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超聲波液位計測量精度影響因素分析
2019-02-25
超聲波液位計是一款適用于各種槽池的連續(xù)性液位測量的儀表，其工作原理是由超聲換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖，超聲脈沖遇到被測液位表面時，該脈沖便被反射回來，部分反射回波被換能器重新接收，轉(zhuǎn)換成電信號。因此測量環(huán)境和儀表電路的聲電轉(zhuǎn)換能力都會對超聲波液位計的測量精度造成影響。
超聲波脈沖以聲波速度傳播，超聲波脈沖從發(fā)射到接收所需時間間隔與換能器到被測介質(zhì)表面的距離成正比。此距離值S與聲速C和傳輸時間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S=C×T/2。根據(jù)超聲波的聲波傳輸特性，超聲波液位計應(yīng)用的理想工況為平靜的液體表面，如果液面起伏不定或者呈波浪狀，超聲波探測對于實際液位的測量就會出現(xiàn)誤差，這就需要內(nèi)部電路對測量信號進行算法優(yōu)化，以反饋真實的液位。
一般來講，在實際應(yīng)用中，影響超聲波液位計測量精度的因素主要有以下幾個方面：
1．復(fù)雜的工況：帶攪拌的物料液位測量或動態(tài)的液位環(huán)境
在一些帶攪拌或者較為動態(tài)的液位環(huán)境中（比如流體液位測量）等，由于液位水平呈動態(tài)起伏和不確定性變化，會導(dǎo)致超聲波液位計的測量精度大大降低。針對這一點則需要在硬件和軟件上對儀表的魯棒性（魯棒性大致相當(dāng)于穩(wěn)定性）進行提高。在軟件方面，加入延時平均算法能夠使儀表更好地適應(yīng)復(fù)雜且動態(tài)變化的工況；同時硬件上采取高效嚴謹?shù)男盘枮V波電路來過濾掉測量時超聲波信號接觸復(fù)雜的液體表面而產(chǎn)生的次波雜波。
2．錯誤的儀表安裝方式
但正是由于溫度傳感器作為探頭的一部分被保護材料密閉的封裝在探頭里這種結(jié)構(gòu)以及保護材料（這類材料多為質(zhì)量大、導(dǎo)熱性低的材質(zhì)）的限制，可能導(dǎo)致探頭的溫度無法實時地跟隨環(huán)境溫度變化而改變，例如將超聲波液位計安裝在無遮擋的室外環(huán)境，太陽光的照射會使探頭持續(xù)升溫，而環(huán)境溫度并不會像探頭一般持續(xù)升溫，最終探頭里的傳感器所測溫度與環(huán)境的溫度差異較大，影響測量精度。
4．環(huán)境因素
除了第三點所說的溫度影響外，空氣濕度、氣壓、氣流、不同的氣體介質(zhì)這些因素均會對聲波傳播速度有所影響，從而降低測量精度。
超聲波脈沖以聲波速度傳播，超聲波脈沖從發(fā)射到接收所需時間間隔與換能器到被測介質(zhì)表面的距離成正比。此距離值S與聲速C和傳輸時間T之間的關(guān)系可以用公式表示：S=C×T/2。根據(jù)超聲波的聲波傳輸特性，超聲波液位計應(yīng)用的理想工況為平靜的液體表面，如果液面起伏不定或者呈波浪狀，超聲波探測對于實際液位的測量就會出現(xiàn)誤差，這就需要內(nèi)部電路對測量信號進行算法優(yōu)化，以反饋真實的液位。
一般來講，在實際應(yīng)用中，影響超聲波液位計測量精度的因素主要有以下幾個方面：
1．復(fù)雜的工況：帶攪拌的物料液位測量或動態(tài)的液位環(huán)境
在一些帶攪拌或者較為動態(tài)的液位環(huán)境中（比如流體液位測量）等，由于液位水平呈動態(tài)起伏和不確定性變化，會導(dǎo)致超聲波液位計的測量精度大大降低。針對這一點則需要在硬件和軟件上對儀表的魯棒性（魯棒性大致相當(dāng)于穩(wěn)定性）進行提高。在軟件方面，加入延時平均算法能夠使儀表更好地適應(yīng)復(fù)雜且動態(tài)變化的工況；同時硬件上采取高效嚴謹?shù)男盘枮V波電路來過濾掉測量時超聲波信號接觸復(fù)雜的液體表面而產(chǎn)生的次波雜波。
2．錯誤的儀表安裝方式
不正確的安裝可能會導(dǎo)致測量精度的下降。比如超聲波換能器的方向沒有與液面保持垂直。如下圖所示：
3．溫度傳感器
聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度會受到溫度的影響，超聲波作為聲波的一種，其傳播速度也同樣受溫度的影響。所以通常在設(shè)計超聲波換能器的時候會在探頭里面嵌入一個溫度傳感器，從而對環(huán)境的溫度進行監(jiān)控，并在算法上對超聲波的聲速作補償。但正是由于溫度傳感器作為探頭的一部分被保護材料密閉的封裝在探頭里這種結(jié)構(gòu)以及保護材料（這類材料多為質(zhì)量大、導(dǎo)熱性低的材質(zhì)）的限制，可能導(dǎo)致探頭的溫度無法實時地跟隨環(huán)境溫度變化而改變，例如將超聲波液位計安裝在無遮擋的室外環(huán)境，太陽光的照射會使探頭持續(xù)升溫，而環(huán)境溫度并不會像探頭一般持續(xù)升溫，最終探頭里的傳感器所測溫度與環(huán)境的溫度差異較大，影響測量精度。
4．環(huán)境因素
除了第三點所說的溫度影響外，空氣濕度、氣壓、氣流、不同的氣體介質(zhì)這些因素均會對聲波傳播速度有所影響，從而降低測量精度。
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（深圳計為自動化技術(shù)有限公司研發(fā)中心2019年2月25日發(fā)布）
TAGS : 超聲波液位計
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