超聲波液位計工作原理
1 外貼式超聲波液位計工作原理
外貼式 超聲波液位計工作原理如圖1所示,超聲波液位計一般采用收發(fā)合一的陶瓷超聲波換能器,聲波的發(fā)射和接收都由同一個探頭完成。探頭向被測液面發(fā)射超聲波信號,超聲波由探頭經傳播介質傳播至被測液面,在液面上形成反射,反射波沿原路徑傳播至探頭,被探頭接收。計時單元測量超聲波從發(fā)射到回波被接收所用的時間,根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度,可以計算出探頭至液面的距離,從而得出液面的高度。
式(1)為液位高度計算公式。其中,H表示探頭距容器底部的距離;S表示探頭距離液面的距離;v為超聲波的傳播速度;t為超聲波的傳播時間。
2 誤差分析及校準方法
2.1參考聲速精度誤差
由式(1)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。
2.1.1溫度補償
一般情況下,溫度是影響聲速的主要因素,在正常大氣壓條件下,聲速與溫度的關系如下
其中,V0=331.45m/s表示0℃時聲速;T表示溫度,單位℃。
在工業(yè)測量中一般以式(3)近似計算空氣中超聲波的聲速與溫度的關系。
因此,可以通過在液位計上安裝溫度傳感器實時測量溫度,并利用式(3)中給定的溫度與聲速的關系,方便地換算出聲速值。但是,實際上聲速又不僅僅受溫度影響,還與氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮物等諸多因素有關。因此,在實際應用中僅利用測量溫度的方法對聲速進行標定還有諸多不足,且在溫度測量過程中也會存在一定的誤差,因此溫度補償方法只適用一般應用,而無法滿足高精度測量。
2.1.2實測聲速補償
實踐證明,無論是利用何種經驗公式和經驗數(shù)據(jù)對聲速進行補償,都會由于測量環(huán)境的復雜性和測量方法等原因,引進新的誤差。因此利用實測聲速的方法進行聲速補償被認為是*可靠的補償方法。
如圖2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,利用式(4)計算聲速
其中,L為聲程架的聲程長度;t為聲波傳播時間。
利用實測聲速方法進行補償,由于補償聲波與測量聲波傳播路徑所處的環(huán)境極為相似,所受的環(huán)境影響也基本一致,其聲速通常也較接近,所以這種方法是目前使用***的聲速修正方式。但是在這種方法的使用中,聲程架應選用低溫度膨脹系數(shù)的材料,以免環(huán)境溫度變化聲程架發(fā)生熱脹冷縮,使聲程距離L發(fā)生改變,影響實測聲速精度。
2.2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。聲波是按傳播距離的指數(shù)規(guī)律衰減的,當液面高度不同時,聲波的傳輸距離也不相同,其接收波的幅度也會有較大差異。
接收到的超聲波脈沖串經過放大濾波后,其波形如圖3所示。探頭發(fā)射超聲波時系統(tǒng)開始計時,當接收信號的幅度超過設定的閾值時停止計時。液位高度發(fā)生變化時,接收信號的幅度也會發(fā)生變化。在液位比較低時,接收信號幅度比較小,可能需要在第4個波峰處才能達到閾值;當液面高度比較高時,接收信號幅度比較大,可能在第3個甚至更早就能達到閾值。這樣停止計時的時間就不是確定的,這種不確定性必然會給系統(tǒng)測量精度帶來誤差。例如,當超聲波頻率為40kHz時,如果停止計時信號相差一個波形,那么計時時間就會相差125μs,如果聲速此時為340m/s,則液面高度就會相差42.5mm,這個誤差如果應用到石化部門1000m3以上的儲油罐上,將會產生很可觀的**誤差,所以必須要消除。
目前比較簡單的消除渡越時間誤差的辦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(jù)前面的分析,其中,較為重要的兩個因素——傳播時間和衰減量,易受現(xiàn)場環(huán)境影響,而不能與事先擬制的曲線很好的吻合。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。
要徹底消除渡越時間誤差,接收電路可以采取如圖4所示形式。信號的變換過程如圖5所示,圖5( a)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如圖5(b)所示,將包絡進行微分處理如圖5(c)所示。通過信號的變換過程可以看出,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。因此,過零檢測電路產生的停止計時信號一定處于回波信號的時間中心點,不會因信號的幅度而改變,由此,渡越時間誤差也就完全消除了。
2.3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量的方式,標定并修正系統(tǒng)時延。設S1、S2為兩個已知的固定距離,t1、t2為在這兩個距離進行標定時測得的時間,其中含有相同的系統(tǒng)時延Δt,即聲波往返于兩個距離時所用的實際時間分別為:t1-Δt和t2-Δt。則有
由式(5)和式(6)可得
將實測的S1、S2、t1、t2代入式(7)中,求得Δt,再將系統(tǒng)軟件中的測量結果用Δt修正,則可以消除系統(tǒng)延時誤差。
3結束語
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,采取以上修正方法的液位計,在測量精度上將會有較大提高。
外貼式 超聲波液位計工作原理如圖1所示,超聲波液位計一般采用收發(fā)合一的陶瓷超聲波換能器,聲波的發(fā)射和接收都由同一個探頭完成。探頭向被測液面發(fā)射超聲波信號,超聲波由探頭經傳播介質傳播至被測液面,在液面上形成反射,反射波沿原路徑傳播至探頭,被探頭接收。計時單元測量超聲波從發(fā)射到回波被接收所用的時間,根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度,可以計算出探頭至液面的距離,從而得出液面的高度。
式(1)為液位高度計算公式。其中,H表示探頭距容器底部的距離;S表示探頭距離液面的距離;v為超聲波的傳播速度;t為超聲波的傳播時間。
2 誤差分析及校準方法
2.1參考聲速精度誤差
由式(1)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。
2.1.1溫度補償
一般情況下,溫度是影響聲速的主要因素,在正常大氣壓條件下,聲速與溫度的關系如下
其中,V0=331.45m/s表示0℃時聲速;T表示溫度,單位℃。
在工業(yè)測量中一般以式(3)近似計算空氣中超聲波的聲速與溫度的關系。
因此,可以通過在液位計上安裝溫度傳感器實時測量溫度,并利用式(3)中給定的溫度與聲速的關系,方便地換算出聲速值。但是,實際上聲速又不僅僅受溫度影響,還與氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮物等諸多因素有關。因此,在實際應用中僅利用測量溫度的方法對聲速進行標定還有諸多不足,且在溫度測量過程中也會存在一定的誤差,因此溫度補償方法只適用一般應用,而無法滿足高精度測量。
2.1.2實測聲速補償
實踐證明,無論是利用何種經驗公式和經驗數(shù)據(jù)對聲速進行補償,都會由于測量環(huán)境的復雜性和測量方法等原因,引進新的誤差。因此利用實測聲速的方法進行聲速補償被認為是*可靠的補償方法。
如圖2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,利用式(4)計算聲速
其中,L為聲程架的聲程長度;t為聲波傳播時間。
利用實測聲速方法進行補償,由于補償聲波與測量聲波傳播路徑所處的環(huán)境極為相似,所受的環(huán)境影響也基本一致,其聲速通常也較接近,所以這種方法是目前使用***的聲速修正方式。但是在這種方法的使用中,聲程架應選用低溫度膨脹系數(shù)的材料,以免環(huán)境溫度變化聲程架發(fā)生熱脹冷縮,使聲程距離L發(fā)生改變,影響實測聲速精度。
2.2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。聲波是按傳播距離的指數(shù)規(guī)律衰減的,當液面高度不同時,聲波的傳輸距離也不相同,其接收波的幅度也會有較大差異。
接收到的超聲波脈沖串經過放大濾波后,其波形如圖3所示。探頭發(fā)射超聲波時系統(tǒng)開始計時,當接收信號的幅度超過設定的閾值時停止計時。液位高度發(fā)生變化時,接收信號的幅度也會發(fā)生變化。在液位比較低時,接收信號幅度比較小,可能需要在第4個波峰處才能達到閾值;當液面高度比較高時,接收信號幅度比較大,可能在第3個甚至更早就能達到閾值。這樣停止計時的時間就不是確定的,這種不確定性必然會給系統(tǒng)測量精度帶來誤差。例如,當超聲波頻率為40kHz時,如果停止計時信號相差一個波形,那么計時時間就會相差125μs,如果聲速此時為340m/s,則液面高度就會相差42.5mm,這個誤差如果應用到石化部門1000m3以上的儲油罐上,將會產生很可觀的**誤差,所以必須要消除。
目前比較簡單的消除渡越時間誤差的辦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(jù)前面的分析,其中,較為重要的兩個因素——傳播時間和衰減量,易受現(xiàn)場環(huán)境影響,而不能與事先擬制的曲線很好的吻合。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。
要徹底消除渡越時間誤差,接收電路可以采取如圖4所示形式。信號的變換過程如圖5所示,圖5( a)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如圖5(b)所示,將包絡進行微分處理如圖5(c)所示。通過信號的變換過程可以看出,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。因此,過零檢測電路產生的停止計時信號一定處于回波信號的時間中心點,不會因信號的幅度而改變,由此,渡越時間誤差也就完全消除了。
2.3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量的方式,標定并修正系統(tǒng)時延。設S1、S2為兩個已知的固定距離,t1、t2為在這兩個距離進行標定時測得的時間,其中含有相同的系統(tǒng)時延Δt,即聲波往返于兩個距離時所用的實際時間分別為:t1-Δt和t2-Δt。則有
由式(5)和式(6)可得
將實測的S1、S2、t1、t2代入式(7)中,求得Δt,再將系統(tǒng)軟件中的測量結果用Δt修正,則可以消除系統(tǒng)延時誤差。
3結束語
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,采取以上修正方法的液位計,在測量精度上將會有較大提高。
公安機關備案號：
