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淺析影響超聲波液位計(jì)測(cè)量精度的因素
2019-10-29
超聲波液位計(jì)是一款適用于各種槽池的連續(xù)性液位測(cè)量?jī)x表，應(yīng)用頗為廣泛。但在實(shí)際應(yīng)用中，受各種因素的干擾，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)測(cè)量不準(zhǔn)的情況。為更好地進(jìn)行液位測(cè)量，本文擬淺析影響超聲波液位計(jì)測(cè)量精度的因素，希望對(duì)用戶有所幫助。
根據(jù)超聲波液位計(jì)的工作原理，超聲波液位計(jì)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(cè)液位表面時(shí)，該脈沖便被反射回來(lái)，部分反射回波被換能器重新接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此可見(jiàn)，儀表的測(cè)量環(huán)境和儀表電路的聲電轉(zhuǎn)換能力都會(huì)對(duì)超聲波的測(cè)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(shí)間間隔與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。此距離值S與聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系，用公式表示：S=C×T/2。根據(jù)超聲波的聲波傳輸特性，超聲液位計(jì)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(cè)對(duì)于實(shí)際液位的測(cè)量就會(huì)出現(xiàn)誤差，這就需要內(nèi)部電路對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行算法優(yōu)化，以反饋真實(shí)的液位。
根據(jù)上述原理，在實(shí)際應(yīng)用中，影響超聲波液位計(jì)測(cè)量精度的影響因素主要有：
一、液面波動(dòng)較大的工況
在一些帶攪拌或者較為動(dòng)態(tài)的液位環(huán)境中，由于液位水平呈動(dòng)態(tài)起伏和不確定性變化，會(huì)導(dǎo)致超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度大大降低。為此，要實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，則需要在硬件和軟件上對(duì)儀表的魯棒性（魯棒性大致相當(dāng)于穩(wěn)定性）進(jìn)行提高。
1．在硬件方面，采取高效嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男盘?hào)濾波電路來(lái)過(guò)濾掉測(cè)量時(shí)超聲波信號(hào)接觸復(fù)雜的液體表面而產(chǎn)生的次波雜波。
2．在軟件方面，加入延時(shí)平均算法能夠使儀表更好地適應(yīng)復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的工況。
二、錯(cuò)誤的儀表安裝方式
安裝方式不正確，易致測(cè)量精度下降。如圖所示，由于在安裝時(shí)，超聲波換能器的方向沒(méi)有與液面保持垂直，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量距離大于液位的實(shí)際距離。
三、溫度傳感器
眾所周知，聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度會(huì)受到溫度的影響。而超聲波作為聲波的一種，其傳播速度也同樣受溫度的影響。所以在設(shè)計(jì)超聲波換能器的時(shí)候，通常會(huì)在探頭里面嵌入一個(gè)溫度傳感器，從而對(duì)環(huán)境的溫度進(jìn)行監(jiān)控，并在算法上對(duì)超聲波的聲速作補(bǔ)償。
由于溫度傳感器作為探頭的一部分被保護(hù)材料密閉的封裝在探頭里，受這種結(jié)構(gòu)以及保護(hù)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(wú)法實(shí)時(shí)地跟隨環(huán)境溫度的變化而變化。比如，將超聲波液位計(jì)安裝于無(wú)遮擋的戶外，太陽(yáng)光的照射會(huì)使探頭持續(xù)升溫，而環(huán)境溫度并不會(huì)像探頭一般持續(xù)升溫，最終探頭里的傳感器所測(cè)溫度與環(huán)境的溫度會(huì)有較大差別，從而使測(cè)量精度受到影響。
四、環(huán)境因素
在環(huán)境因素中，除了第三點(diǎn)所說(shuō)的溫度因素的影響，空氣濕度、氣壓、氣流、不同的氣體介質(zhì)這些因素也會(huì)對(duì)聲波傳播速度有所影響，從而降低測(cè)量精度。
根據(jù)超聲波液位計(jì)的工作原理，超聲波液位計(jì)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(cè)液位表面時(shí)，該脈沖便被反射回來(lái)，部分反射回波被換能器重新接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此可見(jiàn)，儀表的測(cè)量環(huán)境和儀表電路的聲電轉(zhuǎn)換能力都會(huì)對(duì)超聲波的測(cè)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(shí)間間隔與換能器到被測(cè)介質(zhì)表面的距離成正比。此距離值S與聲速C和傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系，用公式表示：S=C×T/2。根據(jù)超聲波的聲波傳輸特性，超聲液位計(jì)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(cè)對(duì)于實(shí)際液位的測(cè)量就會(huì)出現(xiàn)誤差，這就需要內(nèi)部電路對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行算法優(yōu)化，以反饋真實(shí)的液位。
根據(jù)上述原理，在實(shí)際應(yīng)用中，影響超聲波液位計(jì)測(cè)量精度的影響因素主要有：
一、液面波動(dòng)較大的工況
在一些帶攪拌或者較為動(dòng)態(tài)的液位環(huán)境中，由于液位水平呈動(dòng)態(tài)起伏和不確定性變化，會(huì)導(dǎo)致超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度大大降低。為此，要實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，則需要在硬件和軟件上對(duì)儀表的魯棒性（魯棒性大致相當(dāng)于穩(wěn)定性）進(jìn)行提高。
1．在硬件方面，采取高效嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男盘?hào)濾波電路來(lái)過(guò)濾掉測(cè)量時(shí)超聲波信號(hào)接觸復(fù)雜的液體表面而產(chǎn)生的次波雜波。
2．在軟件方面，加入延時(shí)平均算法能夠使儀表更好地適應(yīng)復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的工況。
二、錯(cuò)誤的儀表安裝方式
安裝方式不正確，易致測(cè)量精度下降。如圖所示，由于在安裝時(shí)，超聲波換能器的方向沒(méi)有與液面保持垂直，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量距離大于液位的實(shí)際距離。
三、溫度傳感器
眾所周知，聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度會(huì)受到溫度的影響。而超聲波作為聲波的一種，其傳播速度也同樣受溫度的影響。所以在設(shè)計(jì)超聲波換能器的時(shí)候，通常會(huì)在探頭里面嵌入一個(gè)溫度傳感器，從而對(duì)環(huán)境的溫度進(jìn)行監(jiān)控，并在算法上對(duì)超聲波的聲速作補(bǔ)償。
由于溫度傳感器作為探頭的一部分被保護(hù)材料密閉的封裝在探頭里，受這種結(jié)構(gòu)以及保護(hù)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(wú)法實(shí)時(shí)地跟隨環(huán)境溫度的變化而變化。比如，將超聲波液位計(jì)安裝于無(wú)遮擋的戶外，太陽(yáng)光的照射會(huì)使探頭持續(xù)升溫，而環(huán)境溫度并不會(huì)像探頭一般持續(xù)升溫，最終探頭里的傳感器所測(cè)溫度與環(huán)境的溫度會(huì)有較大差別，從而使測(cè)量精度受到影響。
四、環(huán)境因素
在環(huán)境因素中，除了第三點(diǎn)所說(shuō)的溫度因素的影響，空氣濕度、氣壓、氣流、不同的氣體介質(zhì)這些因素也會(huì)對(duì)聲波傳播速度有所影響，從而降低測(cè)量精度。
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