摘要目前市場上的超聲波液位計品種多樣，大多採用溫度補償方法對超聲波傳播速度進行校正，以提高儀表測量精度。此方法需在系統外加乙個溫度測量單元，通過測量環境溫度，獲得實際聲速；由此也引進了溫度測量誤差，從而限制了系統精度的進一步提高。
本文是利用參考聲速法實現聲速校正的超聲液位測量系統。設計中採用氣介式測量方式，將乙個反射效能良好的擋板固定在超聲波探頭和液面之間通過測量擋板回波的時間，實現精確的聲速校正，從而大大提高液位測量精度。此系統不但繼承了傳統超聲波液位計的優點，而且無需採集環境溫度，避免了由於測溫誤差引起的系統誤差。
文中以超聲波原理為理論依據, 以超聲波感測器為介面部件, 利用超聲波在空氣中傳播的時間差來測量距離, 從而設計了一套超聲波測距系統。這種新型聲速校正方法相對於傳統補償方法，效能更加優越，是今後超聲波液位測量的發展方向，具有廣闊的發展前景。
關鍵詞：超聲波液位計，探頭，聲速校正，擋板
目錄第一章緒論
1.1液位測量的意義
1.2液位計的種類
1.3超聲波液位計
1.3．1超聲波液位計的歷史、現狀與發展
1.3．2超聲波液位計測量方法
第二章總體設計方案
第三章硬體
第四章軟體
第五章結論與展望
第六章第一章緒論
1.1液位測量的意義
目前無論是開渠水位的測量、大型油罐液位的測量，還是小型容器液位的測量，或者是其他液位系統的測量，都對測量精度提出了越來越來高的要求。例如，石化部門使用的大型油罐容量一般在1000-100000m3之間，很小的測量誤差都將會造成很大的絕對誤差，因此提高液位測量精度，不僅對油罐的測量有很重要的意義，在其他液位測量系統中，也處於越來越來重要的地位。
近年來，隨著電子技術的迅速發展，液位測量儀表中的測量技術經歷了有機械想機電一體化再到自動化的發展過程。結合這兩大技術，尤其是將微處理器引進液位測量系統，使得液位計的精度越來越來高，越來越來向智慧型化、一體化、小型化發展。在實際應用中，可根據需要選擇合適的液位計，滿足測量精度、測量環境等多方面的要求。
1.2液位計的種類
經過不斷的努力和探索，科技工作者已經開發出種類繁多，各具特色的液位測量儀表。尤其是近二十年來，隨著微處理器的引進，測量儀表發生了革命性的變化。液位計的量程從幾公尺到幾十公尺，測量精度也大大提高。
根據液位計測量所涉及的液體儲存容器、被測介質以及工藝過程的不同，液位計型別的選用也不同。
早期的液位測量儀表大多採用機械原理，通過測量某些物理引數，已達到液位測量的目的。隨著工業自動化的發展，出現許多新的測量原理，一批具有智慧型控制功能、可實現非接觸測量、高精度、穩定性好的液位計相繼問世，並應用到越來越多的工業測量領域，如基於超聲波、雷達、光線等技術的測量儀。根據工作原理的不同，液位計可分為以下幾種：
(1) 直讀液位計，直讀式液位測量方法直接用於被測量容器連通的玻璃管或玻璃板來顯示容器中的液位高度，他是最原始但應用較多的一種液位測量儀表；另外，利用侵入式刻度鋼皮尺直接測量液位高度的人工檢尺法也是應用較廣泛計量方法，尤其是在大型油罐儲油量的測量中，也可以作為現場校驗其他測量儀表的參考手段。其精度一般為2mm的人為誤差。此種方法測量簡單直觀成本低但測量量程有限且不適與惡劣環境中的測量。
(2) 浮子液位計，利用浮子的比重所測液體的比重稍小的特點，使浮子漂在液面上並隨著的公升高或下降反應液位，它也是一種應用最早並應用範圍很廣的液位測量儀表；將浮子用一條多孔鋼帶連線至乙個恆轉矩裝置或平衡錘上，由浮子的重量帶動多孔鋼帶通過齒輪裝置推動機械計數器做現場顯示，還可以連線到電動變送器，獲得遠距離顯示。由於滑輪機械裝置的摩擦力和剛帶重量，測量誤差一般約為4~10mm。
(3) 靜壓液位計，利用液柱對某點產生壓力，測量該點壓力或測量與另一參考點的壓力差而間接測量液位的儀表；主要應用於測量精度要求不高的場合。
(4) 電磁液位計，這種測量方式是將液位的變化轉換為電量變化，從而對液位進行間接測量，如電容式、電感式、電阻式液位計等。
電容式液位計是由兩塊同心的圓柱面板組成，是根據電容量與被測液體和氣相介質的相對介電常數、電容感測器侵入液體的深度、電容感測器垂直高度、內外極板圓柱底面半徑之間的關係，有已知的其它引數值得出所測液位高度值。電容式液位計**低，安裝容易，且可以應用與高溫高壓的場合。但電容液位計測量重複精度較低，需要定期維修和重新標定，工作壽命也不長。
電阻式液位測量方法特別適用於導電液體。敏感器件具有電阻特性，其電阻值隨著液位的變化而變化，因此將電阻變化值傳送給二次電路即得到液位高度。
電感式液位測量方法同樣適用於導電液體的測量，特別是液態金屬。其原理是：液位變化時的電感元件自感、互感或導磁率發生變化，故將該變化送往二次電電路即可得等到相應的液位數值。
電感式測量應用最廣泛的是高頻液位計。該液位計的測量原理是，頻率調製訊號通過射頻電纜耦合輸送感測器諧振迴路，諧振迴路的輸出電壓經過檢波電路和射頻電纜傳送給低通濾波器，然後根據低通濾波器的輸出電壓控制調諧電路，產生新的振盪頻率，直到感測器諧振電路處於完全諧振狀態為止，則此時的振盪頻率即與感測器的電感量相對應，從而與液位相對應。
(5) 超聲波液位計，超聲波液位計是非接觸測量中發展最快的一種。該技術基於超聲波在空氣傳播速度及遇到被測液體產生反射的原理。可實現非接觸測量、測量範圍寬、並且測量不受介質密度、介電常數、導電性等的影響，因此它的使用範圍非常廣泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蝕性及有毒液體等的液位測量。
我國從就是年代開始將超聲波測距技術應用到河流、湖泊等水體的水位測量中，以及油、漿等液體的液位測量中，超聲波液位測量技術在越來越來多領域發揮極其重要的作用。
(6)(7) 光纖液位計其測量原理與超聲波液位計相似，只是用光波代替超聲波。即光源發射雷射，經過被測液面反射，接收反射光後，將從發射至接收的時間換算成液位。雷射的光束是很窄的，在液位計中通過光學系統轉換成約20mm寬的光束，這樣可使反射光易於被感測器接收。
傳統的液位計逐漸被這些新型液位計所取代。。
1.3超聲波液位計概況
1.3.1國內外的超聲波液位計發展
在國際上，把超聲波技術用於液位測量己有較長時間，我國從20 世紀90 年代開始發展，將超聲測距技術應用到河流、湖泊、水、渠等水體的水位測量中，以及油、漿等液體的液位測量中。目前國內高精度超聲液位測量儀表的發展主要採用引進加吸收等手段，還有許多合資企業**國外相應產品。國內自主研發超聲波液位計的公司極少，不足十家，而且在測量範圍，死區範圍和精度都低於國外超聲儀表的平均水平。
有的廠家只有生產裝置，沒有標定裝置。由此可見，我國在該領域的發展相對國外還有較大差距，在產品效能指標、儀表可靠性、企業技術力量等方面都落後於西方發達國家。
就精度一項指標而言，目前國內超聲波液位測量精度目前一般只達到3mm或0.5%，盲區最小為30cm 。影響精度的因素除了超聲波感測器本身的製作工藝外，還與發射和接收電路的效能以及誤差的修正方法有關。
隨著人們對引起測量誤差因素的認識以及解決方法的提出，測量精度在逐步提高。近年來國內相關單位也加大了對這一領域的研究力度。在北京、上海、無錫、杭州等城市,均有一些公司小批量生產超聲液位儀表,並不斷開發新產品。
天津中環天儀集團正在推出的超聲波液位計具有0.2%fs的精度，1mm分辨力，是新品的代表之一。深信不久的將來,我國產品一定會有更加長足的進步。
1.3.2超聲波液位計的優點與侷限性
與其他種類的液位計相比，超聲波液位計具有以下優點：
(1)非接觸測量，超聲波換能器安裝在頁面上方，不與被測介質接觸，可方便的測量腐蝕性、粘稠性或有毒液體。
(2)適應性強，適用範圍廣，不受介質密度、介電常數、導電性的影響，對被測液體的物理化學性質的適應性極強。
(3)適用於有毒、有腐蝕、高粘度的液體測量，彌補了其他液位計在此類惡劣性測量環境的不足。
(4)通用性好，液位計即可測量開區液位，也可測量大型儲油罐等液體液位。安裝拆卸方便。
(5)幾乎沒有機械可動部件，無磨損，使用壽命長，重量輕。換能器內的壓電元件以聲頻振動，振幅小，壽命長。
1.3.3超聲波液位測量方法
目前，採用超聲波測量液位的方法很多，有聲波阻斷法、脈衝回波法、共振法、頻差法等連續液位測量方法，還有連續波阻抗法、連續波穿透式、脈衝反射式和脈衝穿透式等定點液位測量方法。
（1）聲波阻斷式是利用超聲波在氣體、液體和固體中被吸收而衰減的情況不同，來探測在超聲波探頭前方是否有液體或固體存在。當夜位達到預定高度時，超聲波被阻斷，即可發出報警訊號或進行限位控制。
（2）脈衝回波測距法是利用聲波在同一介質中有一定的傳播速度，而在不同的密度的介質分介面處會產生反射，從而根據聲波從發射到接收到液面回波的時間間隔來計算液位。根據超聲波探頭安裝的位子不同，該方法可分為氣介式、固介式、液介式三種。
液介式：
圖1-1a液介式單探頭圖1-1b液介式雙探頭圖1-1c底置探頭
氣介式：
圖1-2a氣介式單探頭圖1-2b氣介式雙探頭
固介式：聲波經固體棒或金屬管傳播，經液面發射後再由固體棒傳回接收換能器。這種方法由於由於有一定的侷限性，所以應用的很少。
（3）共振法測量液位的基本原理是通過調節超聲波的頻率，使得探頭和液面之間建立共振狀態，根據共振頻率和介質聲速計算出探頭至液面的距離。如果不知道聲速，也可以利用某一固定距離測量時的共振，兩者比較，計算探頭至液面的距離。
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