外置式液位计量表的应用

超声波液位计的工作原理

1工作原理超声波液位计的工作原理如图1所示，超声波液位计一般采用收发一体型的陶瓷超声波换能器，声波的收发全部用同一探针完成。 探头向被检液面发送超声波信号，超声波从探头通过传播介质传播到被检液面，在液面形成反射，反射波在原路径上传播，被探头接收。 计时器单元测量从发射超声波到接收回波的时间，根据声波在空气中的传播速度，计算探针到液面的距离，可以求出液面的高度。 式(1)是液面高度的计算公式。 其中，h表示探头距容器底部的距离，s表示距探头的液面的距离，v表示超声波的传播速度t是超声波的传播时间。 2误差分析和校正方法2.1声速精度误差由式(1)可知，超声波的传播时间是用液位计测量的中间结果，需要用超声波液位计测量水平，知道超声波在空气中的传播速度，因此取超声波传播速度值的精度对超声波液位计的测量精度有很大影响。 2.1.1温度补偿一般情况下，温度是影响声速的主要因素，通常在大气压条件下，声速与温度的关系如下。 V0=331.45m/s表示0℃下的声速，V0=331.45m/s表示0℃下的声速，t表示温度、单位℃。 在工业测量中，一般用式(3)近似计算空气中超声波的声速与温度的关系。 因此，通过在液位计上安装温度传感器来实时测量温度，利用式(3)给出的温度与声速的关系，能够容易地换算声速值。 但是，实际上音速不仅与温度有关，还与气体密度、气压、湿度、空气中的浮游物等多个因素有关。 因此，在实际应用中，单靠测温方法来标定声速还存在很多不足，在测温过程中也存在一定的误差，因此温度补偿方法只适用于一般应用，不能满足高精度的测量。 2.1.2实测声速补偿实践证明，无论采用哪种经验式和经验数据补偿声速，由于测量环境的复杂性和测量方法等原因导致新的误差。 因此，通过实测声速的方法进行声速补偿被认为是zui的可靠补偿方法。 如图2所示，在发射探头的前端安装挡板，挡板和探头形成距离一定的音程区间，这种结构称为音程架。 探针发射声波时，挡板可以将声波的一部分反射到探针上。 探针接收到反射波后，计算从发射到接收的时间，用式(4)计算声速的t是声波的传播时间。 实测声速法的补偿与声波测量声波传播路径的环境极为类似，环境的影响也基本一致，其声速也一般接近，因此，现在是使用zui的声速修正方式。 但是，在该方法的使用中，声支架应选择低温膨胀系数的材料，以免环境温度变化，声支架热膨胀收缩，声距l变化，影响实测声速精度。 2.2渡越时间误差声波是纵向振动的弹性波，通过传播介质的分子运动进行传播。 由于传播介质的吸收、散射、声波扩散等原因，声音强度、声压和谐减弱，产生声波衰减。 另外，液位计的测量需要在被测液面上形成声波反射，这也会引起声波的衰减。 声波随着传播距离的指数而衰减，液面高度不同声波的传播距离也不同，接收波的幅度也有很大不同。 在对所接收的超声波脉冲串进行放大滤波之后，其波形如图3所示。 当探测器发射超声波时，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。 液面高度变化时，接收信号的幅度也变化。 液面水平低时，接收信号的振幅较小，有可能在第4个峰值达到阈值；液面高时，接收信号的幅度较大，有可能在第3个之前达到阈值。 这样停止计时的时间不确定，这种不确定性必然给系统的测量精度带来误差。 例如，在超声波频率为40kHz的情况下，如果停止定时信号仅波形不同，则定时时间为125&mu； s、声速为340m/s时，液面高度相差42.5mm，但该误差应用于石油化学部门的1000m3以上的储罐时，会产生相当大的误差，必须消除。 当前消除相对简单的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，在各种液面高度的情况下，使接收波的宽度大致一致，尽可能减小测量误差。 但是，这种方法有很大的局限性。 该方法需要预测不同液位高度的声波的传播时间和该距离下的声波衰减量，以两者的对应关系为曲线，设计与该曲线方程相适应的时间增益控制电路。 前面的分析表明，其中两个重要因素是<； br/>； 传播时间和衰减量易受现场环境的影响，与预先制作的曲线不符。 另外，即使拟合曲线充分，也难以设计与其完全一致的TGC电路。 因此，在补偿中引入新的误差也是不可避免的。 为了完全消除过渡时间的误差，接收电路可以采取图4所示的形式。 图5 b示出信号的转换过程。图5 a示出经过预处理的接收信号中的经过DC检测和提取的信号的包络线在图5 b中示出。 观察信号的变换过程，无论所接收信号的振幅如何，包络线的峰值必须位于所接收信号的时间中心点，即导数信号的过零点。 因此，在过零检测电路中产生的停止定时信号必须位于回波信号的时间中心点，并且不随着信号宽度的变化而改变。因此，渡越时间误差也完全消除。 2.3系统误差系统误差主要由系统延迟引起，系统延迟的主要原因是硬件电路延迟、单片机中断响应延迟、探测响应延迟等。 由于超声波液位计是在脉冲发射状态下工作的，所以每次单片机发出发射命令时，发射放大器电路都会经过能量储存过程到达发射状态，同时探头内的压电陶瓷也有振荡过程，到达40kHz的振动频率需要花费时间。 然而，考虑到系统延迟，必须在软件上补偿此系统，因为所述时序开始于发射指令。 另外，用超声波测量液位时，液位距离从探针前端表面到液面，实际上压电陶瓷的声学中心不是其表面。 因此，从探针表面到声中心点的距离也会引起系统误差，能够将该误差分类为时间延迟差一起进行修正。 在相同型号和批次的水平计中，由于所使用的部件、材料、过程等相同，因此系统几乎没有延迟，是比较一定的值。 因此，通过测量一定距离，可以定位并修正系统延迟。 令S1、S2为已知的两个固定距离，t1、t2为当标定这两个距离时测得的时间，其中包括相同的系统延迟&增量的t :声波在两个距离之间往返时的实际时间为t1-&Delta； t和t2-&Delta； t。 将能够由式(5)和式(6)实测S1、S2、t1、t2代入式(&Delta； t、系统软件测量结果&Delta； 对t进行校正可以消除系统的延迟误差。 3结束语以上分析了超声液位计测量中的几个主要误差，提出了修正方法。 采用以上修正方法的液位计，测量精度大幅提高。

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