如何提高超聲波液位計(jì)

的測量精度:

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。 超聲波測量液位通過測量超聲波傳播的時(shí)間間隙來測量聲波傳播的距離。 具體方法:見圖1。 從安裝在被測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，因此有必要測定環(huán)境空氣溫度t來修正聲速。 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量精度和減少測量死角測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 .提高測量精度，縮小測量死角的措施

本文重點(diǎn)論述了利用超聲波檢查提高測量精度，減少測量死角的軟硬件對(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，形成檢測死區(qū)。 常見國內(nèi)外超聲儀器死角范圍超過0.30m。 通過對(duì)測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)弱和回波檢測的方法有關(guān)。 一般來說，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，減小檢測死區(qū)的對(duì)策進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 具體來說，通過測試性的發(fā)射和距離的檢測，發(fā)射波的強(qiáng)弱隨著檢測距離的變化而變化。 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。 通過這樣進(jìn)行處理，能夠避免輻射脈沖寬度對(duì)測定帶來的影響，能夠更正確地進(jìn)行測定，將死角z減小至0.05m。

此外，為了防止干擾波對(duì)測量產(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)測定時(shí)間的影響。

通過以上處理，在所要求的測量范圍0.20m~8m，測量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)水平測量，還可應(yīng)用于其他測距系統(tǒng)

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