超声波液位测量方法的研究

　　在现代工业生产过程中,经常需要精确的测量液位。现在的液位测量方法已经有20余种,比如利用人工检尺、玻璃管、浮子式、电容法、超声波、雷达、光纤等来测量液位。其中,超声波液位测量方法不但成本低、易于维护,还可实现非接触、高可靠测量,解决了压力变送器、电容式、浮子式等测量方式带来的缠绕、泄露、接触介质、维护昂贵等麻烦。它不必接触工业介质就满足大多数密闭/敞开容器的液位测量要求,不会污染被测液体,也不受被测液体腐蚀性影响,因此在卫生型以及具有腐蚀性、有毒、粘稠等特性的测量环境中有明显的优势和广阔的发展前景。

　　1　工作原理

　　超声波液位计的工作原理:由超声波发射探头发出超声波,在介质中传播,遇到液面后被反射,由接收探头接收反射回波。利用超声波在介质中的传播时间和超声波声速计算其传播距离,从而得到液位高度。

　　根据超声波换能器(又称探头)的安装位置,超声波液位计分为气介式、固介式和液介式三种。其中,气介式是指探头安装在被测液面上方,超声波的传播介质是气体;固介式是在探头和液面之间安装一个固体棒,超声波沿着此固体棒传播;液介式是探头在液面以下,超声波的传播介质是液体。三者当中又以气介式安装最能体现超声波液位计方便灵活、可实现非接触测量等优势,因此气介式超声波液位计发展前景最好。计算公式如下:h=H-v*t/2。其中:h是所求液位高度,H是超声探头与容器底的距离,v是超声波声速,t是超声波传播时间。由上式可知,液位测量精度取决于超声波声速v和超声波传播时间t的测量精度。

　　2　声速校正

　　大气压下,常温时超声波在空气中的传播速度大约为340 m/s。采用超声波液位计进行液位测量,其依据是超声波在一定介质中的传播速度v是一定值的原理为前提进行液位测量的。而实际上,当空气温度每升高10℃,声速变化约6 m/s。因此如果将声速作为定值进行计算,液位的测量误差会很大。要想达到工业应用中对测量精度的要求,必须对声速进行校正。声速校正方法主要有:温度补偿法和设置校正具法。目前应用较多的是温度补偿法。

　　2.1　温度补偿法

　　利用温度补偿进行声速校正是根据温度与声速的近似关系v=331.45+0.607*T(℃)或v=20.067*T1/2计算出实际声速,达到对声速进行补偿的目的。具体实现:在液位测量系统外加一个温度采集器,测取测量环境的温度变化。超声波液位计工作时,将当时的环境温度值转换为数字信号传送给单片机,由单片机计算出该温度下的实际声速。

　　此方法可在一定程度上提高系统测量精度,能满足一般工业应用要求。但由于外加了温度传感器,一方面使系统成本增加,另一方面不论是采用铂电阻测温还是用精度更高的温度传感器,都会存在一定的测温误差,从而降低了系统的整体精度,并且增加了系统的不稳定性。当对液位测量精度有更高要求时,将不能满足工业需要。