超声波液位计工作原理及常见误差校准

　　随着工业自动化程度的快速提高，液位测量作为工业生产中液位测量的一个重要测试和控制手段，已被广泛应用于各种容器、管道内液位测量及水库、江河、水渠的水位测量。无论是应用于哪种场所，都对液位计的测量精度提出了越来越高的要求。在液位测量中，超声波液位计的使用非常普遍。但由于超声波液位计的测量精度极易受到温度、湿度、粉尘、被测量液体的化学成分等多方面因素的影响，导致其测量精度不高。本文对超声波液位计测量中可能出现的一些误差进行了分析，并提出了相应的补偿措施。

　　一、超声波液位计的工作原理

　　超声波液位计一般采用收发合一的陶瓷超声波换能器，声波的发射和接收都由同一个探头完成。探头向被测液面发射超声波信号，超声波由探头经传播介质传播至被测液面，在液面上形成反射，反射波沿原路径传播至探头，被探头吸收。计时单元测量超声波从发射到回波被接收所用的时间，根据声波在空气中的传播速度，可以计算出探头至液面的距离，从而得出液面的高度。

　　二、超声波液位计常见误差及校准方法

　　一）参考声速精度误差

　　从距离值S与声速C和传输时间T之间的关系公式S=C×T/2可知，超声波的传播时间是液位计测量的中间结果，利用超声波液位计测量液位，还需要知道超声波在空气中的传播速度，因此对超声波传播速度取值精度将极大地影响超声波液位计的测量精度。

　　•温度补偿

　　一般情况下，温度是影响声速的主要因素。可通过在超声波液位计上安装温度传感器实时测量温度，并利用温度与声速的关系，换算出声速值。但是，实际上声速又不仅仅受温度影响，还与气体密度、气压、湿度、空气中的悬浮物等诸多因素有关。因此，在实际应用中，仅利用测量温度的方法，对声速进行标定还有诸多不足，且在温度测量过程中也会存在一定的误差，因此温度补偿方法只适用一般应用，而无法满足高精度测量。

　　•实时声速补偿

　　实践证明，由于受测量环境的复杂性和测量方法等因素的影响，无论是利用何种经验公式和经验数据对声速进行补偿，都需要引进新的误差。因此，利用实测声速的方法进行声速补偿被认为是最可靠的补偿方法。

　　

　　如图所示，在发射探头前端安装一个挡板，挡板与探头形成一个距离固定的声程区间，该结构称之为声程架。当探头发射声波时，该挡板能将一部分声波反射回探头。探头接收到反射波后，计算从发射到接收的时间，并计算出声速。

　　利用实测声速方法进行补偿，由于补偿声速与测量声波传播路径所处的环境极为相似，所受的环境影响也基本一致，其声速通常比较接近，所以这种方法是目前使用最精确的声速修正方式。但是这种方法的使用中，声程架应选用低温度膨胀系数的材料，以免环境温度变化声程架发生热胀冷缩，使声程距离发生改变，影响实测声速精度。

　　二）渡越时间误差

　　声波是纵向振动的弹性机械波，它借助传播介质的分子运动而传播。由于传播介质的吸收、散射和声波的扩散等原因，导致声强、声压和声能减弱，发生声波衰减。并且超声波液位计的测量需要在被测液面上形成一次声波反射，这同样会引起声波的衰减。声波是按传播距离的指数规律衰减的，当液面高度不同时，声波的传输距离也不相同，其接收波的幅度也会有较大差异。探头发射超声波时系统开始计时，当接收信号的幅度超过设定的阈值时停止计时。液位高度发生变化时，接收信号的幅度也会发生变化。在液位比较低时，接收信号幅度比较小，可能需要在第4个波峰处才能达到阈值；当液面高度比较高时，接收信号幅度比较大，可能在第3个甚至更早就能达到阈值。这样停止计时的时间就不是确定的，这种不确定性必然会给系统测量精度带来误差。该误差如果应用在1000m³以上的储油罐上，将会产生很客观的绝对误差，所以必须要消除。

　　目前比较简单的消除渡越时间误差的方法是增加时间控制电路（TGC），利用TGC电路补偿声波在传播过程中的衰减，使各种液面高度情况下，接收波的幅度基本保持一致，从而尽量减小测量误差。但是这种方法还是具有较大局限性。该方法需要预知不同液位高度声波的传播时间，以及在这段距离内声波的衰减量，然后将两者的对应关系拟制出一条曲线，并设计出符合这一曲线方程的时间增益控制电路。

　　根据前面的分析，传播时间和衰减量是较为重要的两个因素，它们易受现场环境影响，而不能与事先拟制的曲线很好吻合。并且，即使拟合的曲线十分精确，也难以设计出与之完全吻合的TGC电路。由此，在补偿中新的误差引入也就在所难免了。而要彻底消除渡越时间误差，接收电路的信号变换过程为经过前置预处理的接收信号，经过直流检波后提取出信号的包络，将包络进行微分处理。通过信号的变换过程，无论接收信号的幅度如何，其包络的峰值肯定处于接收信号的时间中心点上，即微分信号的过零处。因此，过零检测电路产生的停止计时信号一定处于回波信号的时间中心点，不会因信号的幅度而改变，由此，渡越时间误差也就完全消除了。

　　三）系统误差

　　系统误差主要由系统时延产生，系统延时的主要来源有硬件电路延时、单片机的中断响应延时、探头响应延时等。由于超声波液位计工作于脉冲发射状态，单片机每次发出发射命令后，发射功放电路要经过一个能量蓄积的过程才能达到发射状态，同时探头内的压电陶瓷也有一个起振过程，要达到40kHz的振动频率也需要一定时间。而计时却是从发射命令发出开始的，因此这个系统时延必须要予以考虑，并在软件上进行补偿。

　　另外，超声波测量液位时，液位距离都是从探头前端表面到液面，实际上压电陶瓷声学中心并不是在其表面上。因此，从探头表面到声学中心点的距离，也会引起系统误差，这个误差可以和时延误差归为一类，并一同修正。

　　对于同一个型号或批次的超声波液位计，由于所用的元件、材料工艺等都一样，其系统时延也相差无几，并且是一个比较固定的值。因此，可以通过对固定距离测试的方式，标定并修正系统时延。

　　以上对超声波液位计测量中几种主要误差进行了分析，并提出了修正方法，计为Uson-11系列超声波液位计根据以上修正方法的液位计，在测量精度上有较大提高，其带有温度补偿，精度高，适应性强；采用特殊回波处理方式，有效避免虚假回波；整机防护等级高达IP66/IP67，能够在不同工业环境中应用。