超聲液位計(jì)，根據(jù)超聲波從發(fā)射至接收到液面回波所需時(shí)間與液面高度成比例的關(guān)系制成的液位測(cè)量?jī)x器。主要由產(chǎn)生超聲波的換能器、接收超聲波的換能器和時(shí)間間隔檢測(cè)電路等組成。根據(jù)傳播介質(zhì)的不同,分氣介式、液介式和固介式三類;依據(jù)換能器不同的工作方式,又分自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。
在單探頭方式中,由于發(fā)射脈沖有一定寬度,該段時(shí)間內(nèi)無法辨識(shí)回波,這段時(shí)間所對(duì)應(yīng)的距離稱“測(cè)量盲區(qū)”。水利水電工程中普遍使用氣介式單探頭方式的回波式超聲液位計(jì),特點(diǎn)是安裝維護(hù)方便,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展,各種帶有溫度補(bǔ)償和虛假回波辨識(shí)的智能化、一體化超聲液位計(jì)在工程應(yīng)用中越來越受到重視。測(cè)量分辨率3毫米,量程幾米到幾十米,準(zhǔn)確度0.25級(jí),測(cè)量盲區(qū)0.25米。
隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的迅速提高，超聲波液位計(jì)作為工業(yè)生產(chǎn)中液位測(cè)量的重要測(cè)試和控制手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種容器和管道，以及水庫、河流和運(yùn)河中。無論在哪里使用，都對(duì)液位計(jì)的測(cè)量精度提出了越來越高的要求。超聲波液位計(jì)廣泛應(yīng)用于液位測(cè)量。然而，超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度容易受到溫度、濕度、粉塵、被測(cè)液體的化學(xué)成分等多種因素的影響，導(dǎo)致其測(cè)量精度較低。本文分析了超聲波液位計(jì)測(cè)量中可能出現(xiàn)的一些誤差，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)償措施。
超聲波液位計(jì)一般采用接收和發(fā)射相結(jié)合的陶瓷超聲換能器，聲波的發(fā)射和接收由同一探頭完成。探頭向被測(cè)液體表面發(fā)射超聲信號(hào)，并且超聲波通過傳播介質(zhì)從探頭傳播到被測(cè)液體表面，在液體表面上形成反射，并且反射波沿著原始路徑傳播到探頭并被探頭吸收。計(jì)時(shí)單元測(cè)量超聲波從發(fā)射到接收回波所用的時(shí)間。根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，可以計(jì)算出探頭到液面的距離，進(jìn)而得到液面的高度。
根據(jù)距離值S、聲速c與傳輸時(shí)間T之間的關(guān)系式S=CT/2，可以看出超聲波的傳輸時(shí)間是液位測(cè)量的中間結(jié)果。使用超聲波液位計(jì)測(cè)量液位時(shí)，需要知道超聲波在空氣中的傳播速度，因此超聲波傳播速度的準(zhǔn)確性將極大地影響超聲波液位計(jì)的測(cè)量精度。
一般來說，溫度是影響聲速的主要因素。通過在超聲波液位計(jì)上安裝溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，利用溫度和聲速之間的關(guān)系可以轉(zhuǎn)換聲速值。然而，事實(shí)上，聲速不僅受溫度的影響，還與許多因素有關(guān)，如氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮固體等。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，僅用測(cè)溫的方法來標(biāo)定聲速還有很多缺點(diǎn)，而且在測(cè)溫過程中存在一定的誤差，因此溫度補(bǔ)償方法只適用于一般應(yīng)用，不能滿足高精度測(cè)量的要求。
聲波是一種縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，通過傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)來傳播。由于傳播介質(zhì)的吸收、散射和聲波擴(kuò)散，聲強(qiáng)、聲壓和聲能減弱，聲波衰減。另外，超聲波液位計(jì)的測(cè)量需要在被測(cè)液體表面形成聲波反射，這也會(huì)造成聲波的衰減。聲波按照傳播距離的指數(shù)規(guī)律衰減。當(dāng)液位不同時(shí)，聲波的傳播距離也不同，接收波的振幅也大不相同。當(dāng)探頭發(fā)射超聲波時(shí)，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收信號(hào)的幅度超過設(shè)定的閾值時(shí)，系統(tǒng)停止計(jì)時(shí)。當(dāng)液位高度改變時(shí)，接收信號(hào)的幅度也會(huì)改變。當(dāng)液位較低時(shí)，接收信號(hào)的幅度較小，可能需要在第四個(gè)峰值達(dá)到閾值;當(dāng)液位較高時(shí)，接收信號(hào)的幅度較大，可能在第三個(gè)或更早的時(shí)間達(dá)到閾值。這樣，停止計(jì)時(shí)的時(shí)間是不確定的，這種不確定性必然會(huì)給系統(tǒng)的測(cè)量精度帶來誤差。如果將這一誤差應(yīng)用于1000米以上的儲(chǔ)油罐，將會(huì)產(chǎn)生非?？陀^的絕對(duì)誤差，因此必須予以消除。
目前，消除渡越時(shí)間誤差的一種簡(jiǎn)單方法是增加一個(gè)時(shí)間控制電路(TGC)，它可以補(bǔ)償聲波在傳播過程中的衰減，使接收到的波的振幅在各種液位下基本一致，從而使測(cè)量誤差最小化。然而，這種方法仍然有很大的局限性。在該方法中，需要預(yù)測(cè)聲波在不同液位高度的傳播時(shí)間和聲波在該距離的衰減，然后繪制它們之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的曲線，并設(shè)計(jì)符合該曲線方程的時(shí)間增益控制電路。
根據(jù)前面的分析，傳播時(shí)間和衰減是兩個(gè)重要的因素，容易受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響，不能很好地與預(yù)先準(zhǔn)備好的曲線相匹配。此外，即使擬合曲線非常精確，也很難設(shè)計(jì)出與其完全一致的TGC電路。因此，在補(bǔ)償中引入新的誤差是不可避免的。為了徹底消除渡越時(shí)間誤差，接收電路的信號(hào)變換過程是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過DC檢測(cè)后提取信號(hào)的包絡(luò)，并對(duì)包絡(luò)進(jìn)行微分。通過信號(hào)變換過程，不管接收信號(hào)的幅度如何，其包絡(luò)的峰值必須在接收信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)，即在差分信號(hào)的過零點(diǎn)。因此，由過零檢測(cè)電路產(chǎn)生的停止定時(shí)信號(hào)必須在回波信號(hào)的時(shí)間中心點(diǎn)，并且不會(huì)由于信號(hào)的幅度而改變，從而完全消除了渡越時(shí)間誤差。
