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1、2012.6 China Metrology 中国计量随着电子技术 、计算机技术以及大规模集成电路芯片技术的飞速发展 ，超声测距技术日臻成熟 。 20世纪 90年代初 ， 国内开始将超声测距技术应用于河流 、湖泊 、水渠等水体的水位测量及油 、浆等液体的液位测量 ，并开始发挥重要作用 。超声波液位计可以在不接触测量介质的情况下进行液位测量 ，有效实现流量及处理量的实时监测功能 ， 在液位或流量的自动化测量控制中被广泛使用 。现在绝大多数污水处理单位都采用明渠或堰槽式流量计 （如矩形宽顶堰 、巴歇尔槽等 ），其流量测量是通过几何尺寸获得不同液位所对应的流量大小 。 在这些明渠堰槽流量计的使用中
2、，计量的关键因素就是液位测量 ，超声波液位计在其中扮演着重要的角色 。 通过超声波液位计的数据测量和信号传输 ，实现了实时监控 、远程显示等功能 。一 、液位测量工作原理本文介绍的超声波液位计是非接触式液位测量仪器 ，其工作原理是由超声换能器 （又称超声探头 ）发出高频超声波脉冲遇到被测液面反射回来 ，部分反射回波被同一换能器接收 ，转换成电信号 。 超声波脉冲以声波速度传播 ，从发射到接收再到超声波脉冲所需时间间隔与换能器到被测液面的距离成正比 。 其测量示意图如图 1所示 ，用式 （1）表示为H-h=12vt （1）式中 ：H超声探头到渠底的距离 ；h超声探头到被测液面的距离 ；v超声探头
3、在空气中的传播速度 ；t从探头发射超声波到接收反射波所用时间 。因此 ，只需固定好超声探头 ，测量出探头到渠底的固定高度 ，即可获得液位高度 （H-h）。二 、液位测量影响因素由式 （1）可知 ，在液位超声测量过程中 ，影响液位测量准确性的主要因素是传播时间测量和传播速度测量 ，下面分别对其进行探讨 。1.时间测量准确度超声波发生器主要由电气方式和机械方式产生超声波 。 电气方式包括压电型 、磁致伸缩型和电动型等 ，机械方式主要有压电等 。 目前 ，在液位测量中较为常用的是压电式超声波发生器 。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振工作的 ，它有两个压电晶片和一个共振板 ，当它的两极外
4、加脉冲信号 ，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时 ，压电晶片将会发生共振 ，并带动共振板振动 ，产生超声波 。 反之 ，如果两电极间未外加电压 ，当共振板接收超声波时 ，将压迫压电晶片振动 ，将机械能转换为电信号 ，这时它就成为超声波接收器了 。超声波发生器向某一方向发射超声波 ，在发射的同时开始计时 ，超声波在空气中传播 ，途中碰到障碍液位超声在线测量校准方法的研究徐健 张泽宏图 1 超声波液位测量示意图75中 国计量 China Metrology 2012.6计物立即返回来 ，超声波接收器收到反射波立即停止计时 。 其时间测量主要受超声探头的材料 、声 /电及电 /声转换的效率 、电子计
5、时等因素的影响 。2.传播速度测量准确度超声传播速度与超声发生装置无关 ，只与传播介质的物性 、环境温度及压力等物理性质有关 。 在空气中传播时 ，超声波的传播速度受现场环境 （如温度 、压力 、气体成分等 ）因素影响 。 在这些影响因素中 ，温度变化对声速影响很大 ， 压力对声速的影响可以忽略 。常压下温度的变化对其影响最大 ，如式 （2）所示 。v=v0+0.607T （2）式 中 ：v当前空气中所测得的在线声速 ；v00时空气中的声速 ；T摄氏温度 。三 、超声传播速度在线校准方法由以上液位超声测量原理及影响因素的分析可知 ，要想对超声液位在线测量进行校准 ，需要对在线环境中传播速度测量
6、及时间测量两个因素进行校准 。 通过综合分析设计 ，笔者研制了一简易的试验装置 ， 对超声在线传播速度及超声液位计的时间测量进行校准 。该在线校准装置的设计方案是 ， 制作一个高为2300mm、底面直径为 500mm、壁厚为 3mm的不锈钢圆筒体 ，在筒体直径的两边分别引出波纹管并附装 （02000）mm的游标卡尺 ，准确度为 0.02mm；旁边和底部均配备相应的阀门用于进出水 。 其示意图如图 2所示 。对于现场空气中的超声传播速度 ，其校准方案如下 ：1.首先调整零点 ，调整测量装置中水箱的水位为游标卡尺零位时 ，按超声液位计说明书的要求调整液位计的零位 。2.通过水箱加水 ，当空气高度为
7、 h1时 ，探头采集时间为 t1，则声速 v1为v1=2h1t1（3）此时 ，记录温度传感器温度 T，则通过式 （1）换算成 0下在线测量空气中的声速 ，将该值输入超声液位计二次仪表中 ， 得到在线测量环境下空气中的声速 。在液位超声测量中 ，只需要获得温度传感器采集的数据 ，根据式 （2）得到不同温度下的声速 ，从而达到现场精确测量声速的目的 。四 、时间测量在线校准方法另外 ，该装置还可以对超声液位计的时间测量进行在线校准 。 在三 、2的基础上 ，再向水箱加水 ，当空气高度为 h2时 ，探头采集时间为 t2，则声速 v2为v2=2h2t2（4）比较式 （3）中 v1和式 （4）中 v2的
8、数据 ，按式 （5）进行相对误差 E的计算 。若误差 E超过超声液位计的示值最大允许误差 ，则需要对该超声液位计进行系数调整或相关硬件的维修 。E=v1-v2v2100% （5）五 、结束语本文对超声液位的测量工作原理进行了综合分析 ，对超声液位计现场液位测量的影响因素进行了探讨 ，提出了时间测量准确度和传播速度测量准确度对液位超声测量的影响 ， 并对在线校准方法进行了研究 ，设计了一套简易的在线超声液位校准装置 。 该装置简单易用 ，将装置对现场空气中声速的测量结果输入超声液位计二次仪表 ，同时对液位计的时间测量准确度进行测试 ，获得超声液位计很高的测量准确度 。本文提出的方案并非针对非接触式的超声液位测量 ，对于接触式的超声液位计同样可以用相似的校准方案进行校准 ，其校准原理和校准方法类似 。作者单位 【重庆市计量质量检测研究院 】图 2 在线校准装置76专题流量计量 在 线 检 测PECIAL REPORTS
