超音波液位计量仪的工作原理是什么？

超音波液位计的工作原理是什么？常见的误差校正怎么处理？

超声液位计在工业生产中已被广泛地应用于各种容器、管道、水库、河流、运河等，是液位测量的一种重要手段。不论在什么地方使用，对液位计的测量精度都有越来越高的要求。超声液位计在液位检测中有广泛的应用。但是，由于温度、湿度、尘埃、被测液体的化学成分等因素影响，超声液位计的测量精度极易受到影响。对超声液位计在测量中存在的一些误差进行了分析，并提出了相应的补偿措施。

一、超声液位计的工作原理。

超声液位计一般采用收发组合的陶瓷超声换能器，声波的发射与接收由同一探头进行。探测器将超声信号发送到被测液体的表面，通过传播介质，由探头传到被测液体的表面，产生一种反射，反射波沿原路径传播到探头，由探头吸收。计时器测量超声波从发送到接收回波的时间。利用声波在空气中的传播速度，可求出探测头与液面之间的距离，从而求得液面高度。

超声液面计

超声波液位计的常见误差和标定方法。

基准声速的*误差。

声速C与传输时间T的关系式S=CT/2，从距离值S中可以看出超声传输时间是液位测量的中间结果。用超声液位计测量液位时，需要了解超声在空气中的传播速度，所以超声速度的准确与否对超声液位计的测量精度有重要影响。

温度补偿

一般而言，温度是影响声速的主要因素。将温度传感器安装在超声液位计上，实现了实时测温，利用声速与温度的关系，可实现声速值的转换。实际上，声速不仅受到温度的影响，而且和很多因素有关，比如气体密度，气压，湿度，空气中的悬浮物等。所以，在实际应用中，单纯地采用测温法进行声速标定还有许多不足之处，并且在测温过程中存在误差，所以温度补偿法只能用于一般场合，无法满足高精度测量的需要。

声速度实时补偿。

结果表明，由于测量环境和测量方法的复杂性，无论采用何种经验公式和数据进行声速补偿，都必须引入新的误差。本文提出了利用声速进行声速补偿的方法来补偿声速。

图示，在发射探头的前端安装一隔板，并与探头形成一段固定距离的声程间隔。这个结构被称为声道构架。挡板可在探头发出声波时把声波的一部分反射回来。当探测器收到反射波之后，计算从发射到接收的时间，然后计算声速。

补偿采用音速测量法。因为经过补偿的声速与被测量的声音传播路径非常相似，而且对环境的影响也基本相同，声速也往往比较接近，所以这种方法是目前使用的**的声速校正方法。但是，在采用这种方法时，声路径框架应由一个较低的温度膨胀系数的材料制造，以避免声路径框架因环境温度的变化而随热膨胀和冷缩，从而改变声路径距离，影响声路径距离的准确性。

2)传送的时间错误。

声是一种纵向振动的弹性机械波，它在传播介质中的分子运动而传播。传输介质的吸收、散射和声波扩散、声强、声压和声能减弱、声波衰减。此外，测量超声波液位计时，需要对被测液体表面产生声波反射，这也会导致声波的衰减。声速按指数规律衰减传播距离。在不同液位下，声波传播距离和接收波幅值都有很大差异。探测头发出超声波后，系统开始计时，当接收信号的幅度超过设定的阈值时，系统停止计时。随着液面高度的变化，接收信号的幅度也发生变化。在低空时，接收信号的幅度很小，可能需要在第四个峰值达到阈值；当液位较高时，接收信号的幅度很大，可能在三到五分钟就达到阈值。通过这种方法，可以获得不确定的时间，这种不确定性势必给系统的测量精度带来误差。把这个误差应用到1上。

油罐超过000米，会产生很大的客观*误差，所以必须消除。

现在，消除渡越时间误差的一种简单方法是加入一个时间控制电路(TGC)，这种电路能够补偿声波传播时的衰减，使所接收的波的振幅在不同的水平上保持一致，以减小测量误差。但是，这一方法仍存在很多局限性。这种方法需要预测声波在不同水平高度的传播时间及这一距离的衰减情况，然后绘制出它们之间的对应关系曲线，并根据曲线方程设计出时间增益控制电路。

之前的分析表明，传输时间和衰减是两个重要因素，易受现场环境的影响，不能很好地与预处理的曲线匹配。另外，即使拟合曲线非常*，TGC电路的设计仍然是一个十分困难的问题。这就不可避免地给补偿带来新的错误。为完全消除渡越时间误差，接收电路的信号转换过程为对接收信号进行预处理，经DC检测后提取包络，并对包络进行微分。无论接收信号的幅值是多少，通过转换过程，其包络峰一定是在时间中心点，也就是差分信号的过零点。这样，过零检测电路所产生的停机时，必须在回波信号的时心处，且不因信号幅值变化而发生变化，从而完全消除渡越时间误差。

3)系统错误。

造成系统误差的主要原因是系统延时，主要是硬件电路延时，单片机的中断响应延迟，探头响应延迟等。因为超声液位仪的工作状态是脉冲式的，所以单片机每次发出发射指令后，功率放大电路就会经过能量的累积到达发射状态。在此基础上，研究了压电陶瓷探针起动过程，并在一定时间内实现了40kHz的振动频率。然而，时间是以发送命令开始的，所以必须考虑到系统的延迟，并且在软件中进行补偿。

此外，利用超声波进行液位测量时，液位距离是从探头前端面到液位的距离。实际上，压电陶瓷的声学中心并不存在。这样，探测端面与声中心点的距离也会引起系统误差，可划分为时延差，同时进行校正。

同一批次、同一型号的超声液位计，由于使用的元件、材料、工艺等因素相同，使系统的延时基本一致，且是相对固定的数值。这样，通过测量固定的距离，就可以对系统的时延进行校正。

对超声液位计测量的几种主要误差进行了分析，提出了修正方法。这就是所谓的Uson-11系列超声波液位计。用该方法进行了修正，测量精度大大提高，并进行了温度补偿，精度高，适应性强；采用特殊的回波处理方法，有效避免假回波；整机防护等级IP66/IP67高，可以适应各种工业环境。