采用超声波液位计进行液位检测的设计方案交流分享

 1 合理采用门阀设计，减小盲区众所周知，使用超声波液位计测距的原理主要是检测回波与发射波之间时间差Δt，即：Δt = tn-tn-1

 其中：t0为发射波或称始波触发计时器时间；tn为各回波触发计时器时间。如图1所示。

 图1 超声检测波形示意图如图1所示，在实际检测的过程中，我们可以发现，在始波附近，存在大量的干扰波，主要是由于容器壁的多次反射形成的干扰。

 当被测液体高度比较低时，可能会造成多个超声波液位计回波湮没在始波附近的干扰波中，而且不容易识别出有效的回波信号tn来。合理有效的门阀t的设置，就很好的解决了这一问题。在整个系统设计的过程中，我们设计的是每40ms发射一个始波。通过大量的实验检测，***后我们把门限设置为2ms。也就是说当始波触发计时器后，计时器自动关闭2ms，然后打开计时器，开始接收回波。这里需要注意的是，由于容器内液体的多少是未知的，也就是说，此时测得的***个回波t1，不一定是真实的***个回波，因为当液位比较低的时候，前几个回波很可能被门阀给过滤掉了。此时就需要比较回波时间差Δtn了，Δtn = tn-tn-1 。当前后两个Δt1和Δt2相差在一定范围内，则可认为t1为***个回波，此时Δt可以取其中任一个。否则Δt只能取Δt2。当液位比较高时，系统在一个检测周期内可能只能检测到一个回波，此时的t1必然是***个回波。

 由于受系统及其他软硬件条件所限，我们这个系统的检测盲区大概在5ms左右。

 2 定标模块，去除温度、介质等影响

众所周知，温度对超声波液位计的超声波在介质中传播速度有较大影响。一般来说，温度越高，超声波在介质中的传播速度越快。例如，超声波在空气中的传播速度可以表示为：C=331+0.6T。其中T为环境温度。也就是说在空气中温度每上升1°，超声波的传播速度都要增加0.6m/s。实验证明，在固体和液体介质中，超声波传播亦是如此。不同的介质中，超声波的传播速度也是不相同的。比如实验测得的结果表明，在汽油中，超声波的传播速度大约在1300m/s上下，而在水中则在1400m/s左右。计时器1μs就会产生超过1个毫米的误差。

 从上面的表述中可以看出，温度和介质对超声波液位计测量结果影响也是很大的。考虑到即使是同一介质，其浓度和温度等因素对结果影响也是不可忽视的。正式由于诸多复杂的原因存在，并没有哪个**机构能够给出超声波在每种介质中的具体传播速度数值。正所谓缪之毫厘差之千里。为此，我们另辟蹊径，设计了一个定标模块。如图2所示。

 该定标模块为一中空的圆柱体结构，其内部底部距离上顶部外延高度设计为10cm，设计误差为±10μm（受工艺所限，精度无法更高了）。其思路为，当我们需要测量某一容器内液位时，取与该容器内液体注满定标模块。打开液位检测仪，首先测量该模块，由于高度已知，可比较**的测得在当前环境下该液体的速度值。然后再用此速度值去测量密闭容器的液位。

 此方法看似笨拙繁琐，但在实际应用中我们可以看到，通过这一定标模块的方法，基本消除了温度和介质的影响，大大地提高了检测精度和准确度。3 软件处理，进一步提高**度做系统设计的人都知道，有些误差因素是系统固有的，是无法通过硬件的改进来消除的。但在系统的软件设计过程中，我们可以通过一定的方法和算法进一步降低误差。方法之一就是对测得的数据进行进一步判断、求均值。首先是判断。从图1的波形所示来看，在一定的距离内（我们这套系统大约在1m），回波是能够接收到两个或两个以上的回波的。如果回波超过两个，我们就取***和第二个的差值和第二个和第三个的差值作比较判断并取均值备用。如果回波只有两个，则取第二个差值做备用。如果只有一个回波，那就没的选择了。

 其次求均值。我们采取的每40ms发射一个发射波，也就是说，超声波液位计系统是每40ms测量一次数据，我们采取的方法并不是每组数据直接送显，而是采用每测得20组数据送显一次。在取得20组数据后，系统首先去除两个较大的值，再去除两个较小的值，然后把余下的16组数据求均值，然后送显示器显示。至于为什么是16组，搞过单片机的都知道。软件处理方法之二是主动消除固有偏差。表1所示为对高度约为90cm的液位进行多次测量。

 通过以上测量结果来看，整体测量值比实际值大约偏高0.5cm，因此，在大约距离为1米左右时，我们通过把测得的数据均主动减去0.5cm。这样，显示的结果与实际值就比较接近了。

软件处理的方法之三就是注意细节处理。例如像前面所提到的通过定标模块进行定标时，会得到一个速度值，这个值会给后面的程序进行计算时使用。我们在实际的操作中虽然在定标时显示了具体的速度值，但在后面实际计算时，并没有直接用这个值，而是把测得的被除数和除数分别存储起来，在具体计算时，采用的是乘以被除数，再除以除数。这样在一定程度上又进一步减少了计算误差。

 4 结束语

本文着重介绍一些在具体使用超声波液位计测量液位的过程中，分析了测距过程中误差的产生及减小误差的方法。实践证明,采用这些方法将大大减小测量误差,提高测量的准确度。