超聲波液位計(jì)測(cè)量精度的影響因素分析

超聲波液位計(jì)測(cè)量精度的影響因素分析

在工業(yè)生產(chǎn)中，液體取樣是一種重要的試驗(yàn)和控制手段。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的快速發(fā)展,液位測(cè)量已被廣泛應(yīng)用,如各種容器、管道內(nèi)液位測(cè)量及水庫(kù)、江河、水渠的水位測(cè)量。無(wú)論是應(yīng)用于哪種場(chǎng)所,都對(duì)液位計(jì)的測(cè)量精度提出了越來越高的要求。目前,液位測(cè)量使用最普遍的是超聲波液位計(jì),但由于超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度極易受到溫度、濕度、粉塵、被測(cè)量液體的化學(xué)成分等多方面因素的影響,導(dǎo)致其測(cè)量精度不高。本文對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)量中可能出現(xiàn)的一些誤差進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的補(bǔ)償措施。1超聲波傳播速度測(cè)定超聲波液位計(jì)工作原理如圖1所示,超聲波液位計(jì)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(gè)探頭完成。探頭向被測(cè)液面發(fā)射超聲波信號(hào),超聲波由探頭經(jīng)傳播介質(zhì)傳播至被測(cè)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(jì)時(shí)單元測(cè)量超聲波從發(fā)射到回波被接收所用的時(shí)間,根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度,可以計(jì)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(jì)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(shí)間。2誤差分析與校正方法2.1測(cè)量精度分析由式(1)可知,超聲波的傳播時(shí)間是液位計(jì)測(cè)量的中間結(jié)果,利用超聲波液位計(jì)測(cè)量液位,還需要知道超聲波在空氣中的傳播速度,因此對(duì)超聲波傳播速度取值精度將極大地影響超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度。2.1.1空氣中超聲聲速與溫度的關(guān)系一般情況下,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(guān)系如下其中,V0=331.45m/s表示0℃時(shí)聲速;T表示溫度,單位℃。在工業(yè)測(cè)量中一般以式(3)近似計(jì)算空氣中超聲波的聲速與溫度的關(guān)系。因此,可以通過在液位計(jì)上安裝溫度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量溫度,并利用式(3)中給定的溫度與聲速的關(guān)系,方便地?fù)Q算出聲速值。但是,實(shí)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(guān)。因此,在實(shí)際應(yīng)用中僅利用測(cè)量溫度的方法對(duì)聲速進(jìn)行標(biāo)定還有諸多不足,且在溫度測(cè)量過程中也會(huì)存在一定的誤差,因此溫度補(bǔ)償方法只適用一般應(yīng)用,而無(wú)法滿足高精度測(cè)量。2.1.2聲程架聲程長(zhǎng)度和長(zhǎng)度實(shí)踐證明,無(wú)論是利用何種經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)聲速進(jìn)行補(bǔ)償,都會(huì)由于測(cè)量環(huán)境的復(fù)雜性和測(cè)量方法等原因,引進(jìn)新的誤差。因此利用實(shí)測(cè)聲速的方法進(jìn)行聲速補(bǔ)償被認(rèn)為是最可靠的補(bǔ)償方法。如圖2所示,在發(fā)射探頭前端安裝一個(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)稱之為聲程架。當(dāng)探頭發(fā)射聲波時(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)算從發(fā)射到接收的時(shí)間,利用式(4)計(jì)算聲速其中,L為聲程架的聲程長(zhǎng)度;t為聲波傳播時(shí)間。利用實(shí)測(cè)聲速方法進(jìn)行補(bǔ)償,由于補(bǔ)償聲波與測(cè)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最精確的聲速修正方式。但是在這種方法的使用中,聲程架應(yīng)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(shí)測(cè)聲速精度。2.2接收信號(hào)的變換聲波是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波,它借助傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播。由于傳播介質(zhì)的吸收、散射和聲波的擴(kuò)散等原因,導(dǎo)致聲強(qiáng)、聲壓和聲能減弱,發(fā)生聲波衰減。并且液位計(jì)的測(cè)量需要在被測(cè)液面上形成一次聲波反射,這同樣會(huì)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(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。接收到的超聲波脈沖串經(jīng)過放大濾波后,其波形如圖3所示。探頭發(fā)射超聲波時(shí)系統(tǒng)開始計(jì)時(shí),當(dāng)接收信號(hào)的幅度超過設(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,可能需要在第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,可能在第3個(gè)甚至更早就能達(dá)到閾值。這樣停止計(jì)時(shí)的時(shí)間就不是確定的,這種不確定性必然會(huì)給系統(tǒng)測(cè)量精度帶來誤差。例如,當(dāng)超聲波頻率為40kHz時(shí),如果停止計(jì)時(shí)信號(hào)相差一個(gè)波形,那么計(jì)時(shí)時(shí)間就會(huì)相差125μs,如果聲速此時(shí)為340m/s,則液面高度就會(huì)相差42.5mm,這個(gè)誤差如果應(yīng)用到石化部門1000m3以上的儲(chǔ)油罐上,將會(huì)產(chǎn)生很可觀的絕對(duì)誤差,所以必須要消除。目前比較簡(jiǎn)單的消除渡越時(shí)間誤差的辦法是增加時(shí)間控制電路(TGC),利用TGC電路補(bǔ)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(cè)量誤差。但是,這種方法還是具有較大局限性。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。根據(jù)前面的分析,其中,較為重要的兩個(gè)因素———傳播時(shí)間和衰減量,易受現(xiàn)場(chǎng)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精確,也難以設(shè)計(jì)出與之完全吻合的TGC電路。由此,在補(bǔ)償中新的誤差引入也就在所難免了。要徹底消除渡越時(shí)間誤差,接收電路可以采取如圖4所示形式。信號(hào)的變換過程如圖5所示,圖5(a)為經(jīng)過前置預(yù)處理的接收信號(hào),經(jīng)過直流檢波后提取出信號(hào)的包絡(luò)如圖5(b)所示,將包絡(luò)進(jìn)行微分處理如圖5(c)所示。通過信號(hào)的變換過程可以看出,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)的過零處。因此,過零檢測(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,由此,渡越時(shí)間誤差也就完全消除了。2.3固定距離測(cè)量系統(tǒng)時(shí)延系統(tǒng)誤差主要由系統(tǒng)時(shí)延產(chǎn)生,系統(tǒng)延時(shí)的主要來源有硬件電路延時(shí)、單片機(jī)的中斷響應(yīng)延時(shí)、探頭響應(yīng)延時(shí)等。由于超聲液位計(jì)工作于脈沖發(fā)射狀態(tài),單片機(jī)每次發(fā)出發(fā)射命令后,發(fā)射功放電路要經(jīng)過一個(gè)能量蓄積的過程才能達(dá)到發(fā)射狀態(tài),同時(shí)探頭內(nèi)的壓電陶瓷也有一個(gè)起振過程,要達(dá)到40kHz的振動(dòng)頻率也需要一定時(shí)間。而計(jì)時(shí)卻是從發(fā)射命令發(fā)出開始的,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,并一同修正。對(duì)于同一個(gè)型號(hào)或批次的液位計(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,可以通過對(duì)固定距離測(cè)量的方式,標(biāo)定并修正系統(tǒng)時(shí)延。設(shè)S1、S2為兩個(gè)已知的固定距離,t1、t2為在這兩個(gè)距離進(jìn)行標(biāo)定時(shí)測(cè)得的時(shí)間,其中含有相同的系統(tǒng)時(shí)延Δt,即聲波往返于兩個(gè)距離時(shí)所用的實(shí)際時(shí)間分別為:t1-Δ