超聲波液位計測量方式研究與探討 二十六

第五章實驗結果與誤差分析

當所需量程更大時，可重新設置兩探頭距離和探頭夾角。根據表3．1中的數據可知，當a--2cm，0=O．10時，最大量程可達20m；a=3cm，0=0．1。時，最大量程可達25m；a=4cm，0=0．10時，最大量程可達31m；a=5cm，0=0．1。時，最大量程可達37m。由于兩探頭相距太大會增加回波信號的處理難度，所以盡量避免使a大于5cm。實際應用中，應根據量程要求，合理選擇兩探頭的距離和探頭的夾角。

5．3誤差分析

超聲波液位計屬于間接測量儀表，在對液位進行測量時，以探頭與容器底部距離、擋板與探頭距離等作為己知條件，通過計算獲得探頭安裝角度及擋板大小的估計值，并在實際安裝中通過試運行進行相應調整，然后利用擋板反射回波檢測超聲波信號在測量環境下的實際聲速，進而測得實際液位高度。因此，超聲波液位計的實際測量誤差，既包括超聲波液位計本身的誤差，也包括超聲波傳播介質及其他現場測量條件在內的整個測量系統誤差。

根據誤差理論，誤差可分為系統誤差和隨機誤差。對超聲波液位測量系統來說，系統一旦安裝完畢正常運行后，各參數引入的誤差也就隨之確定下來。

系統采用設置擋板方式校正聲速，避免了溫度補償法聲速校正中引進的溫度誤差。因此，系統誤差主要為延時誤差，包括電路延時、探頭聲傳播時間和中斷響應延時等。由于單片機從開始發射方波就開始計時，而實際上單片機發射方波后，要經過放大升壓電路驅動超聲探頭發射超聲波，因此產生電路延時，這個時問雖然很短，但是在精確液位測量中引起的測量誤差不能忽視。另外，在驅動超聲波探頭發射超聲波時，由于探頭內的壓電晶片不是一下子就達到40KHz的振動頻率，有個起振的過程，因此，會對計時造成微小的延時影響。

由于超聲波在空氣中傳播衰減很大，液位測量系統接收回波的幅值隨傳播距離的增加成指數規律衰減，使得遠距離回波檢測誤差較大。因此在系統硬件接收電路中，對回波信號進行兩級放大方式以滿足了測量中的實際要求。在應用于具有揮發性的液體液位測量時，由于懸浮小顆粒對超聲波的散射很嚴重，使得回波信號噪聲很大，因此對回波信號設置了一個門檻電壓，以有效屏蔽噪聲信號的干擾。

另外對于有一部分超聲波從發射探頭直接傳到接收探頭的問題，在接收電路的設計中也充分考慮到了這一情況，設置了4066雙向開關，避免了此種情況引起的誤差和干擾。

除了硬件方面的措施外，在軟件方面同樣充分考慮到了抗干擾和減小誤差的問題。設置了接收電路開關時間閾值，根據聲路長度來估算一個脈沖最早和最晚可能到達的時刻，在最早時間的0．6倍處打開接收電路，這樣一方面可以防止發射超聲直接耦合到接收換能器中，另一方面可以排除開關動作帶來的干擾。系統中，設置為在發射超聲波lms后，才打開接收電路，開始接收回波中斷信號。由此，也使得超聲波液位測量系統無可避免的有一定的測量盲區。

第六章結論與展望

6．1結論

目前市場上進口和國產超聲波液位計種類繁多，性能各異，隨著經濟的發展，科技的快速進步，人們不再滿足于耗時耗力且精度不高的測量方式，高精度、智能化超聲波液位計的市場需求將不斷擴大。

傳統的超聲波液位計主要采用溫度補償的聲速校正方式，此方法安裝比較簡單、技術已R益成熟，但由于聲速校正方式引進了溫度測量值，相應的也引進了測溫誤差，因此精度難以進一步提高。

針對這一問題，開發了一種利用設置聲速校正具獲得參考聲速的新型超聲液位測量系統。在熟悉了超聲波的傳播特性及超聲波傳感器的結構及工作方式等問題后，選用了T／R40—16型超聲波換能器。另外在兼顧了性能的同時，從節約成本的角度考慮，選用了AT89S52型單片機作為控制核心，并采用7段LED數碼管進行液位顯示。在整個課題研究過程中，主要完成了如下工作內容：

1．查閱資料了解超聲波波特性以及超聲波換能器工作原理，設定出基于超聲波測距原理的超聲波液位測量系統方案；

2．結合超聲波相關理論及系統方案，完成超聲波液位測量系統硬件電路的設計和調試，包括超聲波發射電路、接收電路、顯示電路、通訊接口電路等；

3．研究討論兩探頭的安裝距離與夾角以及參考擋板的安裝位置及其自身尺寸大小等參數，并計算出理論值；

4．編寫相應的軟件程序，實現用單片機精確計時、控制測量過程、數據處理、輸出液位數據等功能；

5．實現雙供電設計及預報警功能；

6．實現實時液位顯示及遠程串行通訊功能；

7．對整個系統進行了調試和試運行，改進設計中出現的問題，使得系統可以穩定的工作。

課題的創新之處在于采用設置參考擋板進行聲速校正，因此作為校正具的參考擋板的安裝位置及其自身的大小，以及超聲波發射探頭和接收探頭的安裝距離及其夾角，是整個設計的重點。設計中不但從理論上討論了兩探頭距離及其夾角對系統測量量程的影響并對其做出了詳細的可行性分析，并且討論了各種情況下參考擋板的安裝參數。在最后的實驗中，對上述理論分析進行了驗證。

6．2展望

由于本人能力有限，研究中還是存在很多需要改進的地方，主要有如下幾點：

l、由于擋板的設置、軟件抗干擾的接收門閾值設定，使得此超聲波液位計不可避免的具有一定的盲區；因此在小量程測量中存在一定的困難。

2、在設計中未實現外部參數按鍵設定功能，實驗中是將探頭與容器底部的距離、探頭與擋板的距離等參數作為定值實現的。

3、對回波信號設置門檻電壓時，如果超聲波液位計量程較大，那么經空氣衰減后，遠程回波與近程回波的聲強相差很大，這時采用恒定門檻閾值可能會將較弱的遠程回波信號隔離，產生測量誤差。所以應產生一個隨時間增加而減小的動態閾值信號。

總而言之，利用擋板進行聲速校正的超聲波液位計是一種性能更優良的液位測量儀表，雖然仍需不斷的研究和改進，但我相信它擁有良好的發展潛力和廣闊的市場，是超聲波液位計今后研究的方向。

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