超聲波的傳播時間是液位計測量的中間結(jié)果,利用超聲波液位計測量液位,還需要知道超聲波在空氣中的傳播速度,因此對超聲波傳播速度取值精度將極大地影響超聲波液位計的測量精度。那么怎樣才能使得超聲波液位計測量呢？
1.溫度補償
一般情況下,溫度是影響聲速的主要因素,在正常大氣壓條件下,聲速與溫度的關(guān)系如下
其中,V0=331.45m/s表示0℃時聲速;T表示溫度,單位℃。
在工業(yè)測量中一般以式近似計算空氣中超聲波的聲速與溫度的關(guān)系。
因此,可以通過在超聲波液位計上安裝溫度傳感器實時測量溫度,并利用式中給定的溫度與聲速的關(guān)系,方便地換算出聲速值。但是,實際上聲速又不僅僅受溫度影響,還與氣體密度、氣壓、濕度、空氣中的懸浮物等諸多因素有關(guān)。因此,在實際應(yīng)用中僅利用測量溫度的方法對聲速進行標定還有諸多不足,且在溫度測量過程中也會存在一定的誤差,因此溫度補償方法只適用一般應(yīng)用,而無法滿足高精度測量。
2.實測聲速補償
實踐證明,無論是利用何種經(jīng)驗公式和經(jīng)驗數(shù)據(jù)對聲速進行補償,都會由于測量環(huán)境的復(fù)雜性和測量方法等原因,引進新的誤差。因此利用實測聲速的方法進行聲速補償被認為是可靠的補償方法。
在發(fā)射探頭前端安裝一個擋板,擋板與探頭形成一個距離固定的聲程區(qū)間,該結(jié)構(gòu)稱之為聲程架。當探頭發(fā)射聲波時,該擋板能將一部分聲波反射回探頭。探頭接收到反射波后,計算從發(fā)射到接收的時間,利用式計算聲速。其中,L為聲程架的聲程長度;t為聲波傳播時間。
利用實測聲速方法進行補償,由于補償聲波與測量聲波傳播路徑所處的環(huán)境極為相似,所受的環(huán)境影響也基本一致,其聲速通常也較接近,所以這種方法是目前使用的聲速修正方式。但是在這種方法的使用中,聲程架應(yīng)選用低溫度膨脹系數(shù)的材料,以免環(huán)境溫度變化聲程架發(fā)生熱脹冷縮,使聲程距離L發(fā)生改變,影響實測聲速精度。
3.渡越時間誤差
聲波是縱向振動的彈性機械波,它借助傳播介質(zhì)的分子運動而傳播。由于傳播介質(zhì)的吸收、散射和聲波的擴散等原因,導(dǎo)致聲強、聲壓和聲能減弱,發(fā)生聲波衰減。并且超聲波液位計的測量需要在被測液面上形成一次聲波反射,這同樣會引起聲波的衰減。聲波是按傳播距離的指數(shù)規(guī)律衰減的,當液面高度不同時,聲波的傳輸距離也不相同,其接收波的幅度也會有較大差異。
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