如何提高超聲波液位計(jì)

的測(cè)量精度:

1 .超聲波原理

由于超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，因此如果能夠測(cè)定超聲波在空氣中的傳播時(shí)間，則能夠計(jì)算出其傳播距離。 超聲波測(cè)量液位通過(guò)測(cè)量超聲波傳播的時(shí)間間隙來(lái)測(cè)量聲波傳播的距離。 具體方法:見(jiàn)圖1。 從安裝在被測(cè)量容器頂部的超聲波探頭向液面發(fā)射超聲波，聲波被液面反射后，由探頭接收。 控制器測(cè)定傳播時(shí)間t，并求出從音速v到液面到探針的空間距離l。 在測(cè)量到容器底部的距離、即安裝高度h的基礎(chǔ)上，可以求出容器內(nèi)的液面水平h。 計(jì)算公式如下

H=H-L在此L=v&bull； t/2

另外，由于空氣溫度對(duì)聲速有一定的影響，因此有必要測(cè)定環(huán)境空氣溫度t來(lái)修正聲速。 公式如下

v=331.46 0.61&bull； T(℃)

2 .超聲波液位計(jì)的主要電路

超聲波液位計(jì)

由超聲波探頭、發(fā)送控制和接收處理電路、控制器和顯示等部分構(gòu)成。 圖2示出其硬件結(jié)構(gòu)框圖。 發(fā)送接收和換能器探頭包括壓電型換能器、收發(fā)器和溫度補(bǔ)償電路的收發(fā)器或發(fā)送控制和接收處理電路，主要由超聲波發(fā)送脈沖寬度控制、回波信號(hào)檢波、比較、微分、整形等信號(hào)處理電路構(gòu)成的顯示電路由74LS164和LED構(gòu)成， 完成系統(tǒng)參數(shù)和液位高度顯示的控制器是由80C552單片機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)，主要完成按鈕掃描處理、超聲波發(fā)射控制、回波接收時(shí)間計(jì)算、液位換算等。 文章著重介紹了為提高測(cè)量精度和減少測(cè)量死角測(cè)量超聲回波的硬件和軟件對(duì)策。 電路如圖3所示。

當(dāng)發(fā)送出超聲波時(shí)，發(fā)送波或接收回波等經(jīng)由接收電路從In側(cè)輸入信號(hào)，并進(jìn)行檢波、放大、比較、微分，由此在d觸發(fā)器的r側(cè)形成尖峰。 該脈沖信號(hào)被整形為d觸發(fā)器，以獲得下跳窄的脈沖，并發(fā)送給80C552的INT端。 在20C552的中斷系統(tǒng)中記錄每次的中斷時(shí)間以及從相鄰的兩個(gè)中斷的時(shí)間間隔得知從傳輸?shù)绞盏交芈暤臅r(shí)間，即超聲波的往返時(shí)間，從而計(jì)算傳播之間的距離。

3 .提高測(cè)量精度，縮小測(cè)量死角的措施

本文重點(diǎn)論述了利用超聲波檢查提高測(cè)量精度，減少測(cè)量死角的軟硬件對(duì)策。

如果發(fā)生超聲波發(fā)射或強(qiáng)馀震，就不能同時(shí)檢測(cè)回聲。 因此，在接近探針的發(fā)光面的一定距離內(nèi)不能正常檢測(cè)，形成檢測(cè)死區(qū)。 常見(jiàn)國(guó)內(nèi)外超聲儀器死角范圍超過(guò)0.30m。 通過(guò)對(duì)測(cè)量精度和死角形成原因的具體分析，死角的大小主要與發(fā)射波的強(qiáng)弱和回波檢測(cè)的方法有關(guān)。 一般來(lái)說(shuō)，在距離相同的情況下，載波波強(qiáng)，接收回波信號(hào)強(qiáng)，但馀震也強(qiáng)，死角大。 相反小。 在發(fā)送波的強(qiáng)度相同的情況下，檢測(cè)距離越近，接收回波信號(hào)越強(qiáng)，死角越大。 接著，當(dāng)超聲波探頭向液面發(fā)射超聲波時(shí)，該波在液面與探頭之間反射多次，在接收電路中產(chǎn)生多個(gè)回波，在80C552中形成一系列的中斷信號(hào)。 其中，由于輻射脈沖寬度對(duì)測(cè)量精度的影響較大，本裝置采取了①自動(dòng)控制輻射波強(qiáng)弱，減小檢測(cè)死區(qū)的對(duì)策進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)測(cè)試性的發(fā)射和距離的檢測(cè)，發(fā)射波的強(qiáng)弱隨著檢測(cè)距離的變化而變化。 ②在軟件設(shè)計(jì)中，實(shí)施了幾種特殊的處理方法，郡在記錄回波的時(shí)刻，每次測(cè)量連續(xù)記錄的回波時(shí)刻，計(jì)算回波時(shí)間時(shí)，將z后的2次時(shí)刻差作為超聲波的傳播時(shí)間。 通過(guò)這樣進(jìn)行處理，能夠避免輻射脈沖寬度對(duì)測(cè)定帶來(lái)的影響，能夠更正確地進(jìn)行測(cè)定，將死角z減小至0.05m。

此外，為了防止干擾波對(duì)測(cè)量產(chǎn)生影響，在接收回波的電路中增加了電平可變閾值，該電平可變閾值對(duì)由需要80C552的PWM脈沖寬度調(diào)制端子的接口電路形成的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出施加。 閾值水平的高低必須盡量使回聲發(fā)生的中斷時(shí)刻接近回聲波形的中心位置，減小波形寬度對(duì)測(cè)定時(shí)間的影響。

通過(guò)以上處理，在所要求的測(cè)量范圍0.20m~8m，測(cè)量z的誤差為0.006m，再現(xiàn)性良好的原因在于，本文設(shè)計(jì)的超聲波液位計(jì)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，具有上述特征，不僅可應(yīng)用于化工、電力、石油等行業(yè)水平測(cè)量，還可應(yīng)用于其他測(cè)距系統(tǒng)

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