超聲波液位計原理
超聲波液位計/物位計 的測量原理、特點
1 測量原理
原理
超聲波物位計的工作原理是由換能器（探頭）發(fā)出高頻超聲波脈沖遇到被測介質(zhì)表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波脈沖以聲波速度傳播，從發(fā)射到接收到超聲波脈沖所需時間間隔與換能器到被測介質(zhì)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(guān)系可以用公式表示：S=CxT/2。
由于發(fā)射的超聲波脈沖有一定的寬度，使得距離換能器較近的小段區(qū)域內(nèi)的反射波與發(fā)射波重迭，無法識別，不能測量其距離值。這個區(qū)域稱為測量盲區(qū)。盲區(qū)的大小與超聲波物位計的型號有關(guān)。
特點
由于采用了*的微處理器和*的EchoDiscovery回波處理技術(shù)，超聲波物位計可以應(yīng)用于各種復(fù)雜工況。換能器內(nèi)置溫度傳感器，可實現(xiàn)測量值的溫度補(bǔ)償。
超聲波換能器采用*聲學(xué)匹配之技術(shù)，使其發(fā)射功率能更有效地輻射出去，提高信號強(qiáng)度，從而實現(xiàn)準(zhǔn)確測量。
超聲波液位計/物位計 安裝要求。
安裝要求：
換能器發(fā)射超聲波脈沖時，都有一定的發(fā)射開角。從換能器下緣到被測介質(zhì)表面之間，由發(fā)射的超聲波波束所輻射的區(qū)域內(nèi)，不得有障礙物，因此安裝時應(yīng)盡可能避開罐內(nèi)設(shè)施，如：人梯、限位開關(guān)、加熱設(shè)備、支架等。 另外須注意超聲波波束不得與加料料流相交。
安裝儀表時還要注意：zui高料位不得進(jìn)入測量盲區(qū)；儀表距罐壁必須保持一定的距離；儀表的安裝盡可能使換能器的發(fā)射方向與液面垂直。
超聲波測距原理
超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá)原理是一樣的。
測距的公式表示為：L=C×T
式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。
超聲波測距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達(dá)到百米，但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級。
由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。
超聲波測距誤差分析
根據(jù)超聲波測距公式L=C×T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。
時間誤差
當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907ms。
在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時器能方便的計數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。
超聲波傳播速度誤差
超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，如表1所示。
已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下：
式中： r —氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40，
R —氣體普適常量，8.314kg·mol-1·K-1，
M—氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1，
T —溫度，273K+T℃。
近似公式為：C=C0+0.607×T℃
式中：C0為零度時的聲波速度332m/s；
T為實際溫度(℃)。
對于超聲波測距精度要求達(dá)到1mm時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到5m，測量1m誤差將達(dá)到5mm。
