超聲波液位計(jì)的工作原理

1工作原理超聲波液位計(jì)的工作原理如圖1所示，超聲波液位計(jì)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(jì)時(shí)器單元測量從發(fā)射超聲波到接收回波的時(shí)間，根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，計(jì)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(jì)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(shí)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(shí)間是用液位計(jì)測量的中間結(jié)果，需要用超聲波液位計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)上安裝溫度傳感器來實(shí)時(shí)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(gè)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(shí)，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(jì)算從發(fā)射到接收的時(shí)間，用式(4)計(jì)算聲速的t是聲波的傳播時(shí)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(shí)間誤差聲波是縱向振動(dòng)的彈性波，通過傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)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(jì)的測量需要在被測液面上形成聲波反射，這也會(huì)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(shí)，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收信號的幅度超過設(shè)定的閾值時(shí)停止計(jì)時(shí)。 液面高度變化時(shí)，接收信號的幅度也變化。 液面水平低時(shí)，接收信號的振幅較小，有可能在第4個(gè)峰值達(dá)到閾值；液面高時(shí)，接收信號的幅度較大，有可能在第3個(gè)之前達(dá)到閾值。 這樣停止計(jì)時(shí)的時(shí)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(shí)信號僅波形不同，則定時(shí)時(shí)間為125&mu； s、聲速為340m/s時(shí)，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(shí)，會(huì)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(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(shí)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(jì)與該曲線方程相適應(yīng)的時(shí)間增益控制電路。 前面的分析表明，其中兩個(gè)重要因素是<； br/>； 傳播時(shí)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(jì)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(shí)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(shí)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(shí)信號必須位于回波信號的時(shí)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(shí)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(jì)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(shí)，發(fā)射放大器電路都會(huì)經(jīng)過能量儲存過程到達(dá)發(fā)射狀態(tài)，同時(shí)探頭內(nèi)的壓電陶瓷也有振蕩過程，到達(dá)40kHz的振動(dòng)頻率需要花費(fèi)時(shí)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(shí)序開始于發(fā)射指令。 另外，用超聲波測量液位時(shí)，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(huì)引起系統(tǒng)誤差，能夠?qū)⒃撜`差分類為時(shí)間延遲差一起進(jìn)行修正。 在相同型號和批次的水平計(jì)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(gè)固定距離，t1、t2為當(dāng)標(biāo)定這兩個(gè)距離時(shí)測得的時(shí)間，其中包括相同的系統(tǒng)延遲&增量的t :聲波在兩個(gè)距離之間往返時(shí)的實(shí)際時(shí)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(jì)測量中的幾個(gè)主要誤差，提出了修正方法。 采用以上修正方法的液位計(jì)，測量精度大幅提高。

以上就是外置式液位計(jì)量表的應(yīng)用文章的全部內(nèi)容