关于大量程超声波料位计传播的实际路径及计算算法修正讨论

来源：作者：发布日期：2020-07-01 09:59:40

摘要：随着现代科学技术的不断提升，煤矿、铁矿、造纸、稀土等行业的自动化水平取得飞速发展，能否稳定、准确、智能地测量料位决定着这些行业是否能够向现代化、智能化发展。测量料位的方法有很多，其中超声波料位计采用非接触方式，能够有效避免光线、粉尘、烟雾和电磁干扰的影响。研究和设计精度高、稳定性好、性价比高的超声波液位计是充满挑战性和具有现实意义的课题。考虑到超声波的传播速度受温度的影响较大，推导出带有温度补偿的速度修正计算公式，并应用在软件算法中；为了进一步提高测量精度，本文还详细分析了超声波传播的实际路径并给出了计算公式。

1 速度与温度关系修正

超声波在空气中的传播速度随温度的变化而变化，为了提高超声波测量的准确度，就必须进行温度补偿，校正超声波传播速度。超声波传播速度 v 与相对温度 T 的计算公式如下：

v=331.4+0.607T （1）

在采集环境温度过程中，可以采用以几种方案：

1.1 采用半导体热敏电阻

半导体热敏电阻是一种电阻值随温度变化而改变的电阻，半导体热敏电阻大多数都是采用半导体材料经过特殊的处理工艺制造而成的，大多数半导体热敏电阻是负温度系数，其电阻的大小会随着环境温度的降低而增加。

半导体热敏电阻的阻值受温度的影响较大，是一种非常灵敏的温度传感器。但半导体热敏电阻的线性度较差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。半导体热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。但半导体热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。

半导体热敏电阻采用的原理是温度引起电阻变化。假设半导体热敏电阻内部的电子和空穴的浓度大小为 n 和p，其电子和空穴在材料内部的迁移率分别为 u n 、μ p ，那么该半导体热敏电阻的电导为：

σ=q（nμ n +pμ p ）（2）

由于 n、p、μ n 、μ p 都与温度的大小有一定的关系，因此，当温度变化的时候，半导体热敏电阻的电阻大小也会发生一定的变化，并且这种变化有一定的规律，这就是半导体热敏电阻的工作原理。

将半导体热敏电阻接入电路以后，再将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行 A/D 转换后，接入处理器进行数据的处理，就可以得到环境温度。这种设计需要用到 A/D 转换电路，成本适中，但是非线性太大，使得后续的数据处理比较麻烦，互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50℃-300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。

图 1 是一种比较简单的热敏电阻的温度电压转换电路。

1.2 采用经典的铂电阻

PT100 PT100 的电阻随着温度的变化会发生改变，不同的温度对应不同的电阻值，电阻的重复性和稳定性都较好，在程控制中的应用极其广泛，其缺点是转换电路较为复杂，往往需要采用电桥进行测量，成本较高。

一般对于金属热电阻而言，它的电阻值大小和环境温度可以采用如下公式来进行换算，这个关系是采用了近似处理的，即：

R t =R t0 [1+α（t-t 0 ）]