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上海自動化儀表超聲波液位計的設計與實現(xiàn)

閱讀:587        發(fā)布時間:2016-9-10

 1超聲波原理

  超聲波在空氣中的傳播速度 340m/s,因此,如果能測出超聲波在空氣中的傳播時間,就能算出其傳播的距離。超聲波測量液位,就是通過測定超聲波傳播的時間間隙來測出聲波傳送的距離。具體方法:見圖1。由安裝于被測容器頂部的超聲波探頭向液面發(fā)射一束超聲波,聲波被液面反射后,由探頭接收。控制器測得傳播時間t,根據(jù)聲速v,即可得出液面至探頭的空間距離L。在已經(jīng)探頭至容器底部距離,即安裝高度H的前提下,可得出容器內(nèi)的液位高度h。計算公式為:

 

  H=H-L其中L=v?t/2

 

  另外,由于空氣溫度對聲速有一定的影響,所以還應測出環(huán)境空氣溫度T,以修正聲速。公式為:

 

  v=331.46 0.61?T(℃)

 

 

 

  2超聲波液位計 的主要電路

 

  超聲波液位計 由超聲波探頭,發(fā)射控制與接收處理電路,控制器和顯示等部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。收發(fā)及換能器探頭由壓電式換能器、收發(fā)器及溫度補償電路組成;收發(fā)器包括發(fā)射控制與接收處理電路,主要由超聲波發(fā)射脈寬控制、回波信號檢波、比較、微分、整形等信號處理電路組成;顯示電路采用74LS164LED組成,完成系統(tǒng)參數(shù)及液位高度的顯示;控制器是以80C552單片微機組成的應用系統(tǒng),主要完成按鍵的掃描處理,超聲波的發(fā)射控制,接收回波時間的計算,以及液位的換算等。本文重點介紹為了提高測量精度及減小測量盲區(qū)對超聲波回波檢測 所采取的軟硬件措施。電路如圖3所示。

 

 

 

 

  當超聲波發(fā)射時,發(fā)射波或接收的回波皆可經(jīng)接收回路將信號由In端輸入,通過檢波、放大、比較、微分,在D觸發(fā)器的R端形成尖脈沖。該脈沖信號經(jīng)D觸發(fā)器整形得到一個下跳變的窄脈沖,送到80C552INT端。通過20C552的中斷系統(tǒng)記錄每次中斷時刻,根據(jù)相鄰兩次中斷的時間間隔,也就知道了從發(fā)射至接收到回波這段時間,即超聲波來回傳播的時間,從而可以計算出傳播的距離。

 

3提高測量精度、縮小測量盲區(qū)的措施

 

  本文重點闡述了在利用超聲波檢測 中為提高測量精度以及減小測量盲區(qū)所采取的軟、硬件措施。

 

  在超聲波發(fā)射以及存在較強余振的時候,是不能同時檢測回波的。因此,在距探頭發(fā)射面較近的一定距離內(nèi)不能正常檢測,形成檢測盲區(qū)。一般常見的國內(nèi)外超聲波儀表 盲區(qū)范圍大于0.30m。通過對測量精度以及盲區(qū)形成原因進行具體的分析,得出盲區(qū)的大小主要與發(fā)射波的強弱以及回波檢測的方法有關(guān)。一般情況下,當距離相同時,發(fā)射波強,接收的回波信號就強,但余振也強,盲區(qū)就大。反之,則小。當發(fā)射波強度相同時,檢測距離愈近,接收的回波信號愈強,盲區(qū)愈大。其次,當超聲波探頭向液面發(fā)射一束超聲波后,該波在液面與探頭之間多次反射,使接收回路產(chǎn)生多個回波,在80C552形成一串中斷信號。其中發(fā)射脈沖寬度對測量精度的影響很大,為此,本儀器 在設計時采取以下措施:①自動控制發(fā)射波的強弱以減小檢測盲區(qū)。具體做法是通過測試性的發(fā)射和距離的檢測,使得發(fā)射波的弱強隨檢測距離的變化而變化。②在軟件設計中實施一些特殊的處理方法,郡在記錄回波的時刻中,每次測量連續(xù)記錄四次回波時刻,在計算回波時間時,以zui后兩次的時刻差作為超聲波的傳播時間。這樣處理就避免了發(fā)射脈沖寬度對測量的影響,從而使測量更加準確,并且還可使盲區(qū)zui小減到0.05m

 

  另外,為了防止干擾波及發(fā)射波寬度和多次回波的重疊對測量的影響,本設計在接收回波的電路中,增加了一個電平可變的門限,該電平由80C552PWM脈寬調(diào)制端通過必要的接口電路形成的D/A轉(zhuǎn)換器的輸出提供。門限電平的高低應盡量使產(chǎn)生回波的中斷時刻發(fā)生在靠近回波波形的中心位置,以減小波形寬度對測量時間的影響。

 

  通過上述處理,對于所要求測量范圍 0.20m~8m內(nèi),測量zui大誤差為0.006m,且重復性好由于本文設計的超聲波液位計 ,具有硬件結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠及上述的特點,因此,它不僅可用于化工、電力、石油等行業(yè)的液位測量中,還可以用在其它的測距系統(tǒng)中。

 

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