超声波液位计的误差分析与校正

　　在工业生产中,液位测量是一个重要的测试和控制手段。随着工业自动化程度的快速发展,液位测量已被广泛应用,如各种容器、管道内液位测量及水库、江河、水渠的水位测量[1]。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。目前,液位测量使用最普遍的是超声波液位计,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。

　　1　工作原理

　　超声波液位计工作原理如图1所示,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,被探头接收。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[4]

　　2　误差分析及校准方法

　　2·1　参考声速精度误差

　　由式(1)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。

　　2·1·1　温度补偿

　　一般情况下,温度是影响声速的主要因素,在正常大气压条件下,声速与温度的关系如下

　　因此,可以通过在液位计上安装温度传感器实时测量温度,并利用式(3)中给定的温度与声速的关系,方便地换算出声速值。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。

　　2·1·2　实测声速补偿

　　实践证明,无论是利用何种经验公式和经验数据对声速进行补偿,都会由于测量环境的复杂性和测量方法等原因,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2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,利用式(4)计算声速[2]