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超声波液位计工作原理及常见误差校准

时间:2021-02-05
由于工业主动化的迅速成长,作为工业出产中对液位进行检测和控制的主要手段,液位测量已被广泛地应用于各种容器、管道和水库、河流、渠道的液位测量和水位测量。无论在何种场所使用,对液位计的测量精度的要求都越来越高。超声波液位计在液位测量中应用十分广泛。但是,超声波液位计的测量精度受温度、湿度、粉尘、被测量液体的化学成分等因素的影响很大,因而精度较低。阐发了超声液位计在测量中可能呈现的一些误差,并提出了相应的补偿办法。
超声液位计的工作原理。
超声液位计一般采用收发合一陶瓷式超声传感器,声波的发射和接收均由同一探头完成。探测器向被测液体表面发射超声信号,超声信号由探测器通过介质传播到被测液体表面,在液体表面形成反射,反射波沿原始路径传播到被探测器吸收的表面。计时器用来测量超声波从发射到接收回波所需的时间,按照声波在空气中的传播速度,可以算出探针到液面的距离,从而得到液面高度。
超声波液位计常见的误差及校验方法。
声速基准精度误差。
由距离S值与声速C、时间T的关系式S=C×T/2可知,超声波传播时间是液位计测量的中心成果,用超声波传播时间测量液位计的同时,还需要知道超声波在空气中的传播速度,因此,超声波传播时间的取值精度将大大影响超声波传播时间测量的精度。
·温度补偿。
一般来说,温度是影响声速的主要因素。在超声波液位计上安装温度传感器,可以实时测量温度,按照温度和声速的关系,计算出声速的数值。但实际上声速又不仅仅是受温度的影响,它还与空气中的气体密度、气压、湿度、悬浮物等因素有关。所以在实际应用中,仅用测温方法标定声速还有许多不足之处,并且测温过程中还存在必然的误差,所以温度补偿法只能应用于一般场所,不能满足高精度测量。
即时音速补偿。
研究注解,无论采用何种经验公式和经验数据来补偿声速,都因测量环境的复杂性和测量方法等因素的影响,必需引入新的误差。采用实测声速的方法对声速进行补偿是一种比力可靠的方法。
超声液位计的工作原理和常见的误差校正。
从图表可以看出,发射探头前端有一个挡板,挡板和探头形成必然距离的声程间隔,这种布局称为声程架。探测器发射声波时,挡板将声波的一部门反射回探测器。当探测器接收到反射波时,计算它从发射到接收的时间和声速。
采用实测声速补偿法,由于补偿声速与测量声波传播路径的环境条件非常相似,受到的环境影响也基本一致,一般情况下声速比力接近,因此该方法是目前使用**的声速补偿方法。但在使用该方法时,声程架应选用温度膨胀系数较低的材料,避免因环境温度变化而引起声程架热胀冷缩,改变声程距离,影响测量声速的精度。
渡越的时间误差。
声波指在介质的分子运动的情况下,纵向振动的弹性机械波。声强、声压和声能因传播介质的吸收、散射、扩散等原因而减弱,产生声波衰减。而超声液位计的测量需要在被测液体表面形成一次性声波反射,这同样会导致声波的衰减。声波按传播距离的指数规律衰减,当液面高度不同时,声波传播距离也不同,接收波的波幅也有很大不同。探测器发出超声波后,系统最先计时,当接收信号的振幅超过设定的阈值时,住手计时。当液面高度改变时,接收信号的振幅也随之改变。当液位较低时,接收信号的幅度较,并且可能需要在第四个波峰达到阈值;当液位较高时,接收信号的幅度较大,并且可能需要在第三个波峰达到阈值之前。因此,住手计时的时间是不确定的,这种不确定必然会给系统的测量精度带来误差。这种误差假如应用于1000m³以上的油罐中,就会产生非常客不雅观的*误差,因此必需加以消除。
当前消除渡越时间误差较简单的方法有增大时间控制电路(TGC),操作TGC电路来补偿声波在传播过程中的衰减,使不同液面高度下,接收波的波幅基本保持一致,从而使测量误差*小化。但该方法仍有很大的局限性。这种方法需要预先知道声波在不同液位高度下的传播时间和声波在此距离的衰减量,然后按照它们之间的对应关系拟成曲线,设计出符合此曲线方程的时间增益控制电路。
在上述阐发中,传播时间和衰减时间是比力主要的两个因素,它们受现场环境的影响较大,且不能很好地符合预先模拟的曲线。并且即使拟合的曲线非常*,也很难设计出完全吻合的TGC电路。因此,在补偿中引入新的误差也就不成避免。但为了完全消除渡越时间误差,接收电路中的信号变换过程是先对接收信号进行预处理,再对信号进行提,然后对信号的包络进行微分处理。在信号变换过程中,无论接收信号的振幅如何,其包络的峰值必然位于接收信号的时间中心,也就是微分信号的过零点。成果注解,过零检测电路产生的住手计时信号必需位于回波信号的时间中心,且不受信号幅度的影响,从而完全消除渡越时间误差。
第三,系统误差。
造成系统误差的主要原因是系统延迟,其中包罗硬件电路延迟、单片机的中止响应延迟、探针响应延迟等。因为超声液位计是在脉冲发射状况下工作的,所以单片机每次发出发射指令后,发射功率电路都要经过一个能量积累过程才能达到发射状况,同时探头中的压电陶瓷也有一个启动过程,达到40kHz的振动频率也需要必然的时间。但是,时间是从发送命令发出后最先的,所以必需考虑系统延迟问题,并由软件来补偿。
此外,超声波测量液位时,液位距离均为从探头前端到液面的距离,而压电陶瓷声学中心并非位于其表面。所以,从探针表面到声学中心点的距离,也会产生系统误差,这种误差可与时滞误差一起归入一类,一起加以修正。
对同一种型号或一批的超声液位计来说,由于所使用的元件、材料和工艺等不异,其系统时延也不同,并且是较固定值。通过定距测试,可以对系统进行标定和校正时延。
本文阐发了超声液位计测量中的几种主要误差,提出了一种修正方法,即Uson-11系列超声液位计按照上述修正方法设计的液位计,在测量精度上有较大提高,并且温度补偿,精度高,适应性强;采用不凡的回波处理方式,有效地避免误回;整机防护等级达到IP66/IP67,可用于各种工业环境。

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