提高超声波液位计测量精度的研究方法

提高超声波传播时间测量精度是提高超声波液位计测量精度的关键。但要想显着提高超声波的测时精度并不容易：由于超声波在液体介质中的传播的速度一般在1500m／S左右，在进行液位测量时，若要精确到毫米级，则测量时间误差应在微秒范围内；在进行流量测量时，在实测的管道中，流体的流速一般在0~20m／s范围内，所以此时的时间差通常在数纳秒至微秒之间，若要求测量精度在1％以内，则测时分辨率要在0.000000001以上，所以，一般测时方法很难达到。 总结归纳了现存的多种测超声波传播时间的方法，分析了各测时方法在提高测时精度方面存在的缺陷，并在此研究的基础上，根据液位计对测时精度的要求不同提出了两种不同的时间测量方法：1、线性调频技术与超声技术相结合的用于液位测量的测时方法；2、专用于流量测量的频差-相差-时差测时方法。具体研究方法如下： 1、基础性研究 研究了超声波液位计的测量原理，通过对测量原理的研究，更加突出了提高测时精度对提高整个测量精度的重要性。 2、分析了多种现存的超声传播测时方法 研究了门限脉冲法、三传感器法和时差-相差-频差-时差测时方法的测时原理。通过对各种测时方法的分析比较，找出了各测时方法在提高测时精度方面存在的不足与缺陷。 3、直接测相间接测时方案 在传统测时方法的基础上，提出了一种可提高超声波液位计中传播时间测量精度的时间测量方法，即频差一相差一时差法。总结出了这种测时方法的原理，并根据该种测时方法对相位检测精度要求较高的特点，通过实验对两种高精度测相方案进行了比较，确定使用其中一种切实可行的测相方案。 4、实现电路的设计 设计出了利用频差-相差-时差法实现对超声波传播时间测量的完整测时方案。提出将整个设计中的核心部分一相位差的测量利用芯片实现。将一个复杂的电路集成到一个数字芯片中，提高了测量精度，简化了设计电路，减小了系统的体积，提高了系统可靠性。 5、线性调频技术的应用 针对液位测量，提出将线性调频技术应用到超声传播时间测量中的完整方案，设计了实现该方案的系统框图，详细分析了各组成部分的工作原理。最后，对该种方案的测时精度以及影响测时精度的主要因素作了系统分析。