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液位测量的重要测试和控制手段，已广泛应用于各种容器、管道和水库、河流和运河的液位测量。液位计的测量精度要求越来越高，无论应用在哪里。超声波液位计广泛应用于液位测量。但由于超声波液位计的测量精度容易受到温度、湿度、粉尘、被测液体化学成分等因素的影响，其测量精度较低。本文分析了超声波液位计测量中可能出现的一些误差，并提出了相应的补偿措施。1、超声波液位计的工作原理 超声波液位计一般采用陶瓷超声波传感器，声波的发射和接收由同一探头完成。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。根据声波在空气中的传播速度，计时单元可以测量超声波从发射到接收的时间，从而计算探头到液位的距离，从而获得液位的高度。二、超声波液位计常见误差及校准方法 1)参考声速精度误差 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可以看出，超声波的传播时间是液位计测量的中间结果。使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，超声波传播速度的值精度将极大地影响超声波液位计的测量精度。 ?温度补偿 一般来说，温度是影响声速的主要因素。温度传感器可以在超声波液位计上实时测量，声速值可以通过温度与声速的关系来转换。但实际上，声速不仅受温度的影响，还与气体密度、气压、湿度、空气中悬浮物等诸多因素有关。因此，在实际应用中，仅使用测量温度的方法来校准声速还存在许多不足，在温度测量过程中也存在一定的误差。因此，温度补偿方法只适用于一般应用，不能满足高精度测量。 ?实时声速补偿 实践证明，由于测量环境的复杂性和测量方法的影响，需要引入新的误差，无论使用什么经验公式和经验数据来补偿声速。因此，声速补偿被认为是最可靠的补偿方法。
测量声速补偿原理图 如图所示，在发射探头前端安装一个挡板，与探头形成一个固定的范围，称为声程架。当探头发射声波时，挡板可以将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声速。 采用实测声速法进行补偿。由于补偿声速与测量声传播路径的环境非常相似，环境影响基本相同，声速通常相对接近，因此该方法是目前最准确的声速修正方法。但在使用该方法时，应选择低温膨胀系数材料，避免环境温度变化，改变声程距离，影响测量声速的精度。 二、渡过时间误差 声波是通过传播介质的分子运动传播的纵向振动弹性机械波。由于传播介质的吸收、散射和声波的扩散，声强、声压和声能减弱，声波衰减。超声波液位计的测量需要在被测液位上形成声波反射，这也会导致声波衰减。声波根据传播距离指数衰减。当液位高度不同时，声波的传输距离也不同，接收波的范围也会有很大差异。当接收信号的范围超过设定阈值时，探头发射超声波时，系统开始计时。当液位高度发生变化时，接收信号的范围也会发生变化。当液位相对较低时，接收信号范围相对较小，可能需要在第四个峰值达到阈值；当液位高度较高时，接收信号范围较大，可能在第三个甚至更早达到阈值。不确定停止计时的时间，必然会给系统的测量精度带来误差。如果误差应用于10000m3以上储油罐会产生非常客观的绝对误差，必须消除。 目前，消除间误差的简单方法是增加时间控制电路（TGC），利用TGC电路补偿声波在传输过程中的衰减，使接收波的范围在各种液位高度下基本一致，从而尽量减少测量误差。但这种方法仍然有很大的局限性。该方法需要预测不同液位高度声波的传播时间和声波在这段距离内的衰减，然后根据该曲线方程制定一条曲线和时间增益控制电路。 根据前面的分析，传播时间和衰减是两个更重要的因素，它们很容易受到现场环境的影响，而不能很好地匹配预先制定的曲线。而且，即使拟合曲线非常准确，也很难设计出与之完全一致的曲线TGC电路。因此，在补偿中引入新的误差是不可避免的。要彻底消除跨越时间误差，接收电路的信号变换过程是预处理的接收信号，直流检波后提取信号包络，微分处理包络。通过信号的转换过程，无论接收信号的范围如何，其包络的峰值都必须在接收信号的时间中心，即微分信号的过零。因此，过零检测电路产生的停止计时信号必须位于回波信号的时间中心，不会因信号范围而改变。因此，跨越时间误差将完全消除。 三、系统误差 系统误差主要由系统延迟引起，主要来源是硬件电路延迟、单片机中断响应延迟、探头响应延迟等。由于超声波液位计在脉冲发射状态下工作，每次单片机发出发射命令后，发射功率放大电路必须经过能量积累过程才能达到发射状态，探头内的压电陶瓷也有振动过程，达到40kHz振动频率也需要一定的时间。计时始于发射命令，因此必须考虑系统的延迟，并在软件上进行补偿。 此外，当超声波测量液位时，液位距离从探头前端表面到液位。事实上，压电陶瓷声学中心并不在其表面。因此，从探头表面到声学中心点的距离也会导致系统误差，可与延迟误差分为一类，并共同纠正。 对于同一型号或批次的超声波液位计，由于所使用的部件和材料工艺相同，其系统延迟几乎相同，是一个相对固定的值。因此，可以通过测试固定距离来校准和纠正系统延迟。 以上分析了超声波液位计测量中的几个主要误差，并提出了修正方法Uson-根据上述修正方法，11系列超声波液位计大大提高了测量精度，具有温度补偿、精度高、适应性强；采用特殊回波处理，有效避免虚假回波；整机保护等级高达IP66/IP可应用于不同的工业环境。