超聲波液位計測量方式研究與探討 十一

2．3時差法超聲波液位計的基本原理

時差法超聲波液位計的工作原理是首先由發射探頭發射出超聲波，在被測液體介質或其他借以測量的傳聲介質中傳播至液面，經液面反射后，反射回波被接收探頭所接收，測量超聲波從發射到接收所經過的時間，根據介質中的聲速，可計算出探頭至液面的距離，進而得出液位高度。根據超聲波換能器的工作方式的不同，超聲波液位計可分為一發一收的雙探頭模式和自發自收的單探頭模式。根據傳聲介質的不同，又分為氣介式、液介式和固介式三種安裝方式。本文主要以氣介式安裝雙探頭超聲波液位計作為研究對象。

其中，H表示探頭與容器底部的距離，L表示超聲波傳輸距離的一半，v表示超聲波聲速，t表示超聲波傳播時間，h即所測液面實際高度。在兩探頭相距非常近時，可將超聲波傳播路徑看成是與液面垂直的直線距離。由上述可知，超聲波液位計測液位需要知道超聲波在空氣中的傳播速度和傳播時間，以計算得出液位高度。因此，超聲波液位計的精度取決于超聲波聲速和傳播時間的計時精度。

在本設計中，采用單片機內部自帶的定時器對超聲波液位測量中聲速傳播時間進行精確計時，大大提高了對超聲波傳播時間的計時精度。由于51系列單片機的機器周期是μS級，所以計時精度可精確到μS級。而1 μS的計時誤差引起的測距誤差約為0．345mm。所以系統每提高lmm的測量精度，相應的單片機的計時誤差應減小3μ S。在聲速校正上，本設計中也采用了不同于以往校正方法的新方式。傳統的超聲波液位計，大多采用溫度補償方法來校正聲速，這就需要先測得測量環境的實際溫度，從而不可避免的有測溫誤差的存在。本設計中，采用了一種利用參考擋板校正聲速的方法。

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