1 超声波外测液位仪测量原理
超声波对固体介质具有很强的穿透性,当声波透过容器壁在被测液体、气体中传播时,会在界面处发生反射,根据其穿越固液、气液两个界面的时间差及其在被测液体中的传播速度,可计算出被测液体的液位高度[4-5]。该仪器正是利用这一特性设计而成的,原理如图1所示。将换能器a置于容器底部,当其发射一束超声波到被测容器内,声波传播过程中将在容器底内壁与液体的分界面处产生第一回波,传播到被测液体上表面时,在液体与上方气体的分界面处产生第二回波,回波向下反射由换能器a接收,用计时电路测定声波在2个界面处产生回波的时间差τ,在已知超声波在液体中的传播速度u时,被测液体的液位
传输时间τ可通过时间计数器来测得,即在发射时刻打开计数器的计数门,对一固定频率的方波信号进行计数,在液面回波到来时关闭计数门。设方波频率为f,计数器记得数为N,将T=N/f代入式(1)得
由于超声波在液体中的传播速度受被测液体成分、温度及压力等因素的影响,为保证足够的精度和对液体的适应性,同时避免寻找声速与各影响因素间的复杂关系,采用定距离测定校正的方法。具体的做法是以密闭容器的直径作为参考距离,在容器侧壁沿径向安装换能器b,由换能器b发出一束脉冲超声波,从对面的侧壁上反射回来,被换能器b接收。设该容器直径为D,超声波来回传输的时间为τ0,相应时间计数值为N0,则
实际采用式(5)计算液体液位H。
2 超声波外测液位仪的硬件设计
硬件系统需具有功能如下:
(1)给换能器提供高压发射脉冲并使其发射超声波。
(2)采集回波信号并进行放大、分析和处理。
(3)计算并显示液位。
图2为系统组成原理图。在超声波发射电路中,由多谐振荡电路产生脉冲,同时启动单片机中计数器计数,再经发射电路放大产生足够驱动探头的高压激励使其发射超声波;在接收电路中,放大电路采用多级集成运放,实现了可控增益回波信号的放大;显示电路对动态液面进行自动跟随显示;电源电路负责整个系统的供电,单片机为其整个系统计时、计算并控制显示。
2.1 超声波发射电路
发射电路是该仪器的一个基本组成部分,设计是否合理将直接影响发射声功率和波形的重复性,甚至影响到测量精度[6]。电路如图3所示。采用NE555构成多谐振荡电路产生高频脉冲串,如图4 (a)所示,图4(b)为脉冲串经过R3、C3组成的微分电路,形成了2~7μs的窄脉冲。此脉冲加到场效应管Q2的栅极,在Q2的漏极加600 V高压,源极接地。当开关管断开时,电流将通过限流电阻R7和回路导通电阻R8,对隔直电容C4进行充电,设置隔直电容而不是直接将换能器接到电源电压上是由于压电晶片长期受偏压会损坏,电路稳定时,隔直电容的电压被充到600 V。
开关管在控制脉冲信号的控制下,突然闭合,储能电容C4瞬间放电,在换能器上形成-600 V的高压激励,从而使压电晶片受击振荡产生超声波,产生的波形图如图5所示。电阻R9为阻尼电阻,它的大小决定超声波的发射强度和脉冲宽度。
2.2 超声波接收电路
(1)隔离级 在超声外测液位系统中,由于接收和发射使用同一换能器,因此激励脉冲高压将输入到接收通道,造成在其接收通道输入端输入的信号不仅包含了几十毫伏到1伏的回波信号,且还有600 V的发射脉冲高压信号,如果不能对此信号进行限幅,将损坏接收通道元器件,并使接收通道在激励脉冲后一段时间不能正常接收回波信号引起阻塞,为克服阻塞,采用图6中隔离级所示电路,回波信号首先经由D1、D2、D3、D4组成的二极管限幅电路,以消除窜入电路中的大幅度的脉冲干扰,而从换能器出来的电信号幅度只有几十毫伏到几伏,可不失真地通过。电阻R0是为克服阻塞防止接收输入保护电路将驱动信号钳位,造成换能器不工作。
(2)前置放大和可控增益放大电路 根据系统对信号放大的实际要求、器件的性能和理论分析,设计出一级前置放大和两级可控增益放大的高频可变增益的三级小信号放大器。
第一级前置放大,通常换能器的输出阻抗高,内阻可达108~1010Ω,静态电容为几千皮法,且输出的电压很小,一般为毫伏级,普通的放大器难以与之匹配,采用了高阻抗输入低阻抗输出的放大器AD8011,作为后级放大电路的输入级,减小了放大电路对接收信号的影响。
由于原始电信号幅度较宽,随距离远近变化范围达到数十倍,要求放大器能适应不同幅度的信号,为了在提高信噪比的同时防止信号阻塞,所以必须采用可控增益放大电路。
后两级为可控增益放大,由于AD603是一种高精度、宽频带、低噪声、由电压控制的增益放大器,所以采用它作为主放大器,其显著特点是它的增益可变,并且增益变化的范围也可变,不同的频带宽度决定不同的增益变化范围,频带宽度是由管脚的不同连接决定的。两片AD603采用顺序串联的形式,充分发挥每一片AD603的增益控制功能。2个AD603之间必须使用交流耦合,防止前一放大器输出端的直流偏置电压在最大增益时,使后一级放大器过载。
图7(a)为前置放大电路点A处接收到的回波信号。图7(b)为经3次小信号放大电路后点B处的波形图。经3级放大后将毫伏级的微弱回波信号放大成伏级信号,然后整形成能为单片机辨别的脉冲信号,引起单片机中断停止计数器计时测得时间差,根据式(5),算得被测液体液位高度。
3 超声波外测液位仪的软件设计
整个系统软件功能的实现可分为主程序,子程序和中断服务程序。系统主程序软件框图如图8所示。主程序流程为:系统上电后,首先对各寄存器及I/O口进行初始化,然后开始测量程序,收到回波则取计数器值计算时间间隔,计数5次求其平均值,计算出距离,送显示,延时后返回,再开始测量。
4 实验测试结果
在密闭的玻璃液槽中进行测试,当室内温度恒定为26℃时所得到的数据如表1所示。
5 结束语
用超声波对液位进行测量是目前应用较为普遍的测量技术,尤其是对高温、高压、有毒、放射性等特殊介质液位的测量,更显出其优越性。本设计中在充分考虑发射波和回波信号的复杂性及不稳定性的前提下,设计了硬件电路实现超声外测液位功能,相关实验表明该装置可实现对易挥发、易爆、强腐蚀、有毒、密封环境下的液体液位进行检测。
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本文作者：张记龙 陕云凌
