超聲波液位計(jì)怎么校準(zhǔn)方法
在液位測(cè)量中，超聲波液位計(jì)是一種應(yīng)用非常廣泛的非接觸式物位測(cè)量?jī)x表。但實(shí)際應(yīng)用中，由于溫度、濕度、粉塵、被測(cè)量液體的化學(xué)成分等多方面因素會(huì)對(duì)超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度造成不同程度的影響，所以，掌握不同因素導(dǎo)致的不同誤差的校準(zhǔn)方法，對(duì)于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量就顯得頗為必要。下面就來(lái)介紹下超聲波液位計(jì)不同誤差下的校準(zhǔn)方法和補(bǔ)償措施。
一、渡越時(shí)間誤差及其校準(zhǔn)方法
1、渡越時(shí)間誤差
渡越時(shí)間是指上游信號(hào)傳到下游所需時(shí)間。由于聲波是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它的傳播需要借助傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)。由于傳播介質(zhì)的吸收、散射和聲波的擴(kuò)散等方面的原因，導(dǎo)致聲強(qiáng)、聲壓和聲能減弱，發(fā)生聲波衰減。并且超聲波液位計(jì)的測(cè)量需要在被測(cè)液面上形成一次聲波反射，也會(huì)造成聲波的衰減。聲波是按傳播距離的指數(shù)規(guī)律衰減的，當(dāng)液面高度不同時(shí)，聲波的傳輸距離也不相同，其接收波的幅度也會(huì)有較大差異。探頭****超聲波時(shí)系統(tǒng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收信號(hào)的幅度超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)停止計(jì)時(shí)。液位高度發(fā)生變化時(shí)，接收信號(hào)的幅度也會(huì)發(fā)生變化。在液位比較低時(shí)，接收信號(hào)幅度比較小，可能需在*4個(gè)波峰處才能達(dá)到閾值；當(dāng)液面高度比較高時(shí)，接收信號(hào)幅度比較大，可能在*3個(gè)甚至更早就能達(dá)到閾值。這種情況下，停止計(jì)時(shí)的時(shí)間就不是確定的，這種時(shí)間上的不確定性必然會(huì)給系統(tǒng)測(cè)量精度帶來(lái)誤差。該渡越時(shí)間誤差如果應(yīng)用于1000m3以上的儲(chǔ)油罐上，將會(huì)產(chǎn)生較大的絕對(duì)誤差，所以對(duì)這種誤差必須要消除和校準(zhǔn)。
2、****約時(shí)間誤差的校準(zhǔn)方法
增加時(shí)間控制電路（TGC）是目前比較簡(jiǎn)單的消除渡越時(shí)間誤差的方法。利用TGC電路補(bǔ)償聲波在傳播過(guò)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，以盡量減小測(cè)量誤差。由于該方法需要預(yù)知不同液位高度聲波的傳播時(shí)間，以及在這段距離內(nèi)聲波的衰減量，然后將兩者的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬制出一條曲線，并設(shè)計(jì)出符合這一曲線方程的時(shí)間增益控制電路，所以該方法局限性較大。
從前文可知，傳播時(shí)間和衰減量這兩個(gè)測(cè)量中的重要因素易受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響，而不能與事先擬制的曲線很好吻合。實(shí)際上，即使擬合的曲線十分精確，設(shè)計(jì)出與之完全吻合的TGC電路也并非易事。這樣在補(bǔ)償中新的誤差引入也就在所難免。
而要徹底消除渡越時(shí)間誤差，接收電路的信號(hào)變換過(guò)程為經(jīng)過(guò)前置預(yù)處理的接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)直流檢波后提取出信號(hào)的包絡(luò)，將包絡(luò)進(jìn)行微分處理。通過(guò)信號(hào)的變換過(guò)程，無(wú)論接收信號(hào)的幅度如何，其包絡(luò)的峰值肯定處于接收信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)上，即微分信號(hào)的過(guò)零處。因此，過(guò)零檢測(cè)電路產(chǎn)生的停止計(jì)時(shí)信號(hào)一定處于回波信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)，不會(huì)因信號(hào)的幅度而改變，這樣也完全消除了渡越時(shí)間誤差。
二、參考聲速精度誤差及其校準(zhǔn)方法
我們知道，知道聲速C和傳輸時(shí)間T，根據(jù)公式S=C×T/2，就能計(jì)算出距離S。超聲波的傳播時(shí)間是液位計(jì)測(cè)量的中間結(jié)果，在利用超聲波液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)，還需要知道超聲波在空氣中的傳播速度，因此對(duì)超聲波傳播速度的取值精度對(duì)超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度有影響*大。
針對(duì)聲速精度誤差，在實(shí)踐中，有溫度補(bǔ)償和實(shí)時(shí)聲速補(bǔ)償兩種校準(zhǔn)方法。
1、溫度補(bǔ)償
在超聲波液位計(jì)的測(cè)量過(guò)程中，影響聲速的因素很多，有溫度、氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮物等，在這諸多因素中，溫度盡管是是影響聲速*主要的因素，其他因素也要考慮，否則對(duì)聲速標(biāo)定就會(huì)存在偏差，無(wú)法滿(mǎn)足高精度測(cè)量的需要。一般來(lái)講，溫度補(bǔ)償方法只適用于對(duì)測(cè)量精度要求不高的一般應(yīng)用。
2、實(shí)時(shí)聲速補(bǔ)償
實(shí)踐證明，受測(cè)量環(huán)境和測(cè)量方法等復(fù)雜因素的影響，不管利用何種經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償，引進(jìn)新的誤差都非常必要。而利用實(shí)測(cè)聲速的方法進(jìn)行聲速補(bǔ)償被認(rèn)為是目前*為可靠的補(bǔ)償方法。
在****探頭前端安裝一個(gè)擋板，擋板與探頭形成一個(gè)距離固定的聲程區(qū)間，該結(jié)構(gòu)稱(chēng)之為聲程架。當(dāng)探頭****聲波時(shí)，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(jì)算從****到接收的時(shí)間，并計(jì)算出聲速。
利用實(shí)測(cè)聲速方法進(jìn)行補(bǔ)償，由于補(bǔ)償聲速與測(cè)量聲波傳播路徑所處的環(huán)境*為相似，所受的環(huán)境影響也基本一致，其聲速通常比較接近，所以這種方法是目前使用*精確的聲速修正方式。使用該方法時(shí)，為避免環(huán)境溫度變化聲程架發(fā)生熱脹冷縮，使聲程距離發(fā)生改變，影響實(shí)測(cè)聲速精度，聲程架應(yīng)選用低溫度膨脹系數(shù)的材料。
三、系統(tǒng)誤差及其校準(zhǔn)方法
系統(tǒng)誤差主要由系統(tǒng)時(shí)延產(chǎn)生，而硬件電路延時(shí)、單片機(jī)的中斷響應(yīng)延時(shí)、探頭響應(yīng)延時(shí)等是系統(tǒng)延時(shí)的主要來(lái)源。工作于脈沖****狀態(tài)的超聲波液位計(jì)，在單片機(jī)每次發(fā)出****命令后，****功放電路要經(jīng)過(guò)一個(gè)能量蓄積的過(guò)程才能達(dá)到****狀態(tài)，同時(shí)探頭內(nèi)的壓電陶瓷也有一個(gè)起振過(guò)程，要達(dá)到40kHz的振動(dòng)頻率也需要一定時(shí)間。而計(jì)時(shí)卻是從****命令發(fā)出開(kāi)始的，因此這個(gè)系統(tǒng)時(shí)延必須要予以考慮，并在軟件上進(jìn)行補(bǔ)償。
另外，超聲波測(cè)量液位時(shí)，液位距離都是從探頭前端表面到液面，實(shí)際上壓電陶瓷聲學(xué)中心并不是在其表面上。因此，從探頭表面到聲學(xué)中心點(diǎn)的距離，也會(huì)引起系統(tǒng)誤差，這個(gè)誤差可以和時(shí)延誤差歸為一類(lèi)，并一同修正。
對(duì)于同一個(gè)型號(hào)或批次的超聲波液位計(jì)，由于所用的元件、材料工藝等都一樣，其系統(tǒng)時(shí)延也相差無(wú)幾，并且是一個(gè)比較固定的值。因此，可以通過(guò)對(duì)固定距離測(cè)試的方式，標(biāo)定并修正系統(tǒng)時(shí)延。
以上對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)量中幾種主要誤差進(jìn)行了分析，并提出了修正方法，采用以上修正方法的計(jì)為Uson-11系列超聲波液位計(jì)，其帶有溫度補(bǔ)償，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)；采用特殊回波處理方式，有效避免虛假回波；整機(jī)防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP66/IP67，大大提高了測(cè)量精度，能夠應(yīng)用于各種不同工況。