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超声波液位计不同误差下的校准方法
2020-03-25
在液位测量中，超声波液位计是一种应用非常广泛的非接触式物位测量仪表。但实际应用中，由于温度、湿度、粉尘、被测量液体的化学成分等多方面因素会对超声波液位计的测量精度造成不同程度的影响，所以，掌握不同因素导致的不同误差的校准方法，对于实现精准测量就显得颇为必要。下面就来介绍下超声波液位计不同误差下的校准方法和补偿措施。
1．渡越时间误差
渡越时间是指上游信号传到下游所需时间。由于声波是纵向振动的弹性机械波，它的传播需要借助传播介质的分子运动。由于传播介质的吸收、散射和声波的扩散等方面的原因，导致声强、声压和声能减弱，发生声波衰减。并且超声波液位计的测量需要在被测液面上形成一次声波反射，也会造成声波的衰减。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，其接收波的幅度也会有较大差异。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。液位高度发生变化时，接收信号的幅度也会发生变化。在液位比较低时，接收信号幅度比较小，可能需在第4个波峰处才能达到阈值；当液面高度比较高时，接收信号幅度比较大，可能在第3个甚至更早就能达到阈值。这种情况下，停止计时的时间就不是确定的，这种时间上的不确定性必然会给系统测量精度带来误差。该渡越时间误差如果应用于1000m³以上的储油罐上，将会产生较大的绝对误差，所以对这种误差必须要消除和校准。
2．赌约时间误差的校准方法
增加时间控制电路（TGC）是目前比较简单的消除渡越时间误差的方法。利用TGC电路补偿声波在传播过程中的衰减，使各种液面高度情况下，接收波的幅度基本保持一致，以尽量减小测量误差。由于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，所以该方法局限性较大。
从前文可知，传播时间和衰减量这两个测量中的重要因素易受现场环境影响，而不能与事先拟制的曲线很好吻合。实际上，即使拟合的曲线十分精确，设计出与之完全吻合的TGC电路也并非易事。这样在补偿中新的误差引入也就在所难免。
而要彻底消除渡越时间误差，接收电路的信号变换过程为经过前置预处理的接收信号，经过直流检波后提取出信号的包络，将包络进行微分处理。通过信号的变换过程，无论接收信号的幅度如何，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，这样也完全消除了渡越时间误差。
二、参考声速精度误差及其校准方法
我们知道，知道声速C和传输时间T，根据公式S=C×T/2，就能计算出距离S。超声波的传播时间是液位计测量的中间结果，在利用超声波液位计测量液位时，还需要知道超声波在空气中的传播速度，因此对超声波传播速度的取值精度对超声波液位计的测量精度有影响极大。
针对声速精度误差，在实践中，有温度补偿和实时声速补偿两种校准方法。
1．温度补偿
在超声波液位计的测量过程中，影响声速的因素很多，有温度、气体密度、气压、湿度、空气中的悬浮物等，在这诸多因素中，温度尽管是是影响声速最主要的因素，其他因素也要考虑，否则对声速标定就会存在偏差，无法满足高精度测量的需要。一般来讲，温度补偿方法只适用于对测量精度要求不高的一般应用。
2．实时声速补偿
实践证明，受测量环境和测量方法等复杂因素的影响，不管利用何种经验公式和经验数据对声速进行补偿，引进新的误差都非常必要。而利用实测声速的方法进行声速补偿被认为是目前最为可靠的补偿方法。
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。当探头发射声波时，该挡板能将一部分声波反射回探头。探头接收到反射波后，计算从发射到接收的时间，并计算出声速。
利用实测声速方法进行补偿，由于补偿声速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，其声速通常比较接近，所以这种方法是目前使用最精确的声速修正方式。使用该方法时，为避免环境温度变化声程架发生热胀冷缩，使声程距离发生改变，影响实测声速精度，声程架应选用低温度膨胀系数的材料。
三、系统误差及其校准方法
系统误差主要由系统时延产生，而硬件电路延时、单片机的中断响应延时、探头响应延时等是系统延时的主要来源。工作于脉冲发射状态的超声波液位计，在单片机每次发出发射命令后，发射功放电路要经过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令发出开始的，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，液位距离都是从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，从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，并一同修正。
对于同一个型号或批次的超声波液位计，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，可以通过对固定距离测试的方式，标定并修正系统时延。
以上对超声波液位计测量中几种主要误差进行了分析，并提出了修正方法，采用以上修正方法的计为Uson-11系列超声波液位计，其带有温度补偿，精度高，适应性强；采用特殊回波处理方式，有效避免虚假回波；整机防护等级高达IP66/IP67，大大提高了测量精度，能够应用于各种不同工况。
1．渡越时间误差
渡越时间是指上游信号传到下游所需时间。由于声波是纵向振动的弹性机械波，它的传播需要借助传播介质的分子运动。由于传播介质的吸收、散射和声波的扩散等方面的原因，导致声强、声压和声能减弱，发生声波衰减。并且超声波液位计的测量需要在被测液面上形成一次声波反射，也会造成声波的衰减。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，其接收波的幅度也会有较大差异。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。液位高度发生变化时，接收信号的幅度也会发生变化。在液位比较低时，接收信号幅度比较小，可能需在第4个波峰处才能达到阈值；当液面高度比较高时，接收信号幅度比较大，可能在第3个甚至更早就能达到阈值。这种情况下，停止计时的时间就不是确定的，这种时间上的不确定性必然会给系统测量精度带来误差。该渡越时间误差如果应用于1000m³以上的储油罐上，将会产生较大的绝对误差，所以对这种误差必须要消除和校准。
2．赌约时间误差的校准方法
增加时间控制电路（TGC）是目前比较简单的消除渡越时间误差的方法。利用TGC电路补偿声波在传播过程中的衰减，使各种液面高度情况下，接收波的幅度基本保持一致，以尽量减小测量误差。由于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，所以该方法局限性较大。
从前文可知，传播时间和衰减量这两个测量中的重要因素易受现场环境影响，而不能与事先拟制的曲线很好吻合。实际上，即使拟合的曲线十分精确，设计出与之完全吻合的TGC电路也并非易事。这样在补偿中新的误差引入也就在所难免。
而要彻底消除渡越时间误差，接收电路的信号变换过程为经过前置预处理的接收信号，经过直流检波后提取出信号的包络，将包络进行微分处理。通过信号的变换过程，无论接收信号的幅度如何，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，这样也完全消除了渡越时间误差。
二、参考声速精度误差及其校准方法
我们知道，知道声速C和传输时间T，根据公式S=C×T/2，就能计算出距离S。超声波的传播时间是液位计测量的中间结果，在利用超声波液位计测量液位时，还需要知道超声波在空气中的传播速度，因此对超声波传播速度的取值精度对超声波液位计的测量精度有影响极大。
针对声速精度误差，在实践中，有温度补偿和实时声速补偿两种校准方法。
1．温度补偿
在超声波液位计的测量过程中，影响声速的因素很多，有温度、气体密度、气压、湿度、空气中的悬浮物等，在这诸多因素中，温度尽管是是影响声速最主要的因素，其他因素也要考虑，否则对声速标定就会存在偏差，无法满足高精度测量的需要。一般来讲，温度补偿方法只适用于对测量精度要求不高的一般应用。
2．实时声速补偿
实践证明，受测量环境和测量方法等复杂因素的影响，不管利用何种经验公式和经验数据对声速进行补偿，引进新的误差都非常必要。而利用实测声速的方法进行声速补偿被认为是目前最为可靠的补偿方法。
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。当探头发射声波时，该挡板能将一部分声波反射回探头。探头接收到反射波后，计算从发射到接收的时间，并计算出声速。
利用实测声速方法进行补偿，由于补偿声速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，其声速通常比较接近，所以这种方法是目前使用最精确的声速修正方式。使用该方法时，为避免环境温度变化声程架发生热胀冷缩，使声程距离发生改变，影响实测声速精度，声程架应选用低温度膨胀系数的材料。
三、系统误差及其校准方法
系统误差主要由系统时延产生，而硬件电路延时、单片机的中断响应延时、探头响应延时等是系统延时的主要来源。工作于脉冲发射状态的超声波液位计，在单片机每次发出发射命令后，发射功放电路要经过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令发出开始的，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，液位距离都是从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，从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，并一同修正。
对于同一个型号或批次的超声波液位计，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，可以通过对固定距离测试的方式，标定并修正系统时延。
以上对超声波液位计测量中几种主要误差进行了分析，并提出了修正方法，采用以上修正方法的计为Uson-11系列超声波液位计，其带有温度补偿，精度高，适应性强；采用特殊回波处理方式，有效避免虚假回波；整机防护等级高达IP66/IP67，大大提高了测量精度，能够应用于各种不同工况。
TAGS : 超声波液位计
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