超声波液位计测量方式研究与探讨 十一

2．3时差法超声波液位计的基本原理

时差法超声波液位计的工作原理是首先由发射探头发射出超声波，在被测液体介质或其他借以测量的传声介质中传播至液面，经液面反射后，反射回波被接收探头所接收，测量超声波从发射到接收所经过的时间，根据介质中的声速，可计算出探头至液面的距离，进而得出液位高度。根据超声波换能器的工作方式的不同，超声波液位计可分为一发一收的双探头模式和自发自收的单探头模式。根据传声介质的不同，又分为气介式、液介式和固介式三种安装方式。本文主要以气介式安装双探头超声波液位计作为研究对象。

其中，H表示探头与容器底部的距离，L表示超声波传输距离的一半，v表示超声波声速，t表示超声波传播时间，h即所测液面实际高度。在两探头相距非常近时，可将超声波传播路径看成是与液面垂直的直线距离。由上述可知，超声波液位计测液位需要知道超声波在空气中的传播速度和传播时间，以计算得出液位高度。因此，超声波液位计的精度取决于超声波声速和传播时间的计时精度。

在本设计中，采用单片机内部自带的定时器对超声波液位测量中声速传播时间进行精确计时，大大提高了对超声波传播时间的计时精度。由于51系列单片机的机器周期是μS级，所以计时精度可精确到μS级。而1 μS的计时误差引起的测距误差约为0．345mm。所以系统每提高lmm的测量精度，相应的单片机的计时误差应减小3μ S。在声速校正上，本设计中也采用了不同于以往校正方法的新方式。传统的超声波液位计，大多采用温度补偿方法来校正声速，这就需要先测得测量环境的实际温度，从而不可避免的有测温误差的存在。本设计中，采用了一种利用参考挡板校正声速的方法。

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