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浅析影响超声波液位计测量精度的因素
2019-10-29
超声波液位计是一款适用于各种槽池的连续性液位测量仪表，应用颇为广泛。但在实际应用中，受各种因素的干扰，有时会出现测量不准的情况。为更好地进行液位测量，本文拟浅析影响超声波液位计测量精度的因素，希望对用户有所帮助。
根据超声波液位计的工作原理，超声波液位计是由超声换能器（探头）发出高频超声波脉冲，超声脉冲遇到被测液位表面时，该脉冲便被反射回来，部分反射回波被换能器重新接收，转换成电信号。因此可见，仪表的测量环境和仪表电路的声电转换能力都会对超声波的测量精度造成影响。
超声波脉冲以声波速度传播，超声波脉冲从发射到接收所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系，用公式表示：S=C×T/2。根据超声波的声波传输特性，超声液位计应用的理想工况为平静的液体表面，如果液面起伏不定或者呈波浪状，超声波探测对于实际液位的测量就会出现误差，这就需要内部电路对测量信号进行算法优化，以反馈真实的液位。
根据上述原理，在实际应用中，影响超声波液位计测量精度的影响因素主要有：
一、液面波动较大的工况
在一些带搅拌或者较为动态的液位环境中，由于液位水平呈动态起伏和不确定性变化，会导致超声波液位计的测量精度大大降低。为此，要实现精确测量，则需要在硬件和软件上对仪表的鲁棒性（鲁棒性大致相当于稳定性）进行提高。
1．在硬件方面，采取高效严谨的信号滤波电路来过滤掉测量时超声波信号接触复杂的液体表面而产生的次波杂波。
2．在软件方面，加入延时平均算法能够使仪表更好地适应复杂且动态变化的工况。
二、错误的仪表安装方式
安装方式不正确，易致测量精度下降。如图所示，由于在安装时，超声波换能器的方向没有与液面保持垂直，会导致测量距离大于液位的实际距离。
三、温度传感器
众所周知，声波在空气介质中的传播速度会受到温度的影响。而超声波作为声波的一种，其传播速度也同样受温度的影响。所以在设计超声波换能器的时候，通常会在探头里面嵌入一个温度传感器，从而对环境的温度进行监控，并在算法上对超声波的声速作补偿。
由于温度传感器作为探头的一部分被保护材料密闭的封装在探头里，受这种结构以及保护材料（这类材料多为质量大、导热性低的材质）的限制，可能导致探头的温度无法实时地跟随环境温度的变化而变化。比如，将超声波液位计安装于无遮挡的户外，太阳光的照射会使探头持续升温，而环境温度并不会像探头一般持续升温，最终探头里的传感器所测温度与环境的温度会有较大差别，从而使测量精度受到影响。
四、环境因素
在环境因素中，除了第三点所说的温度因素的影响，空气湿度、气压、气流、不同的气体介质这些因素也会对声波传播速度有所影响，从而降低测量精度。
根据超声波液位计的工作原理，超声波液位计是由超声换能器（探头）发出高频超声波脉冲，超声脉冲遇到被测液位表面时，该脉冲便被反射回来，部分反射回波被换能器重新接收，转换成电信号。因此可见，仪表的测量环境和仪表电路的声电转换能力都会对超声波的测量精度造成影响。
超声波脉冲以声波速度传播，超声波脉冲从发射到接收所需时间间隔与换能器到被测介质表面的距离成正比。此距离值S与声速C和传输时间T之间的关系，用公式表示：S=C×T/2。根据超声波的声波传输特性，超声液位计应用的理想工况为平静的液体表面，如果液面起伏不定或者呈波浪状，超声波探测对于实际液位的测量就会出现误差，这就需要内部电路对测量信号进行算法优化，以反馈真实的液位。
根据上述原理，在实际应用中，影响超声波液位计测量精度的影响因素主要有：
一、液面波动较大的工况
在一些带搅拌或者较为动态的液位环境中，由于液位水平呈动态起伏和不确定性变化，会导致超声波液位计的测量精度大大降低。为此，要实现精确测量，则需要在硬件和软件上对仪表的鲁棒性（鲁棒性大致相当于稳定性）进行提高。
1．在硬件方面，采取高效严谨的信号滤波电路来过滤掉测量时超声波信号接触复杂的液体表面而产生的次波杂波。
2．在软件方面，加入延时平均算法能够使仪表更好地适应复杂且动态变化的工况。
二、错误的仪表安装方式
安装方式不正确，易致测量精度下降。如图所示，由于在安装时，超声波换能器的方向没有与液面保持垂直，会导致测量距离大于液位的实际距离。
三、温度传感器
众所周知，声波在空气介质中的传播速度会受到温度的影响。而超声波作为声波的一种，其传播速度也同样受温度的影响。所以在设计超声波换能器的时候，通常会在探头里面嵌入一个温度传感器，从而对环境的温度进行监控，并在算法上对超声波的声速作补偿。
由于温度传感器作为探头的一部分被保护材料密闭的封装在探头里，受这种结构以及保护材料（这类材料多为质量大、导热性低的材质）的限制，可能导致探头的温度无法实时地跟随环境温度的变化而变化。比如，将超声波液位计安装于无遮挡的户外，太阳光的照射会使探头持续升温，而环境温度并不会像探头一般持续升温，最终探头里的传感器所测温度与环境的温度会有较大差别，从而使测量精度受到影响。
四、环境因素
在环境因素中，除了第三点所说的温度因素的影响，空气湿度、气压、气流、不同的气体介质这些因素也会对声波传播速度有所影响，从而降低测量精度。
TAGS : 超声波液位计
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