密閉容器內(nèi)兩相液體的液位測量

王 萍，劉 堯，萬 凱

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387；2.中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 510006）

密閉容器內(nèi)兩相液體的液位測量

王 萍1，劉 堯1，萬 凱2

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，天津 300387；2.中山大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣州 510006）

以密閉容器內(nèi)油、水液位為檢測對象，設(shè)計(jì)一種基于互相關(guān)算法的超聲波液位測量系統(tǒng).以C8051F120為系統(tǒng)的控制核心，硬件架構(gòu)主要包括超聲波收發(fā)電路、回波信號調(diào)理電路等.采用互相關(guān)算法從強(qiáng)噪聲中提取回波信號，計(jì)算出互相關(guān)函數(shù)峰值所對應(yīng)的渡越時(shí)間，從而測出油、水液位.在上位機(jī)，通過Visual Basic界面調(diào)用Matlab的動態(tài)鏈接庫來實(shí)現(xiàn)互相關(guān)函數(shù)處理噪聲干擾，提高有用信號的識別率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)的測量精度控制在1%左右，并且具有實(shí)現(xiàn)簡單、穩(wěn)定性較高、重復(fù)性好等特點(diǎn).

密閉容器；超聲波；多介質(zhì)液位測量；互相關(guān)算法

在工業(yè)生產(chǎn)中，常常會遇到密閉容器內(nèi)具有高溫、高壓、易燃、強(qiáng)腐蝕性以及有毒等特性的多介質(zhì)液位檢測問題[1].液位檢測技術(shù)有很多種：雷達(dá)法、光纖法等只能用于單介質(zhì)液位的測量；多介質(zhì)液位測量方法中，人工檢尺法需現(xiàn)場接觸式操作且精度不夠，磁致伸縮法造價(jià)昂貴且易被高粘度液體附著失靈，分段電容陣列法制作工藝復(fù)雜、安裝和維護(hù)成本高[2].作為一種非接觸測量技術(shù)，超聲波液位測量技術(shù)以低成本、高精度、穩(wěn)定性好、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛青睞，并且發(fā)展迅速[3-4].但是，超聲波液位測量過程受器件自身和工業(yè)現(xiàn)場等噪聲的干擾比較大，為了準(zhǔn)確獲得超聲波渡越時(shí)間，需對回波信號進(jìn)行處理.強(qiáng)噪聲中提取微弱的回波信號，測量渡越時(shí)間常見的算法有雙閾值法、小波變換法、互相關(guān)法等[5].其中，雙閾值法是基于信號幅度的固定閾值檢測方法，測量誤差會因信號幅度變化而增大；小波變換法適用于低信噪比情況下，但對硬件的采樣率和計(jì)算能力有較高的要求；而互相關(guān)法計(jì)算量不是很大，適用于隨機(jī)干擾和非周期干擾環(huán)境下提取有用信號，弱化噪聲對測量結(jié)果的影響.基于以上分析，本文采用互相關(guān)算法進(jìn)行濾波處理，以達(dá)到所需的液位測量精度[6-7].

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

超聲波換能器選用從SIUI公司定制的收發(fā)一體式探頭1Z12N，其中心頻率為高頻段（1±0.1）MHz，壓電晶片直徑為12 mm，匹配阻抗范圍為60～100 Ω，測量范圍為0.2～3 m.探頭采用外壁貼底安裝方式，安裝在密閉容器外側(cè)底部[8].超聲波油水液位測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 超聲波油水液位測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Ultrasonic oil-water level measurement system structure

圖1中，超聲波油水液位測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖右側(cè)為模擬密閉罐，根據(jù)超聲波渡越時(shí)間法測距原理，水、油的液位高度分別如下：

式中：c1、c2分別為聲波在水、油中的傳播速度；t1為探頭發(fā)射聲波到第一次接收到脈沖回波信號所用的時(shí)間；t2為探頭發(fā)射聲波到第二次接收到脈沖回波信號所用的時(shí)間.

超聲波液位測量系統(tǒng)首先通過高性能單片機(jī)C8051F120發(fā)射占空比為50%的脈沖信號來驅(qū)動探頭，使其發(fā)射超聲波.驅(qū)動電路采用全橋驅(qū)動芯片HIP4080，接收到的回波信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的放大與濾波、TLC5510高速A/D采集電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后送回單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和處理，并采用RS232接口與上位機(jī)通信.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波發(fā)射與接收電路

超聲波發(fā)射與接收電路原理圖如圖2所示.

圖2中，LS1為超聲波換能器，U2為全橋驅(qū)動芯片HIP4080.該驅(qū)動芯片正常工作的溫度范圍達(dá)到-40～ 85℃.通過控制引腳HEN可以使得電流在場效應(yīng)管T2、T4自由翻轉(zhuǎn)，以此來維持T1、T3的關(guān)閉狀態(tài).該芯片可以通過頻率切換的方式使工作頻率可達(dá)到1 MHz.輸入的邏輯門檻電平選用范圍為5～15 V.T1、T2、T3、T4都為N溝道耗盡型場效應(yīng)管，組成高頻H橋網(wǎng)絡(luò). C8051F120通過端口P2.3引腳發(fā)射脈沖信號，控制比較器IN+引腳與IN-引腳的電壓差，以此來控制整個H橋網(wǎng)絡(luò).系統(tǒng)采用4個脈沖信號，3個正脈沖，1個負(fù)脈沖；T2每個脈沖都采用53個延時(shí)NOP指令的高電平，53個NOP指令的低電平.

圖2 超聲波發(fā)射與接收電路Fig.2 Ultrasonic transmitting and receiving circuit

2.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路包括前級放大、有源帶通濾波以及增益調(diào)節(jié)3部分，其原理圖如圖3所示.

圖3 信號調(diào)理電路Fig.3 Signal conditioning circuit

圖3中，超聲波回波前級放大電路采用單運(yùn)算放大器LMH6647（U1）芯片，其最大的特點(diǎn)是輸入輸出端的電壓范圍可以達(dá)到電源電壓，傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器達(dá)不到.S1、S2為2個開關(guān)，直流放大倍數(shù)通過R1與R3來控制.D1和D2組成保護(hù)電路.

有源帶通濾波器由R、C選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成.LM358（U3A）為低功耗雙運(yùn)算放大器，具有頻率補(bǔ)償特性，能夠達(dá)到較高的放大倍數(shù)和較大的工作電流，最大的輸出電壓為芯片工作電壓的1.5倍.芯片的最大直流電壓增益接近100 000，此時(shí)相對應(yīng)的單位增益的帶寬頻率為1 MHz.

由于超聲波在介質(zhì)傳播過程的散射和吸收，會按照指數(shù)規(guī)律衰減.為了提高超聲波測量的精度，必須對超聲波信號提供自動增益補(bǔ)償[9].數(shù)字電位器接入運(yùn)算放大器的正相端，使用單片機(jī)的P4.3、P4.4、P4.5引腳控制數(shù)字電位器ICL7660L（U4）.數(shù)字電位器的輸入端為帶通濾波器的輸出端VAIN，運(yùn)算放大器的輸出端為可由滑動變阻器W1調(diào)節(jié)的電壓信號AIN.從而可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)經(jīng)濾波后的回波信號幅值，使得增益值達(dá)到要求.

整個信號調(diào)理電路總放大倍數(shù)大約為10 000倍，前端放大倍數(shù)為200，帶通濾波器的放大倍數(shù)為5，后端放大倍數(shù)為7～10倍.

2.3 信號A/D轉(zhuǎn)換采集電路

信號A/D轉(zhuǎn)換要集電路如圖4所示.

圖4 信號A/D轉(zhuǎn)換采集電路Fig.4 Signal A/D conversion and acquisition circuit

TLC5510是TI公司開發(fā)的8位高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，能提供的最小采樣速率為20MSPS，在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)保持較低的功耗.圖4中，模擬信號通過引腳AIN采樣，轉(zhuǎn)換為8位數(shù)字信號（D1—D8），系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換后的信號讀入主控芯片，然后進(jìn)行溫度補(bǔ)償和互相關(guān)去噪等處理，計(jì)算出超聲波渡越時(shí)間，從而分別計(jì)算出油、水的液位.在電路中，應(yīng)將VDDA與AGND模擬信號部分和VDDD與DGND數(shù)字信號部分進(jìn)行隔離，采用電容C13、C14、C15、C16去耦，參考信號REFT電壓通過滑動變阻器W2來調(diào)節(jié).

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序主要包括主程序、回波發(fā)送及采集子程序、測溫子程序、串口通信子程序等.主程序流程圖如圖5所示.其中，回波發(fā)射及采集子程序中采用定時(shí)器T0中斷定時(shí)30 μs來避免測量盲區(qū)的影響；串口通信子程序采用查詢方式實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī).

圖5 主程序流程圖Fig.5 Main program flow chart

4 回波信號處理

在多液位測量系統(tǒng)中，由于各種噪聲干擾的存在，使得有用微弱信號很難區(qū)分出來.為了簡化設(shè)計(jì)，提高回波信號的信噪比，利用互相關(guān)算法對信號進(jìn)行濾波處理.同時(shí)，溫度對超聲波傳播速度的影響，采用C8051F120的自帶溫度傳感器進(jìn)行測溫補(bǔ)償[10].

4.1 互相關(guān)檢測濾波原理

對于2個隨機(jī)信號之間的相關(guān)性，在時(shí)間域內(nèi)，采用互相關(guān)函數(shù)來描述相關(guān)性.設(shè)x（t）和y（t）分別為來自各態(tài)歷經(jīng)的平穩(wěn)隨機(jī)過程的一個樣本函數(shù)，它們之間的互相關(guān)Rxy（τ）定義為：

經(jīng)過離散化處理后的固定長度的信號互相關(guān)函數(shù)為：

式中：N為采集信號的離散化的數(shù)據(jù)總數(shù)；Δ為數(shù)據(jù)采集間隔；Rxy（τ）計(jì)算量非常大，計(jì)算精度不是很高，如果需要更高的精度，應(yīng)增加采集密度，減小采樣間隔Δ.

互相關(guān)分析針對2個相類似的信號，這樣才能夠更好地從強(qiáng)噪聲中提取有用的信號.信號互相關(guān)分析可以在固定長度看作信號的卷積，如圖6所示.

圖6 信號互相關(guān)分析仿真Fig.6 Signal cross-correlation analyzing simulation

參考信號采用正弦信號：

待測信號y（t）采用超聲波回波的高斯時(shí)域模型（傳播過程中的信號延時(shí)、衰減、噪聲干擾等已考慮在內(nèi)）：

式中：f0為探頭的中心頻率；τ為發(fā)射信號到達(dá)時(shí)間；α為帶寬因子；反映回波脈沖帶寬；β為幅值系數(shù)；φ為相位；回波特征值向量θ=[f0，τ，α，β，φ].時(shí)域模擬無法達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場的要求，伴隨著各種高頻噪聲干擾，所以通過加高斯白噪聲來模擬.卷積的結(jié)果Rxy（t）存在極大值，此時(shí)所對應(yīng)的時(shí)間為聲波傳播時(shí)間.

在實(shí)際的數(shù)據(jù)互相關(guān)處理過程中，采樣頻率至少要大于10倍的信號頻率，積分區(qū)間范圍應(yīng)包括信號特征的90%以上[11].

4.2 回波信號互相關(guān)處理及結(jié)果

為了縮小開發(fā)周期，采用VB編程語言設(shè)計(jì)上位機(jī)超聲波回波處理界面[12].其中，回波信號互相關(guān)處理部分是通過動態(tài)鏈接庫DLL文件來實(shí)現(xiàn)在VB中直接調(diào)用Matlab自帶的互相關(guān)信號處理函數(shù).

根據(jù)回波波形參考信號仍選擇正弦信號，待測信號則為實(shí)際采集的回波信號.根據(jù)參考信號單周期的采集點(diǎn)數(shù)的不同，所得到互相關(guān)波形也不同，參考信號的選取對去除噪聲有很大的影響，甚至達(dá)不到去除噪聲的作用.由于超聲波中心頻率為1 MHz，故采樣頻率至少選擇為10 MHz，即一個周期內(nèi)采集10個點(diǎn).如圖7所示.

圖7 超聲波回波互相關(guān)波形圖Fig.7 Cross-correlation waveform chart of ultrasonic echo

圖7（a）、（b）分別為一個周期采集10個點(diǎn)、15個點(diǎn)時(shí)超聲波回波互相關(guān)處理前后的波形圖.由圖7可知，一個周期采集15個點(diǎn)時(shí)能更好地去除干擾噪聲，從而分辨出超聲波回波信號的信息.為了控制參考信號的周期數(shù)和采集點(diǎn)數(shù)，在VB界面上采用按鈕控件形式來設(shè)置它.

5 測量結(jié)果分析

實(shí)際的密閉容器高度大概1 m，測試選取2組不同水、油液位，測量結(jié)果如表1所示.

表1 測量結(jié)果Tab.1 Measuring results

由表1中數(shù)據(jù)可知，該液位測量系統(tǒng)的測量相對誤差在1%左右.這是由于印刷電路板制作工藝以及系統(tǒng)延時(shí)的精確補(bǔ)償還是存在一定的誤差；另外，由于采用的是自收自發(fā)式探頭，存在一定的盲區(qū)（0.2 m）干擾，本系統(tǒng)采取延時(shí)采集回波的方法來減小發(fā)射信號余振的影響.要進(jìn)一步減小測量盲區(qū)，則需通過控制發(fā)射功率和尾波信號寬度等措施來減少[13].

6 結(jié)語

針對密閉罐內(nèi)兩相液位的測量，主要是通過C8051F120單片機(jī)完成對超聲波探頭的驅(qū)動和回波信號的采集.為了提高系統(tǒng)測量精度，不僅采用了自動增益補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償措施，而且將互相關(guān)算法應(yīng)用到回波信號的處理中，并在軟件上通過VB界面調(diào)用MATLAB動態(tài)鏈接庫來具體實(shí)現(xiàn)，簡化了硬件電路的設(shè)計(jì).兩組各3次的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水油的測量相對誤差最高分別為1.4%、1.364%.要滿足精度要求非常高的工業(yè)現(xiàn)場的需求，還需進(jìn)一步改善.對于原油儲罐等具有復(fù)雜多介質(zhì)的情況，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理同樣適用.

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Level detection of two-phase liquid in sealed container

WANG Ping1，LIU Yao1，WAN Kai2
（1 School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China；2 School of Information Science and Technology，Sun Yat-sen University，Guangzhou 510006，China）

Liquid level of oil and water in sealed container as detecting object，an ultrasonic level measurement system based on the cross-correlation algorithm is designed.Taking C8051F120 as control kernel，the hardware architecture is mainly composed of ultrasonic transmitting and receiving circuit，weak echo signal conditioning circuit and so on.The echo signal is extracted from strong noise by cross-correlation algorithm.Oil and water level are measured through calculating time of flight in accordance with the peak of cross-correlated function.In the upper computer，the dynamic link library of Matlab is called by Visual Basic interface to realize the pocessing of noise interference and improve the recognition rate of useful signal.The experimental results show that the measurement accuracy of the system can be controlled at around 1%，and the system has the characteristics of simple realization，high stability，good repeatablity，etc.

sealed container；ultrasonic；multi-medium level measuring；cross-correlation algorithm

TP216

A

1671－024X（2015）05－0076－05

10.3969/j.issn.1671-024x.2015.05.016

2015-06-09

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61372011）

王 萍（1961—），女，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樽詣訖z測、計(jì)算機(jī)控制理論及應(yīng)用.E-mail：wangping@tjpu.edu.cn