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超聲波液位計不同誤差下的校準方法
2020-03-25
在液位測量中，超聲波液位計是一種應用非常廣泛的非接觸式物位測量儀表。但實際應用中，由于溫度、濕度、粉塵、被測量液體的化學成分等多方面因素會對超聲波液位計的測量精度造成不同程度的影響，所以，掌握不同因素導致的不同誤差的校準方法，對于實現精準測量就顯得頗為必要。下面就來介紹下超聲波液位計不同誤差下的校準方法和補償措施。
1．渡越時間誤差
渡越時間是指上游信號傳到下游所需時間。由于聲波是縱向振動的彈性機械波，它的傳播需要借助傳播介質的分子運動。由于傳播介質的吸收、散射和聲波的擴散等方面的原因，導致聲強、聲壓和聲能減弱，發生聲波衰減。并且超聲波液位計的測量需要在被測液面上形成一次聲波反射，也會造成聲波的衰減。聲波是按傳播距離的指數規律衰減的，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。探頭發射超聲波時系統開始計時，當接收信號的幅度超過設定的閾值時停止計時。液位高度發生變化時，接收信號的幅度也會發生變化。在液位比較低時，接收信號幅度比較小，可能需在第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。這種情況下，停止計時的時間就不是確定的，這種時間上的不確定性必然會給系統測量精度帶來誤差。該渡越時間誤差如果應用于1000m3以上的儲油罐上，將會產生較大的絕對誤差，所以對這種誤差必須要消除和校準。
2．賭約時間誤差的校準方法
增加時間控制電路（TGC）是目前比較簡單的消除渡越時間誤差的方法。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，以盡量減小測量誤差。由于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，所以該方法局限性較大。
從前文可知，傳播時間和衰減量這兩個測量中的重要因素易受現場環境影響，而不能與事先擬制的曲線很好吻合。實際上，即使擬合的曲線十分精確，設計出與之完全吻合的TGC電路也并非易事。這樣在補償中新的誤差引入也就在所難免。
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，將包絡進行微分處理。通過信號的變換過程，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，這樣也完全消除了渡越時間誤差。
二、參考聲速精度誤差及其校準方法
我們知道，知道聲速C和傳輸時間T，根據公式S=C×T/2，就能計算出距離S。超聲波的傳播時間是液位計測量的中間結果，在利用超聲波液位計測量液位時，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的取值精度對超聲波液位計的測量精度有影響極大。
針對聲速精度誤差，在實踐中，有溫度補償和實時聲速補償兩種校準方法。
1．溫度補償
在超聲波液位計的測量過程中，影響聲速的因素很多，有溫度、氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮物等，在這諸多因素中，溫度盡管是是影響聲速最主要的因素，其他因素也要考慮，否則對聲速標定就會存在偏差，無法滿足高精度測量的需要。一般來講，溫度補償方法只適用于對測量精度要求不高的一般應用。
2．實時聲速補償
實踐證明，受測量環境和測量方法等復雜因素的影響，不管利用何種經驗公式和經驗數據對聲速進行補償，引進新的誤差都非常必要。而利用實測聲速的方法進行聲速補償被認為是目前最為可靠的補償方法。
在發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間，該結構稱之為聲程架。當探頭發射聲波時，該擋板能將一部分聲波反射回探頭。探頭接收到反射波后，計算從發射到接收的時間，并計算出聲速。
利用實測聲速方法進行補償，由于補償聲速與測量聲波傳播路徑所處的環境極為相似，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最精確的聲速修正方式。使用該方法時，為避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，聲程架應選用低溫度膨脹系數的材料。
三、系統誤差及其校準方法
系統誤差主要由系統時延產生，而硬件電路延時、單片機的中斷響應延時、探頭響應延時等是系統延時的主要來源。工作于脈沖發射狀態的超聲波液位計，在單片機每次發出發射命令后，發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。而計時卻是從發射命令發出開始的，因此這個系統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超聲波液位計，由于所用的元件、材料工藝等都一樣，其系統時延也相差無幾，并且是一個比較固定的值。因此，可以通過對固定距離測試的方式，標定并修正系統時延。
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，采用以上修正方法的計為Uson-11系列超聲波液位計，其帶有溫度補償，精度高，適應性強；采用特殊回波處理方式，有效避免虛假回波；整機防護等級高達IP66/IP67，大大提高了測量精度，能夠應用于各種不同工況。
1．渡越時間誤差
渡越時間是指上游信號傳到下游所需時間。由于聲波是縱向振動的彈性機械波，它的傳播需要借助傳播介質的分子運動。由于傳播介質的吸收、散射和聲波的擴散等方面的原因，導致聲強、聲壓和聲能減弱，發生聲波衰減。并且超聲波液位計的測量需要在被測液面上形成一次聲波反射，也會造成聲波的衰減。聲波是按傳播距離的指數規律衰減的，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。探頭發射超聲波時系統開始計時，當接收信號的幅度超過設定的閾值時停止計時。液位高度發生變化時，接收信號的幅度也會發生變化。在液位比較低時，接收信號幅度比較小，可能需在第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。這種情況下，停止計時的時間就不是確定的，這種時間上的不確定性必然會給系統測量精度帶來誤差。該渡越時間誤差如果應用于1000m3以上的儲油罐上，將會產生較大的絕對誤差，所以對這種誤差必須要消除和校準。
2．賭約時間誤差的校準方法
增加時間控制電路（TGC）是目前比較簡單的消除渡越時間誤差的方法。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，以盡量減小測量誤差。由于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，所以該方法局限性較大。
從前文可知，傳播時間和衰減量這兩個測量中的重要因素易受現場環境影響，而不能與事先擬制的曲線很好吻合。實際上，即使擬合的曲線十分精確，設計出與之完全吻合的TGC電路也并非易事。這樣在補償中新的誤差引入也就在所難免。
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，將包絡進行微分處理。通過信號的變換過程，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，這樣也完全消除了渡越時間誤差。
二、參考聲速精度誤差及其校準方法
我們知道，知道聲速C和傳輸時間T，根據公式S=C×T/2，就能計算出距離S。超聲波的傳播時間是液位計測量的中間結果，在利用超聲波液位計測量液位時，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的取值精度對超聲波液位計的測量精度有影響極大。
針對聲速精度誤差，在實踐中，有溫度補償和實時聲速補償兩種校準方法。
1．溫度補償
在超聲波液位計的測量過程中，影響聲速的因素很多，有溫度、氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮物等，在這諸多因素中，溫度盡管是是影響聲速最主要的因素，其他因素也要考慮，否則對聲速標定就會存在偏差，無法滿足高精度測量的需要。一般來講，溫度補償方法只適用于對測量精度要求不高的一般應用。
2．實時聲速補償
實踐證明，受測量環境和測量方法等復雜因素的影響，不管利用何種經驗公式和經驗數據對聲速進行補償，引進新的誤差都非常必要。而利用實測聲速的方法進行聲速補償被認為是目前最為可靠的補償方法。
在發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間，該結構稱之為聲程架。當探頭發射聲波時，該擋板能將一部分聲波反射回探頭。探頭接收到反射波后，計算從發射到接收的時間，并計算出聲速。
利用實測聲速方法進行補償，由于補償聲速與測量聲波傳播路徑所處的環境極為相似，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最精確的聲速修正方式。使用該方法時，為避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，聲程架應選用低溫度膨脹系數的材料。
三、系統誤差及其校準方法
系統誤差主要由系統時延產生，而硬件電路延時、單片機的中斷響應延時、探頭響應延時等是系統延時的主要來源。工作于脈沖發射狀態的超聲波液位計，在單片機每次發出發射命令后，發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。而計時卻是從發射命令發出開始的，因此這個系統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超聲波液位計，由于所用的元件、材料工藝等都一樣，其系統時延也相差無幾，并且是一個比較固定的值。因此，可以通過對固定距離測試的方式，標定并修正系統時延。
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，采用以上修正方法的計為Uson-11系列超聲波液位計，其帶有溫度補償，精度高，適應性強；采用特殊回波處理方式，有效避免虛假回波；整機防護等級高達IP66/IP67，大大提高了測量精度，能夠應用于各種不同工況。
TAGS : 超聲波液位計
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