液位超声在线测量校准方法的研究

　　随着电子技术、计算机技术以及大规模集成电路芯片技术的飞速发展，超声测距技术日臻成熟。 20世纪90年代初， 国内开始将超声测距技术应用于河流、湖泊、水渠等水体的水位测量及油、浆等液体的液位测量，并开始发挥重要作用。

　　超声波液位计可以在不接触测量介质的情况下进行液位测量，有效实现流量及处理量的实时监测功能， 在液位或流量的自动化测量控制中被广泛使用。现在绝大多数污水处理单位都采用明渠或堰槽式流量计(如矩形宽顶堰、巴歇尔槽等)，其流量测量是通过几何尺寸获得不同液位所对应的流量大小。 在这些明渠堰槽流量计的使用中，计量的关键因素就是液位测量，超声波液位计在其中扮演着重要的角色。 通过超声波液位计的数据测量和信号传输，实现了实时监控、远程显示等功能。

　　一、液位测量工作原理

　　本文介绍的超声波液位计是非接触式液位测量仪器，其工作原理是由超声换能器(又称超声探头)发出高频超声波脉冲遇到被测液面反射回来，部分反射回波被同一换能器接收，转换成电信号。 超声波脉冲以声波速度传播，从发射到接收再到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测液面的距离成正比。 其测量示意图如图1所示，用式(1)表示为

　　式中：H———超声探头到渠底的距离;h———超声探头到被测液面的距离;v———超声探头在空气中的传播速度;t———从探头发射超声波到接收反射波所用时间。

　　因此，只需固定好超声探头，测量出探头到渠底的固定高度，即可获得液位高度(H-h)。

　　二、液位测量影响因素

　　由式(1)可知，在液位超声测量过程中，影响液位测量准确性的主要因素是传播时间测量和传播速度测量，下面分别对其进行探讨。

　　1.时间测量准确度

　　超声波发生器主要由电气方式和机械方式产生超声波。 电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等，机械方式主要有压电等。 目前，在液位测量中较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振工作的，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。 反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

　　超声波发生器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物立即返回来，超声波接收器收到反射波立即停止计时。 其时间测量主要受超声探头的材料、声/电及电/声转换的效率、电子计时等因素的影响。