超声波液位计的校准方法

随着工业自动化程度的快速提高，液位测量作为工业生产中的一个重要测试和控制手段，已被广泛应用于测量各种容器、管道及水库、江河、水渠内的液位。无论是应用于哪种场所，都对液位计的测量精度提出了越来越高的要求。在液位测量中，超声波液位计的使用非常普遍。但由于超声波液位计的测量精度*易受到温度、湿度、粉尘、被测量液体的化学成分等多方面因素的影响，导致其测量精度不高。本文对超声波液位计测量中可能出现的一些误差进行了分析，并提出了相应的补偿措施。

一、超声波液位计的工作原理

超声波液位计一般采用收发合一的陶瓷超声波换能器，声波的发射和接收都由同一个探头完成。探头向被测液面发射超声波信号，超声波由探头经传播介质传播至被测液面，在液面上形成反射，反射波沿原路径传播至探头，被探头吸收。计时单元测量超声波从发射到回波被接收所用的时间，根据声波在空气中的传播速度，可以计算出探头至液面的距离，从而得出液面的高度。

二、超声波液位计常见误差及校准方法

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，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。但是，实际上声速又不仅仅受温度影响，还与气体密度、气压、湿度、空气中的悬浮物等诸多因素有关。因此，在实际应用中，仅利用测量温度的方法，对声速进行标定还有诸多不足，且在温度测量过程中也会存在一定的误差，因此温度补偿方法只适用一般应用，而无法满足高精度测量。

•实时声速补偿

实践证明，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。因此，利用实测声速的方法进行声速补偿被认为是*可靠的补偿方法。

实测声速补偿原理图

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。

利用实测声速方法进行补偿，由于补偿声速与测量声波传播路径所处的环境*为相似，所受的环境影响也基本一致，其声速通常比较接近，所以这种方法是目前使用*精确的声速修正方式。但是这种方法的使用中，声程架应选用低温度膨胀系数的材料，以免环境温度变化声程架发生热胀冷缩，使声程距离发生改变，影响实测声速精度。

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。声波是按传播距离的指数规律衰减的，当液面高度不同时，声波的传输距离也不相同，其接收波的幅度也会有较大差异。探头发射超声波时系统开始计时，当接收信号的幅度超过设定的阈值时停止计时。液位高度发生变化时，接收信号的幅度也会发生变化。在液位比较低时，接收信号幅度比较小，可能需要在*4个波峰处才能达到阈值；当液面高度比较高时，接收信号幅度比较大，可能在*3个甚至更早就能达到阈值。这样停止计时的时间就不是确定的，这种不确定性必然会给系统测量精度带来误差。该误差如果应用在1000m³以上的储油罐上，将会产生很客观的绝对误差，所以必须要消除。

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精确，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。因此，过零检测电路产生的停止计时信号一定处于回波信号的时间中心点，不会因信号的幅度而改变，由此，渡越时间误差也就完全消除了。

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。

计为Uson-11系列超声波液位计根据上述误差修正方法进行修正，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。