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淺析影響超聲波液位計測量精度的因素
2019-10-29
超聲波液位計是一款適用于各種槽池的連續性液位測量儀表，應用頗為廣泛。但在實際應用中，受各種因素的干擾，有時會出現測量不準的情況。為更好地進行液位測量，本文擬淺析影響超聲波液位計測量精度的因素，希望對用戶有所幫助。
根據超聲波液位計的工作原理，超聲波液位計是由超聲換能器（探頭）發出高頻超聲波脈沖，超聲脈沖遇到被測液位表面時，該脈沖便被反射回來，部分反射回波被換能器重新接收，轉換成電信號。因此可見，儀表的測量環境和儀表電路的聲電轉換能力都會對超聲波的測量精度造成影響。
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之間的關系，用公式表示：S=C×T/2。根據超聲波的聲波傳輸特性，超聲液位計應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，超聲波探測對于實際液位的測量就會出現誤差，這就需要內部電路對測量信號進行算法優化，以反饋真實的液位。
根據上述原理，在實際應用中，影響超聲波液位計測量精度的影響因素主要有：
一、液面波動較大的工況
在一些帶攪拌或者較為動態的液位環境中，由于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。為此，要實現精確測量，則需要在硬件和軟件上對儀表的魯棒性（魯棒性大致相當于穩定性）進行提高。
1．在硬件方面，采取高效嚴謹的信號濾波電路來過濾掉測量時超聲波信號接觸復雜的液體表面而產生的次波雜波。
2．在軟件方面，加入延時平均算法能夠使儀表更好地適應復雜且動態變化的工況。
二、錯誤的儀表安裝方式
安裝方式不正確，易致測量精度下降。如圖所示，由于在安裝時，超聲波換能器的方向沒有與液面保持垂直，會導致測量距離大于液位的實際距離。
三、溫度傳感器
眾所周知，聲波在空氣介質中的傳播速度會受到溫度的影響。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。所以在設計超聲波換能器的時候，通常會在探頭里面嵌入一個溫度傳感器，從而對環境的溫度進行監控，并在算法上對超聲波的聲速作補償。
由于溫度傳感器作為探頭的一部分被保護材料密閉的封裝在探頭里，受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的變化而變化。比如，將超聲波液位計安裝于無遮擋的戶外，太陽光的照射會使探頭持續升溫，而環境溫度并不會像探頭一般持續升溫，最終探頭里的傳感器所測溫度與環境的溫度會有較大差別，從而使測量精度受到影響。
四、環境因素
在環境因素中，除了第三點所說的溫度因素的影響，空氣濕度、氣壓、氣流、不同的氣體介質這些因素也會對聲波傳播速度有所影響，從而降低測量精度。
根據超聲波液位計的工作原理，超聲波液位計是由超聲換能器（探頭）發出高頻超聲波脈沖，超聲脈沖遇到被測液位表面時，該脈沖便被反射回來，部分反射回波被換能器重新接收，轉換成電信號。因此可見，儀表的測量環境和儀表電路的聲電轉換能力都會對超聲波的測量精度造成影響。
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之間的關系，用公式表示：S=C×T/2。根據超聲波的聲波傳輸特性，超聲液位計應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，超聲波探測對于實際液位的測量就會出現誤差，這就需要內部電路對測量信號進行算法優化，以反饋真實的液位。
根據上述原理，在實際應用中，影響超聲波液位計測量精度的影響因素主要有：
一、液面波動較大的工況
在一些帶攪拌或者較為動態的液位環境中，由于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。為此，要實現精確測量，則需要在硬件和軟件上對儀表的魯棒性（魯棒性大致相當于穩定性）進行提高。
1．在硬件方面，采取高效嚴謹的信號濾波電路來過濾掉測量時超聲波信號接觸復雜的液體表面而產生的次波雜波。
2．在軟件方面，加入延時平均算法能夠使儀表更好地適應復雜且動態變化的工況。
二、錯誤的儀表安裝方式
安裝方式不正確，易致測量精度下降。如圖所示，由于在安裝時，超聲波換能器的方向沒有與液面保持垂直，會導致測量距離大于液位的實際距離。
三、溫度傳感器
眾所周知，聲波在空氣介質中的傳播速度會受到溫度的影響。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。所以在設計超聲波換能器的時候，通常會在探頭里面嵌入一個溫度傳感器，從而對環境的溫度進行監控，并在算法上對超聲波的聲速作補償。
由于溫度傳感器作為探頭的一部分被保護材料密閉的封裝在探頭里，受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的變化而變化。比如，將超聲波液位計安裝于無遮擋的戶外，太陽光的照射會使探頭持續升溫，而環境溫度并不會像探頭一般持續升溫，最終探頭里的傳感器所測溫度與環境的溫度會有較大差別，從而使測量精度受到影響。
四、環境因素
在環境因素中，除了第三點所說的溫度因素的影響，空氣濕度、氣壓、氣流、不同的氣體介質這些因素也會對聲波傳播速度有所影響，從而降低測量精度。
TAGS : 超聲波液位計
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