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技術文章-超聲波

超聲波液位計的校準方法

發(fā)布時間:2024-04-15 10:54:44 人氣: 225

隨著工業(yè)自動化程度的提高,對液位計的測量精度要求越來越高,同時相應的液位計檢定裝置的溯源準確性也提出了越來越高的要求。在液位測量中,超聲波液位計的應用越來越廣泛,但超聲波液位計的測量精度很容易受到外界環(huán)境因素的影響,比如溫濕度、粉塵、被測介質的化學成分等。下面對超聲波液位計測量中可能出現的一些誤差進行了分析,并提出了相應的校準方法。


一、參考聲速精度誤差

從距離值S與聲速C和傳輸時間T之間的關系公式S=C×T/2可知,超聲波的傳播時間是液位計測量的中間結果,利用超聲波液位計測量液位,還需要知道超聲波在空氣中的傳播速度,因此對超聲波傳播速度取值精度將*大地影響超聲波液位計的測量精度。

?溫度補償

一般情況下,溫度是影響聲速的主要因素。可通過在超聲波液位計上安裝溫度傳感器實時測量溫度,并利用溫度與聲速的關系,換算出聲速值。

?實時聲速補償

由于受測量環(huán)境的復雜性和測量方法等因素的影響,無論是利用何種經驗公式和經驗數據對聲速進行補償,都需要引進新的誤差。

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如圖所示,在發(fā)射探頭前端安裝一個擋板,擋板與探頭形成一個距離固定的聲程區(qū)間,該結構稱之為聲程架。當探頭發(fā)射聲波時,該擋板能將一部分聲波反射回探頭。探頭接收到反射波后,計算從發(fā)射到接收的時間,并計算出聲速。


二、渡越時間誤差

聲波是縱向振動的彈性機械波,它借助傳播介質的分子運動而傳播。由于傳播介質的吸收、散射和聲波的擴散等原因,導致聲強、聲壓和聲能減弱,發(fā)生聲波衰減。并且超聲波液位計的測量需要在被測液面上形成一次聲波反射,這同樣會引起聲波的衰減。目前比較簡單的消除渡越時間誤差的方法是增加時間控制電路(TGC、,利用TGC電路補償聲波在傳播過程中的衰減,使各種液面高度情況下,接收波的幅度基本保持一致,從而盡量減小測量誤差。但是這種方法還是具有較大局限性。該方法需要預知不同液位高度聲波的傳播時間,以及在這段距離內聲波的衰減量,然后將兩者的對應關系擬制出一條曲線,并設計出符合這一曲線方程的時間增益控制電路。

根據前面的分析,傳播時間和衰減量是較為重要的兩個因素,它們易受現場環(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***,也難以設計出與之完全吻合的TGC電路。由此,在補償中新的誤差引入也就在所難免了。而要徹底消除渡越時間誤差,接收電路的信號變換過程為經過前置預處理的接收信號,經過直流檢波后提取出信號的包絡,將包絡進行微分處理。通過信號的變換過程,無論接收信號的幅度如何,其包絡的峰值肯定處于接收信號的時間中心點上,即微分信號的過零處。


三、系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差主要由系統(tǒng)時延產生,系統(tǒng)延時的主要來源有硬件電路延時、單片機的中斷響應延時、探頭響應延時等。由于超聲波液位計工作于脈沖發(fā)射狀態(tài),單片機每次發(fā)出發(fā)射命令后,發(fā)射功放電路要經過一個能量蓄積的過程才能達到發(fā)射狀態(tài),同時探頭內的壓電陶瓷也有一個起振過程,要達到40kHz的振動頻率也需要一定時間。而計時卻是從發(fā)射命令發(fā)出開始的,因此這個系統(tǒng)時延必須要予以考慮,并在軟件上進行補償。

另外,超聲波測量液位時,液位距離都是從探頭前端表面到液面,實際上壓電陶瓷聲學中心并不是在其表面上。因此,從探頭表面到聲學中心點的距離,也會引起系統(tǒng)誤差,這個誤差可以和時延誤差歸為一類,并一同修正。

對于同一個型號或批次的超聲波液位計,由于所用的元件、材料工藝等都一樣,其系統(tǒng)時延也相差無幾,并且是一個比較固定的值。因此,可以通過對固定距離測試的方式,標定并修正系統(tǒng)時延。


以上對超聲波液位計測量中幾種主要誤差進行了分析,并提出了修正方法,計為Uson-11系列超聲波液位計根據以上修正方法的液位計,在測量精度上有較大提高,其帶有溫度補償,精度高,適應性強;采用特殊回波處理方式,有效避免虛假回波;整機防護等級高達IP66/IP67,能夠在不同工業(yè)環(huán)境中應用。

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