)于穩(wěn)定性）進(jìn)行提高。在軟件方面，加入延時(shí)平均算法能夠使儀表更好地適應(yīng)復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的工況；同時(shí)硬件上采取高效嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男盘?hào)濾波電路來(lái)過(guò)濾掉測(cè)量時(shí)超聲波信號(hào)接觸復(fù)雜的液體表面而產(chǎn)生的次波雜波。
2．錯(cuò)誤的儀表安裝方式
不正確的安裝可能會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度的下降。比如超聲波換能器的方向沒(méi)有與液面保持垂直。如下圖所示：
3．溫度傳感器
聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度會(huì)受到溫度的影響，超聲波作為聲波的一種，其傳播速度也同樣受溫度的影響。所以通常在設(shè)計(jì)超聲波換能器的時(shí)候會(huì)在探頭里面嵌入一個(gè)溫度傳感器，從而對(duì)環(huán)境的溫度進(jìn)行監(jiān)控，并在算法上對(duì)超聲波的聲速作補(bǔ)償。但正是由于溫度傳感器作為探頭的一部分被保護(hù)材料密閉的封裝在探頭里這種結(jié)構(gòu)以及保護(hù)材料（這類材料多為質(zhì)量大、導(dǎo)熱性低的材質(zhì)）的限制，可能導(dǎo)致探頭的溫度無(wú)法實(shí)時(shí)地跟隨環(huán)境溫度變化而改變，例如將超聲波液位計(jì)安裝在無(wú)遮擋的室外環(huán)境，太陽(yáng)光的照射會(huì)使探頭持續(xù)升溫，而環(huán)境溫度并不會(huì)像探頭一般持續(xù)升溫，最終探頭里的傳感器所測(cè)溫度與環(huán)境的溫度差異較大，影響測(cè)量精度。
4．環(huán)境因素
除了第三點(diǎn)所說(shuō)的溫度影響外，空氣濕度、氣壓、氣流、不同的氣體介質(zhì)這些因素均會(huì)對(duì)聲波傳播速度有所影響，從而降低測(cè)量精度。
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（深圳計(jì)為自動(dòng)化技術(shù)有限公司研發(fā)中心2019年2月25日發(fā)布）
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