超聲波液位計測量精度影響因素分析

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超聲波液位計是一款適用於各種槽池的連續性液位測量的儀表,其工作原理是由超聲換能器(探頭)發出高頻超聲波脈衝,超聲脈衝遇到被測液位表面時,該脈衝便被反射回來,部分反射回波被換能器重新接收,轉換成電訊號。因此測量環境和儀表電路的聲電轉換能力都會對超聲波液位計的測量精度造成影響。
超聲波脈衝以聲波速度傳播,超聲波脈衝從發射到接收所需時間間隔與換能器到被測介質表面的距離成正比。此距離值S與聲速C和傳輸時間T之間的關係可以用公式表示:S=C×T/2。根據超聲波的聲波傳輸特性,超聲波液位計應用的理想工況為平靜的液體表面,如果液麵起伏不定或者呈波浪狀,超聲波探測對於實際液位的測量就會出現誤差,這就需要內部電路對測量訊號進行演算法優化,以反饋真實的液位。
一般來講,在實際應用中,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、複雜的工況:帶攪拌的物料液位測量或動態的液位環境
在一些帶攪拌或者較為動態的液位環境中(比如流體液位測量)等,由於液位水平呈動態起伏和不確定性變化,會導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體和軟體上對儀表的魯棒性(魯棒性大致相當於穩定性)進行提高。在軟體方面,加入延時平均演算法能夠使儀表更好地適應複雜且動態變化的工況;同時硬體上採取高效嚴謹的訊號濾波電路來過濾掉測量時超聲波訊號接觸複雜的液體表面而產生的次波雜波。
2、錯誤的儀表安裝方式

不正確的安裝可能會導致測量精度的下降。比如超聲波換能器的方向沒有與液麵保持垂直。如下圖所示:

超聲波液位計測量精度影響因素分析

3、溫度感測器

聲波在空氣介質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。所以通常在設計超聲波換能器的時候會在探頭裡面嵌入一個溫度感測器,從而對環境的溫度進行監控,並在演算法上對超聲波的聲速作補償。
但正是由於溫度感測器作為探頭的一部分被保護材料密閉的封裝在探頭裡這種結構以及保護材料(這類材料多為質量大、導熱性低的材質)的限制,可能導致探頭的溫度無法實時地跟隨環境溫度變化而改變,例如將超聲波液位計安裝在無遮擋的室外環境,太陽光的照射會使探頭持續升溫,而環境溫度並不會像探頭一般持續升溫,終探頭裡的感測器所測溫度與環境的溫度差異較大,影響測量精度。
4、環境因素
除了第三點所說的溫度影響外,空氣溼度、氣壓、氣流、不同的氣體介質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。