二線（xiàn）製（zhì）超聲（shēng）波液位計怎麽校準（zhǔn）

隨著工業自動化程度（dù）的快速提高，液位測量作為工業生產中的一個重要測試和控製手段，已被廣泛應用於測量各種容器、管道及水庫、江河、水渠內的液位。無論是應用於哪種場所，都對液位計的測量精度提出了（le）越來越高的（de）要（yào）求。在液位測（cè）量中，二線製超聲波液位計的使用非常普遍。但由於二線製（zhì）超聲波液位計的（de）測量精度*易受到溫度、濕度、粉塵、被測量液體（tǐ）的化學成分等多（duō）方（fāng）麵因素的影響，導致其測量精度不（bú）高。本文對二線（xiàn）製超（chāo）聲（shēng）波液（yè）位計測量中可能出現的一些誤差進行了分析，並提出了相（xiàng）應的補（bǔ）償措施。

 

一（yī）、二線製超聲波液（yè）位（wèi）計的工作原理

二線製超聲波液位計一般采用收發合一的陶瓷超聲波換能器，聲波的（de）發射和接收都由同一個探頭（tóu）完成。探頭向（xiàng）被測液麵發射超聲波信號，超聲波由探頭經傳播介質傳（chuán）播至被測液麵，在液麵（miàn）上形成反射，反射波沿原路徑傳播至探頭，被探頭吸收（shōu）。計時單元測量超聲波從（cóng）發射到回波被（bèi）接（jiē）收所用的時間，根據聲波在空氣中的傳播速度，可以計算出探（tàn）頭至液麵的距（jù）離（lí），從而（ér）得出液麵（miàn）的高度。

 

二（èr）、二線製（zhì）超聲波液位計常見誤差及校準方法

一（yī））參考聲（shēng）速精（jīng）度誤差（chà）

從距離值S與聲速C和傳輸時間T之間的關係公式S=C×T/2可知，利用二線製（zhì）超聲波液位計測量液位，還需要知道（dào）超聲波在（zài）空氣中的傳播速度，因（yīn）此超聲波傳播速度取值精度（dù）將*大地影響二線製（zhì）超聲波液位計的測量精度。

•溫度補償

一般情況下（xià），溫度是影響聲速的主要因素。可通過在二線製超聲波液位計（jì）上安裝溫度傳感器實時測量溫度，並利用溫度與聲速的關係（xì），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（tǐ）密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮（fú）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（sù）進行（háng）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（cháng）方法（fǎ）隻適（shì）用一般應用，而無法滿足高精度測量。

•實時聲速補償

實踐證明，由於受測量環境的複雜性和測量方法等因素（sù）的影響，無論是利（lì）用何（hé）種經驗公式和經（jīng）驗（yàn）數據對聲速進行補償，都需要引（yǐn）進新（xīn）的誤差。因此，利用實測聲（shēng）速的方法進（jìn）行聲速補償被認為（wéi）是*可靠的補（bǔ）償方法。

實測聲速補償原（yuán）理圖（tú）

 

如圖所（suǒ）示，在發（fā）射探頭（tóu）前端安裝一個擋板，擋板與探頭形成一個距離（lí）固定的聲程區間（jiān），該結構稱之為聲（shēng）程架。當探頭發射聲（shēng）波時，該擋板能將一部分聲波反射回探頭。探頭接收到反射波後，計算從發（fā）射到（dào）接收的時（shí）間，並計算（suàn）出聲速。

利用實測聲速方法（fǎ）進行（háng）補償，由於補償聲速與測量（liàng）聲波傳（chuán）播路徑所處的環境*為相（xiàng）似，所受的環境影響也基本一致，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（fāng）式。但是這種方法的使用中（zhōng），聲程架應選用低溫度膨脹係數的材料（liào），以免環境溫度變化聲程架發生熱脹冷縮，使聲程距離發生改變，影響實測聲速精度。

 

二）渡越時間誤差

聲波是縱向振動的彈（dàn）性機械波，它（tā）借（jiè）助傳播介質的分子運動而傳播。由於傳播介質的吸收、散射（shè）和聲波的擴散等原因，導致聲強、聲壓和聲（shēng）能減弱，發生聲波衰減（jiǎn）。並且二線製超聲波液位計的測量需要在被測液麵上形成一次（cì）聲波反射，這同樣會引起聲波的衰減。聲波是按傳播距（jù）離（lí）的指（zhǐ）數規律衰減的，當液麵高度不同時，聲波的傳輸距離也不相同，其接收波的幅（fú）度也會有較大差異（yì）。探頭發射超聲波時係統開始計時，當接收信號的幅度超過設定的（de）閾值時停止計時。液位高度發生變化時，接收信號的幅度也會發生變化。在液位比較低時（shí），接收信號幅（fú）度（dù）比較小，可能需要在*4個波峰（fēng）處才能達（dá）到閾值；當液麵（miàn）高度比較高時，接收信號幅度比較大，可能在*3個甚（shèn）至更早就能達（dá）到（dào）閾（yù）值。這樣停止（zhǐ）計時的時間就不是確定的，這種不確定性必然（rán）會（huì）給係統測量（liàng）精度帶來誤差。該誤差如果應用在1000m³以上的儲油罐上，將會產生很客觀的絕對誤差，所以必須（xū）要消除。

 

目前比較簡（jiǎn）單的消除渡越時間（jiān）誤差的方法（fǎ）是（shì）增加時間控製電路（TGC），利用TGC電路補（bǔ）償（cháng）聲波在傳（chuán）播過程中的衰（shuāi）減（jiǎn），使各種液麵高度情況下，接收波的幅度基本保持一致（zhì），從而盡量減小測量誤差。但是這種方法還是具有較大（dà）局限性。該方法需要預知不同液位（wèi）高度（dù）聲波的傳播時間，以及在這段距離內聲波的衰減量，然後將兩（liǎng）者的對應關係擬製出一條曲線，並（bìng）設計出（chū）符合這一曲線（xiàn）方程的時間增益控（kòng）製電路（lù）。

 

根據前麵的分析，傳播時間和衰減量是較為重要的兩個（gè）因素（sù），它（tā）們易受現場環境影響，而（ér）不（bú）能與事先擬製的（de）曲線很好（hǎo）吻合。並且，即使擬合的曲線十分精確（què），也難以設計出與之完全吻合的（de）TGC電路。由此，在補償中新的誤差引（yǐn）入也就在所難免了。而要徹底消除渡越時間誤差，接收電路的信號變換過程為經過（guò）前置預處理的接收信號，經過直流檢波（bō）後提取出信號（hào）的包絡，將包絡進行微（wēi）分處理。通過信號的變（biàn）換過程，無論接收信號的幅度（dù）如何，其包絡的峰值肯定處於接收信號的時間中心點（diǎn）上，即微分信（xìn）號的過零處。因（yīn）此，過零檢測電路產生的（de）停止計時（shí）信號一定處於回波信號（hào）的時間（jiān）中心點，不（bú）會因信號的幅度而改變，由（yóu）此，渡越時間誤差也（yě）就完全（quán）消除了（le）。

 

三）係（xì）統誤差（chà）

係統誤差（chà）主要由係統時延產生，係統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（xiǎng）應延時等。由於二線製超聲波液位計工作於脈衝發（fā）射狀（zhuàng）態，單片機每次發出發（fā）射命令後，發（fā）射功放電路要經過一個能量蓄積的過程才能達到發射狀態，同時探頭內的壓電陶瓷（cí）也有一個起振（zhèn）過程，要達到40kHz的振（zhèn）動頻率也需要一定時間。而計時卻（què）是從發射命（mìng）令發出開始的，因此這個係統時延必須要予以考慮，並在軟件上進行補償。

另外，超聲波測量液位時，液位距離都是從探頭前端表麵到液麵，實（shí）際上（shàng）壓電陶瓷聲學中心並不是在其表麵上。因此，從（cóng）探頭表麵到聲學中心點的距離，也會引起係統誤差，這（zhè）個誤（wù）差（chà）可以和時延誤差歸為一類，並一同修正。

對於同一個型號或（huò）批次的二線製（zhì）超聲波（bō）液位計，由於所用的元件、材料工（gōng）藝等都一樣，其係統時延也相（xiàng）差無幾，並且（qiě）是一個比較固定（dìng）的值。因此，可以通過對固定距離測試的方式，標定並修正係統時延。

二線（xiàn）製超聲波（bō）液位計根據上述誤差修正方法進行修正，在測量精度上有較大提高，其帶有（yǒu）溫度補償，精度高，適應性強；采用特殊回波處理（lǐ）方式，有效避免虛假回波；整機防護等級高達IP66/IP67，能夠在不同工業環境中應用。