超声波液位计校准方法

在工业生产中，液位测量是一个重要的测试和控制手段。随着工业自动化程度的快速发展，液位测量已经广泛应用，如各种容器、管道内液位测量及水库、江河、水渠的水位测量。无论是应用于哪种场所，都对液位计的测量精度提出了越来越高的要求。目前，液位测量使用最为普遍的是超声波液位计，但是由于超声波液位计的测量精度极易受到温度、湿度、粉尘、被测物液体的化学成分等多方面因素的影响，导致其测量精度不高。本文也对超声波液位计测量中可能出现的一些误差进行分析，并提出了相应的补偿措施。
 
超声波液位计工作原理是什么？
在超声波检测技术中，不管那种超声波仪器，都必须把电能转换超声波发射出去，再接收回来变换成电信号，完成这项功能的装置就叫超声波换能器，也称探头。如图所示，将超声波换能器置于被测液体上方，向下发射超声波，超声波穿过空气介质，在遇到水面时被反射回来，又被换能器所接收并转换为电信号，电子检测部分检测到这一信号后将其变成液位信号进行显示并输出。
由超声波在介质中传播原理可知，若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定，则超声波在该介质中传播速度是一个常数。因此，当测出超声波由发射到遇到液面反射被接收所需要的时间，则可换算出超声波通过的路程，即得到了液位的数据。 即液位高度计算公式：       (1)
其中，H表示探头距离容器底部的距离；
      d表示探头距离液面的距离；
      V表示超声波的传播速度；
      t表示超声波的传播时间；
      h表示液位高度。         
 
超声波液位计的误差分析及校准方法
 
   1：温度补偿
一般情况下，温度是影响声速的主要因素，在正常大气压条件下，声速与温度的关系如下：
                    (2)
其中，V0=331.45m/s 表示0℃时声速；T表示温度，单位℃。
在工业测量中一般近似计算空气中超声波声速与温度的关系如下：
           (3)
因此，可以通过在液位计上安装温度传感器实时测量温度，并利用公式(3)中给定的温度与声速的关系，方便的换算出声速值。但是，实际上声速又不仅仅受温度影响，还与气体密度、气压、温度、空气中的悬浮物等诸多因素有关。因此，在实际应用中仅利用测量温度的方法对声速进行标定还有许多不足，且在温度测量过程中会存在一定的误差，因此温度补偿方法只适用一般应用，无法满足高精度测量。
 
   2：实测声速补偿
由公式(1)可知，超声波的传播时间是液位计测量的中间结果，利用超声波液位计测量液位，还需要知道超声波在空气中的传播速度，因此对于超声波传播速度取值精度将极大地影响到超声波的测量精度。
    实践证明，无论是利用何种经验公式和经验数据对声速进行补偿，都会由于测量环境的复杂性和测量方法等因素产生新的误差。因此利用实测声速的方法进行声速补偿被认为是最可靠的补偿方法。
如图2所示，在发射探头前端安装一个挡板，挡板与探头形成一个距离固定的声程区间，该结构称之为声程架当探头接收到反射波后，计算从发射到接收的时间，利用公式(4)计算声速：                  (4)
其中，L为声程架的声程长度；t为声波传播时间。  
利用实测声速方法进行补偿，由于补偿声波与测量声波传播路径所处的环境极为相似，所受的环境影响也基本一致，其声速通常也较接近，所以这种方法是目前使用最精准的声速修正方式。但是在这种方法的使用中，声程架应选用低温度膨胀系数的材料，以避免环境温度变化影响声程架发生热胀冷缩，使得声程距离L发生改变，影响实测声速精度。
 
   3：渡越时间误差
声波是纵向振动的弹性机械波，它借助传播介质的分子运动而传播。由于传播介质的吸收、散射和声波的扩散等因素，导致声波、声强减弱，发生声波衰减。并且液位计的测量需要在被测页面上形成一次声波反射，这同样会引起声波的衰减。声波是按传播距离的指数规律衰减的，当液面高度不同时，声波的传输距离也不相同，其接收波的幅度也有会较大的差异。
接收到的超声波脉冲经过放大过滤后，其波形如图3所示。探头发射超声波时系统开始计时，当接收信号的幅度超过设定的阈值时停止计时。液位高度比较低时，接收信号的幅度比较小，可能需要在第4个波峰处才能达到阈值；在液面高度比较高时，接收信号幅度比较大，可能在第3个甚至更早就能到达阈值。这样停止计时的时间就不是确定的。这种不确定性必然会给系统测量精度带来误差。例如，当超声波频率为40KHZ时，如果停止计时信号相差一个波形，那么计时时间就会相差125us，如果声速此事为340m/s,则液面高度就会相差42.5mm,这个误差如果应用到石化部门1000m³以上的储油罐上，将会产生很可观的绝对误差，所以必须消除。 目前比较简单的消除渡越时间误差的办法是增加时间控制电路(TGC),利用TGC电路补偿声波在传播过程中衰减，使在各种液面高度情况下，接收波的幅度基本保持一致，从而尽量减少测量误差。但是，这种方法还是具有较大局限性。该方法需要预知不同液位高度声波的传播时间，以及在这段距离内声波的衰减量，然后将两者的对应关系拟制出一条曲线，并设计出符合这一曲线方程的时间增益控制电路。根据前面的分析，其中，较为重要的两个因素-传播时间和衰减量，易受现场环境影响，而不能与事先拟制的曲线很好的吻合。并且，即使拟合的曲线十分精确，也难以设计出与之完全吻合的TGC电路。由此，在补偿中新的误差引入也就在所难免了。
     要彻底消除渡越时间误差，接收电路可以采取如图4所示形式。信号的变换过程如图5所示，图5(a)为进过前置预处理接收信号，经过直流检波后提取出信号的包络如图5(b)所示，将包络进行微分处理如图5(c)所示。通过信号的变换过程可以看出，无论信号的幅度如何，其包络的峰值肯定处于接收信号的时间中心点上，即微分信号的过零处。因此，过零检测电路产生的停止计时信号一定处于回波信号的时间中心点，不会因信号的幅度而改变，因此，渡越时间误差也就完全消除了。

 
   4：系统误差
系统误差主要由于系统时延产生的，系统时延的主要来源是硬件电路时延、单片机的中断响应时延、探头响应时延等。由于超声波液位计工作于脉冲反射状态，单片机每次发出发射命令后，发射功效电路要经过一一个能量蓄积的过程才能达到发射状态，同时探头内的压电陶瓷也有一个起振过程要达到40KHZ的振动频率也需要一定时间。而计时却是从发射命名发出开始的，因此这个系统时延必须要予以考虑，并在软件上进行补偿。另外，超声波测量液位时，液位距离都是探头前端表面到液面，实际上压电陶瓷声学中心并不是在其表面上。因此，在探头表面到声学中心点的距离，也会引起系统误差，这个误差可以和时延误差归为一类，并同一修正。
     对于同一型号或批次的液位计，由于所用的元件、材料、工艺等都一样，其系统时延也相差无几，并且是一个比较固定的值。因此，可以通过相对固定距离测量的方式，标定并修正系统时延。设S1、S2为两个已知的固定距离，t1、t2为在这个距离进行标定时测量时间，其中含有相同的系统时延Δt,即声波往返于两个距离时所用的实际时间分别为：t1-Δt和t2-Δt。则有：
S1=V*(t1-Δt)               (5)
S2=V*(t2-Δt)               (6)
由公式(5)和公式(6)可得：
                  (7)
将实测的S1、S2、t1、t2代入公式(7)中，求得Δt，再将系统软件中的测量结果用Δt修正，则可以消除系统时延误差。
 
总结：
    以上是对超声波液位计测量中几种主要误差进行分析，并提出了修正方法，采用以上修正方法的液位计，在测量精度上将会有比较大的提高。
 
 
 
 

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