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技術文章-超聲波

超聲波液位計的校準方法

發布時間:2024-04-15 10:54:44 人氣: 10

隨著工業自動化程度的提高,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極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??赏ㄟ^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間,該結構稱之為聲程架。當探頭發射聲波時,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、系統誤差

系統誤差主要由系統時延產生,系統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射狀態,單片機每次發出發射命令后,發射功放電路要經過一個能量蓄積的過程才能達到發射狀態,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。而計時卻是從發射命令發出開始的,因此這個系統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,能夠在不同工業環境中應用。

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