超声波液位计的校准方法

随着工业自动化程度的提高，对液位计的测量精度要求越来越高，同时相应的液位计检定装置的溯源准确性也提出了越来越高的要求。在液位测量中，超声波液位计的应用越来越广泛，但超声波液位计的测量精度很容易受到外界环境因素的影响，比如温湿度、粉尘、被测介质的化学成分等。下面对超声波液位计测量中可能出现的一些误差进行了分析，并提出了相应的校准方法。

一、参考声速精度误差

从距离值S与声速C和传输时间T之间的关系公式S=C×T/2可知，超声波的传播时间是液位计测量的中间结果，利用超声波液位计测量液位，还需要知道超声波在空气中的传播速度，因此对超声波传播速度取值精度将*大地影响超声波液位计的测量精度。

•温度补偿

一般情况下，温度是影响声速的主要因素。可通过在超声波液位计上安装温度传感器实时测量温度，并利用温度与声速的关系，换算出声速值。

•实时声速补偿

由于受测量环境的复杂性和测量方法等因素的影响，无论是利用何种经验公式和经验数据对声速进行补偿，都需要引进新的误差。

如图所示，在发射探头前端安装一个挡板，挡板与探头形成一个距离固定的声程区间，该结构称之为声程架。当探头发射声波时，该挡板能将一部分声波反射回探头。探头接收到反射波后，计算从发射到接收的时间，并计算出声速。

二、渡越时间误差

声波是纵向振动的弹性机械波，它借助传播介质的分子运动而传播。由于传播介质的吸收、散射和声波的扩散等原因，导致声强、声压和声能减弱，发生声波衰减。并且超声波液位计的测量需要在被测液面上形成一次声波反射，这同样会引起声波的衰减。目前比较简单的消除渡越时间误差的方法是增加时间控制电路（TGC、，利用TGC电路补偿声波在传播过程中的衰减，使各种液面高度情况下，接收波的幅度基本保持一致，从而尽量减小测量误差。但是这种方法还是具有较大局限性。该方法需要预知不同液位高度声波的传播时间，以及在这段距离内声波的衰减量，然后将两者的对应关系拟制出一条曲线，并设计出符合这一曲线方程的时间增益控制电路。

根据前面的分析，传播时间和衰减量是较为重要的两个因素，它们易受现场环境影响，而不能与事先拟制的曲线很好吻合。并且，即使拟合的曲线十分***，也难以设计出与之完全吻合的TGC电路。由此，在补偿中新的误差引入也就在所难免了。而要彻底消除渡越时间误差，接收电路的信号变换过程为经过前置预处理的接收信号，经过直流检波后提取出信号的包络，将包络进行微分处理。通过信号的变换过程，无论接收信号的幅度如何，其包络的峰值肯定处于接收信号的时间中心点上，即微分信号的过零处。

三、系统误差

系统误差主要由系统时延产生，系统延时的主要来源有硬件电路延时、单片机的中断响应延时、探头响应延时等。由于超声波液位计工作于脉冲发射状态，单片机每次发出发射命令后，发射功放电路要经过一个能量蓄积的过程才能达到发射状态，同时探头内的压电陶瓷也有一个起振过程，要达到40kHz的振动频率也需要一定时间。而计时却是从发射命令发出开始的，因此这个系统时延必须要予以考虑，并在软件上进行补偿。

另外，超声波测量液位时，液位距离都是从探头前端表面到液面，实际上压电陶瓷声学中心并不是在其表面上。因此，从探头表面到声学中心点的距离，也会引起系统误差，这个误差可以和时延误差归为一类，并一同修正。

对于同一个型号或批次的超声波液位计，由于所用的元件、材料工艺等都一样，其系统时延也相差无几，并且是一个比较固定的值。因此，可以通过对固定距离测试的方式，标定并修正系统时延。

以上对超声波液位计测量中几种主要误差进行了分析，并提出了修正方法，计为Uson-11系列超声波液位计根据以上修正方法的液位计，在测量精度上有较大提高，其带有温度补偿，精度高，适应性强；采用特殊回波处理方式，有效避免虚假回波；整机防护等级高达IP66/IP67，能够在不同工业环境中应用。