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超声波液位计声速精度误差分析及校准方法
发布时间:2018-07-02   点击次数:466次
超声波液位计声速精度误差分析及校准方法
由式可知,超声波的传播时间是液位计测量的中间结果,利用超声波液位计测量液位,还需要知道超声波在空气中的传播速度,因此对超声波传播速度取值精度将极大地影响超声波液位计的测量精度。
  
温度补偿
一般情况下,温度是影响声速的主要因素,在正常大气压条件下,声速与温度的关系如下
其中,V0=331.45m/s表示0℃时声速;T表示温度,单位℃。
在工业测量中一般以式近似计算空气中超声波的声速与温度的关系。
  
因此,可以通过在超声波液位计上安装温度传感器实时测量温度,并利用式中给定的温度与声速的关系,方便地换算出声速值。但是,实际上声速又不仅仅受温度影响,还与气体密度、气压、湿度、空气中的悬浮物等诸多因素有关。因此,在实际应用中仅利用测量温度的方法对声速进行标定还有诸多不足,且在温度测量过程中也会存在一定的误差,因此温度补偿方法只适用一般应用,而无法满足高精度测量。
  
实测声速补偿
实践证明,无论是利用何种经验公式和经验数据对声速进行补偿,都会由于测量环境的复杂性和测量方法等原因,引进新的误差。因此利用实测声速的方法进行声速补偿被认为是可靠的补偿方法。
 
在发射探头前端安装一个挡板,挡板与探头形成一个距离固定的声程区间,该结构称之为声程架。当探头发射声波时,该挡板能将一部分声波反射回探头。探头接收到反射波后,计算从发射到接收的时间,利用式计算声速。其中,L为声程架的声程长度;t为声波传播时间。
 
利用实测声速方法进行补偿,由于补偿声波与测量声波传播路径所处的环境极为相似,所受的环境影响也基本一致,其声速通常也较接近,所以这种方法是目前使用精确的声速修正方式。但是在这种方法的使用中,声程架应选用低温度膨胀系数的材料,以免环境温度变化声程架发生热胀冷缩,使声程距离L发生改变,影响实测声速精度。
 
渡越时间误差
声波是纵向振动的弹性机械波,它借助传播介质的分子运动而传播。由于传播介质的吸收、散射和声波的扩散等原因,导致声强、声压和声能减弱,发生声波衰减。并且超声波液位计的测量需要在被测液面上形成一次声波反射,这同样会引起声波的衰减。声波是按传播距离的指数规律衰减的,当液面高度不同时,声波的传输距离也不相同,其接收波的幅度也会有较大差异。

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