超声波液位计测量方式研究与探讨 二十六

第五章实验结果与误差分析

当所需量程更大时，可重新设置两探头距离和探头夹角。根据表3．1中的数据可知，当a--2cm，0=O．10时，最大量程可达20m；a=3cm，0=0．1。时，最大量程可达25m；a=4cm，0=0．10时，最大量程可达31m；a=5cm，0=0．1。时，最大量程可达37m。由于两探头相距太大会增加回波信号的处理难度，所以尽量避免使a大于5cm。实际应用中，应根据量程要求，合理选择两探头的距离和探头的夹角。

5．3误差分析

超声波液位计属于间接测量仪表，在对液位进行测量时，以探头与容器底部距离、挡板与探头距离等作为己知条件，通过计算获得探头安装角度及挡板大小的估计值，并在实际安装中通过试运行进行相应调整，然后利用挡板反射回波检测超声波信号在测量环境下的实际声速，进而测得实际液位高度。因此，超声波液位计的实际测量误差，既包括超声波液位计本身的误差，也包括超声波传播介质及其他现场测量条件在内的整个测量系统误差。

根据误差理论，误差可分为系统误差和随机误差。对超声波液位测量系统来说，系统一旦安装完毕正常运行后，各参数引入的误差也就随之确定下来。

系统采用设置挡板方式校正声速，避免了温度补偿法声速校正中引进的温度误差。因此，系统误差主要为延时误差，包括电路延时、探头声传播时间和中断响应延时等。由于单片机从开始发射方波就开始计时，而实际上单片机发射方波后，要经过放大升压电路驱动超声探头发射超声波，因此产生电路延时，这个时问虽然很短，但是在精确液位测量中引起的测量误差不能忽视。另外，在驱动超声波探头发射超声波时，由于探头内的压电晶片不是一下子就达到40KHz的振动频率，有个起振的过程，因此，会对计时造成微小的延时影响。

由于超声波在空气中传播衰减很大，液位测量系统接收回波的幅值随传播距离的增加成指数规律衰减，使得远距离回波检测误差较大。因此在系统硬件接收电路中，对回波信号进行两级放大方式以满足了测量中的实际要求。在应用于具有挥发性的液体液位测量时，由于悬浮小颗粒对超声波的散射很严重，使得回波信号噪声很大，因此对回波信号设置了一个门槛电压，以有效屏蔽噪声信号的干扰。

另外对于有一部分超声波从发射探头直接传到接收探头的问题，在接收电路的设计中也充分考虑到了这一情况，设置了4066双向开关，避免了此种情况引起的误差和干扰。

除了硬件方面的措施外，在软件方面同样充分考虑到了抗干扰和减小误差的问题。设置了接收电路开关时间阈值，根据声路长度来估算一个脉冲最早和最晚可能到达的时刻，在最早时间的0．6倍处打开接收电路，这样一方面可以防止发射超声直接耦合到接收换能器中，另一方面可以排除开关动作带来的干扰。系统中，设置为在发射超声波lms后，才打开接收电路，开始接收回波中断信号。由此，也使得超声波液位测量系统无可避免的有一定的测量盲区。

第六章结论与展望

6．1结论

目前市场上进口和国产超声波液位计种类繁多，性能各异，随着经济的发展，科技的快速进步，人们不再满足于耗时耗力且精度不高的测量方式，高精度、智能化超声波液位计的市场需求将不断扩大。

传统的超声波液位计主要采用温度补偿的声速校正方式，此方法安装比较简单、技术已R益成熟，但由于声速校正方式引进了温度测量值，相应的也引进了测温误差，因此精度难以进一步提高。

针对这一问题，开发了一种利用设置声速校正具获得参考声速的新型超声液位测量系统。在熟悉了超声波的传播特性及超声波传感器的结构及工作方式等问题后，选用了T／R40—16型超声波换能器。另外在兼顾了性能的同时，从节约成本的角度考虑，选用了AT89S52型单片机作为控制核心，并采用7段LED数码管进行液位显示。在整个课题研究过程中，主要完成了如下工作内容：

1．查阅资料了解超声波波特性以及超声波换能器工作原理，设定出基于超声波测距原理的超声波液位测量系统方案；

2．结合超声波相关理论及系统方案，完成超声波液位测量系统硬件电路的设计和调试，包括超声波发射电路、接收电路、显示电路、通讯接口电路等；

3．研究讨论两探头的安装距离与夹角以及参考挡板的安装位置及其自身尺寸大小等参数，并计算出理论值；

4．编写相应的软件程序，实现用单片机精确计时、控制测量过程、数据处理、输出液位数据等功能；

5．实现双供电设计及预报警功能；

6．实现实时液位显示及远程串行通讯功能；

7．对整个系统进行了调试和试运行，改进设计中出现的问题，使得系统可以稳定的工作。

课题的创新之处在于采用设置参考挡板进行声速校正，因此作为校正具的参考挡板的安装位置及其自身的大小，以及超声波发射探头和接收探头的安装距离及其夹角，是整个设计的重点。设计中不但从理论上讨论了两探头距离及其夹角对系统测量量程的影响并对其做出了详细的可行性分析，并且讨论了各种情况下参考挡板的安装参数。在最后的实验中，对上述理论分析进行了验证。

6．2展望

由于本人能力有限，研究中还是存在很多需要改进的地方，主要有如下几点：

l、由于挡板的设置、软件抗干扰的接收门阈值设定，使得此超声波液位计不可避免的具有一定的盲区；因此在小量程测量中存在一定的困难。

2、在设计中未实现外部参数按键设定功能，实验中是将探头与容器底部的距离、探头与挡板的距离等参数作为定值实现的。

3、对回波信号设置门槛电压时，如果超声波液位计量程较大，那么经空气衰减后，远程回波与近程回波的声强相差很大，这时采用恒定门槛阈值可能会将较弱的远程回波信号隔离，产生测量误差。所以应产生一个随时间增加而减小的动态阈值信号。

总而言之，利用挡板进行声速校正的超声波液位计是一种性能更优良的液位测量仪表，虽然仍需不断的研究和改进，但我相信它拥有良好的发展潜力和广阔的市场，是超声波液位计今后研究的方向。

详情请浏览公司网站的产品中心 http://www.dlysys.com/  超声波液位计