隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化程度的快速提高，液位測量作為工業(yè)生產(chǎn)中的一個(gè)重要測試和控制手段，已被廣泛應用于測量各種容器、管道及水庫、江河、水渠內的液位。無(wú)論是應用于哪種場(chǎng)所，都對液位計的測量精度提出了越來(lái)越高的要求。在液位測量中，二線(xiàn)制超聲波液位計的使用非常普遍。但由于二線(xiàn)制超聲波液位計的測量精度*易受到溫度、濕度、粉塵、被測量液體的化學(xué)成分等多方面因素的影響，導致其測量精度不高。本文對二線(xiàn)制超聲波液位計測量中可能出現的一些誤差進(jìn)行了分析，并提出了相應的補償措施。

 

一、二線(xiàn)制超聲波液位計的工作原理

二線(xiàn)制超聲波液位計一般采用收發(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。探頭向被測液面發(fā)射超聲波信號，超聲波由探頭經(jīng)傳播介質(zhì)傳播至被測液面，在液面上形成反射，反射波沿原路徑傳播至探頭，被探頭吸收。計時(shí)單元測量超聲波從發(fā)射到回波被接收所用的時(shí)間，根據聲波在空氣中的傳播速度，可以計算出探頭至液面的距離，從而得出液面的高度。

 

二、二線(xiàn)制超聲波液位計常見(jiàn)誤差及校準方法

一）參考聲速精度誤差

從距離值S與聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系公式S=C×T/2可知，利用二線(xiàn)制超聲波液位計測量液位，還需要知道超聲波在空氣中的傳播速度，因此超聲波傳播速度取值精度將*大地影響二線(xiàn)制超聲波液位計的測量精度。

•溫度補償

一般情況下，溫度是影響聲速的主要因素?？赏ㄟ^(guò)在二線(xiàn)制超聲波液位計上安裝溫度傳感器實(shí)時(shí)測量溫度，并利用溫度與聲速的關(guān)系，換算出聲速值。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)際應用中，僅利用測量溫度的方法，對聲速進(jìn)行標定還有諸多不足，且在溫度測量過(guò)程中也會(huì )存在一定的誤差，因此溫度補償方法只適用一般應用，而無(wú)法滿(mǎn)足高精度測量。

•實(shí)時(shí)聲速補償

實(shí)踐證明，由于受測量環(huán)境的復雜性和測量方法等因素的影響，無(wú)論是利用何種經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數據對聲速進(jìn)行補償，都需要引進(jìn)新的誤差。因此，利用實(shí)測聲速的方法進(jìn)行聲速補償被認為是*可靠的補償方法。

實(shí)測聲速補償原理圖

 

如圖所示，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)距離固定的聲程區間，該結構稱(chēng)之為聲程架。當探頭發(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，計算從發(fā)射到接收的時(shí)間，并計算出聲速。

利用實(shí)測聲速方法進(jìn)行補償，由于補償聲速與測量聲波傳播路徑所處的環(huán)境*為相似，所受的環(huán)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*精確的聲速修正方式。但是這種方法的使用中，聲程架應選用低溫度膨脹系數的材料，以免環(huán)境溫度變化聲程架發(fā)生熱脹冷縮，使聲程距離發(fā)生改變，影響實(shí)測聲速精度。

 

二）渡越時(shí)間誤差

聲波是縱向振動(dòng)的彈性機械波，它借助傳播介質(zhì)的分子運動(dòng)而傳播。由于傳播介質(zhì)的吸收、散射和聲波的擴散等原因，導致聲強、聲壓和聲能減弱，發(fā)生聲波衰減。并且二線(xiàn)制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，這同樣會(huì )引起聲波的衰減。聲波是按傳播距離的指數規律衰減的，當液面高度不同時(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。探頭發(fā)射超聲波時(shí)系統開(kāi)始計時(shí)，當接收信號的幅度超過(guò)設定的閾值時(shí)停止計時(shí)。液位高度發(fā)生變化時(shí)，接收信號的幅度也會(huì )發(fā)生變化。在液位比較低時(shí)，接收信號幅度比較小，可能需要在*4個(gè)波峰處才能達到閾值；當液面高度比較高時(shí)，接收信號幅度比較大，可能在*3個(gè)甚至更早就能達到閾值。這樣停止計時(shí)的時(shí)間就不是確定的，這種不確定性必然會(huì )給系統測量精度帶來(lái)誤差。該誤差如果應用在1000m³以上的儲油罐上，將會(huì )產(chǎn)生很客觀(guān)的絕對誤差，所以必須要消除。

 

目前比較簡(jiǎn)單的消除渡越時(shí)間誤差的方法是增加時(shí)間控制電路（TGC），利用TGC電路補償聲波在傳播過(guò)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，從而盡量減小測量誤差。但是這種方法還是具有較大局限性。該方法需要預知不同液位高度聲波的傳播時(shí)間，以及在這段距離內聲波的衰減量，然后將兩者的對應關(guān)系擬制出一條曲線(xiàn)，并設計出符合這一曲線(xiàn)方程的時(shí)間增益控制電路。

 

根據前面的分析，傳播時(shí)間和衰減量是較為重要的兩個(gè)因素，它們易受現場(chǎng)環(huán)境影響，而不能與事先擬制的曲線(xiàn)很好吻合。并且，即使擬合的曲線(xiàn)十分精確，也難以設計出與之完全吻合的TGC電路。由此，在補償中新的誤差引入也就在所難免了。而要徹底消除渡越時(shí)間誤差，接收電路的信號變換過(guò)程為經(jīng)過(guò)前置預處理的接收信號，經(jīng)過(guò)直流檢波后提取出信號的包絡(luò )，將包絡(luò )進(jìn)行微分處理。通過(guò)信號的變換過(guò)程，無(wú)論接收信號的幅度如何，其包絡(luò )的峰值肯定處于接收信號的時(shí)間中心點(diǎn)上，即微分信號的過(guò)零處。因此，過(guò)零檢測電路產(chǎn)生的停止計時(shí)信號一定處于回波信號的時(shí)間中心點(diǎn)，不會(huì )因信號的幅度而改變，由此，渡越時(shí)間誤差也就完全消除了。

 

三）系統誤差

系統誤差主要由系統時(shí)延產(chǎn)生，系統延時(shí)的主要來(lái)源有硬件電路延時(shí)、單片機的中斷響應延時(shí)、探頭響應延時(shí)等。由于二線(xiàn)制超聲波液位計工作于脈沖發(fā)射狀態(tài)，單片機每次發(fā)出發(fā)射命令后，發(fā)射功放電路要經(jīng)過(guò)一個(gè)能量蓄積的過(guò)程才能達到發(fā)射狀態(tài)，同時(shí)探頭內的壓電陶瓷也有一個(gè)起振過(guò)程，要達到40kHz的振動(dòng)頻率也需要一定時(shí)間。而計時(shí)卻是從發(fā)射命令發(fā)出開(kāi)始的，因此這個(gè)系統時(shí)延必須要予以考慮，并在軟件上進(jìn)行補償。

另外，超聲波測量液位時(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 )引起系統誤差，這個(gè)誤差可以和時(shí)延誤差歸為一類(lèi)，并一同修正。

對于同一個(gè)型號或批次的二線(xiàn)制超聲波液位計，由于所用的元件、材料工藝等都一樣，其系統時(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(guò)對固定距離測試的方式，標定并修正系統時(shí)延。

二線(xiàn)制超聲波液位計根據上述誤差修正方法進(jìn)行修正，在測量精度上有較大提高，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，能夠在不同工業(yè)環(huán)境中應用。