超聲波液位檢測(cè)儀設(shè)計(jì)

丁瑞昕

廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510641

0 引言

液位檢測(cè)工作屬于常見的一項(xiàng)工作，石油以及化工等企業(yè)會(huì)利用液位檢測(cè)對(duì)存放液體的液位進(jìn)行測(cè)定。該檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)已成為現(xiàn)代化工業(yè)控制中一項(xiàng)重要的技術(shù)手段。因?yàn)閷?shí)際檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)存在不同的安裝環(huán)境，被檢測(cè)的介質(zhì)狀態(tài)以及種類也會(huì)存在較大的差異，使得此項(xiàng)工作具備較大的復(fù)雜性，所以需要與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況結(jié)合，對(duì)檢測(cè)方法進(jìn)行合理選擇。

1 總體設(shè)計(jì)理念

文章研究中所用到的液位檢測(cè)方法，屬于動(dòng)態(tài)測(cè)量。液位檢測(cè)儀的基本組成如圖1所示。

圖1 液位檢測(cè)儀的基本組成

該超聲波液位檢測(cè)儀具有良好的適應(yīng)性，可以廣泛適用于化工、石油、礦山等領(lǐng)域，經(jīng)常需要測(cè)定存放液體的反應(yīng)鍋與貯槽中的實(shí)際液位，而航道、港務(wù)以及水電部門，需要對(duì)其水位情況進(jìn)行測(cè)定。采用該檢測(cè)方法可以避免人為的手工測(cè)量帶來的誤差和人為危險(xiǎn)，從而更方便、更準(zhǔn)確地測(cè)得所需數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

結(jié)合使用的基本要求，設(shè)計(jì)應(yīng)用了超聲波測(cè)距原理，借助89C51單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)加以處理。

（1）超聲波液位測(cè)量儀的核心組成部分為89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)，此部分的主要功能如下：第一，能夠發(fā)出40 kHz的脈沖串，進(jìn)而促使發(fā)射換能器將超聲波發(fā)出；第二，利用定時(shí)器T1，記錄超聲波的實(shí)際傳輸時(shí)間；第三，測(cè)出實(shí)際時(shí)間后，結(jié)合有關(guān)參數(shù)，對(duì)體積及距離等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；第四，對(duì)輸入的參數(shù)與顯示的數(shù)據(jù)加以控制；第五，通過打印輸出結(jié)果，數(shù)據(jù)與上位機(jī)可以實(shí)時(shí)通信。

（2）將采集到的40 kHz脈沖信號(hào)放大至20 V，這是發(fā)射電路的核心功能，要保證發(fā)射傳感器對(duì)于驅(qū)動(dòng)的基本要求。

（3）中斷信號(hào)輸出、電壓比較以及放大等，均屬于超聲波接收電路的主要構(gòu)成部分。當(dāng)接收到回波后，會(huì)將其做出整形以及放大處理，即將回波信號(hào)向中斷信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

2.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)

基于方波（頻率40 kHz，幅度20 V）的驅(qū)使下，超聲波發(fā)射器可以持續(xù)發(fā)出頻率40 kHz的優(yōu)質(zhì)超聲波，如果受到物體的阻礙后，會(huì)有反射，接收器用于接收回波。由于超聲波傳播于相同的介質(zhì)中，傳播速度可以保證一致性。借助單片機(jī)內(nèi)置的定時(shí)器，能夠有效測(cè)定出超聲波發(fā)出至回波信號(hào)接收這一過程所花費(fèi)的時(shí)間。

按照硬件部分設(shè)計(jì)的基本要求，電路部分需要將脈沖信號(hào)放大到40 kHz的幅度，保證20 V即可滿足使用，從而保證滿足發(fā)射器的基本要求。針對(duì)超聲波發(fā)射器的電路設(shè)計(jì)，應(yīng)具備超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換能器，還應(yīng)具備變壓器以及放大電路的作用。

2.3 接收電路設(shè)計(jì)

超聲波接收電路原理如圖2所示。當(dāng)超聲波接收器接收到發(fā)射后的回波信號(hào)后，會(huì)將其轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，經(jīng)過兩級(jí)放大后，通過電壓比較器進(jìn)行對(duì)比，再從其中持續(xù)輸出方波信號(hào)。電路要保證可以對(duì)D觸發(fā)器的時(shí)鐘端加以控制，需要保證從Q端持續(xù)發(fā)送出提前設(shè)置好的低電平進(jìn)入D端口。89C51可以控制中斷器的信號(hào)，保證89C51有效中斷，計(jì)數(shù)器T1計(jì)時(shí)會(huì)停止，同時(shí)通過實(shí)際的計(jì)算分析，可以得出需要的數(shù)據(jù)[1]。

圖2 超聲波接收電路原理圖

從上述分析可得，需要保證接收電路具有多種功能，可以對(duì)超聲波回波信號(hào)加以轉(zhuǎn)換、整形、放大，產(chǎn)生中斷信號(hào)。

接收部分電路包括了2個(gè)放大電路、1個(gè)電壓比較器、1個(gè)D觸發(fā)器。利用TR40-16型超聲波傳感器進(jìn)行超聲波發(fā)射時(shí)，發(fā)射探頭能夠?qū)⒁徊糠致暡ㄖ苯觽鞯浇邮仗筋^，對(duì)回波信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確性造成干擾[2]。

從兩級(jí)放大電路可以看出，全部有運(yùn)放UA741反向電路，可以將信號(hào)放大100倍，從而開展長距離測(cè)量工作。

基于硬件電路的設(shè)計(jì)，可以對(duì)單片機(jī)的回波信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過兩次放大后，對(duì)正弦波的方波加以轉(zhuǎn)換，需要將D觸發(fā)器以及電壓比較電路接入其中，由于輸入頻率較高，達(dá)到了40 kHz，電壓比較器不具備較高的相應(yīng)速度，無法達(dá)到既定的頻響速度，因此選擇集成電路比較器LM311。這一類型的電壓比較器具備較高的適應(yīng)性，響應(yīng)速度可達(dá)200 ns,偏置電流典型值為100 nA，失調(diào)電流典型值為6 nA。供電可通過單電源，也可采用雙電源，該設(shè)計(jì)采用+5 V供電[3]。

3 軟件設(shè)計(jì)

該檢測(cè)儀的軟件部分采用模塊化程序，可以實(shí)現(xiàn)不同功能下的程序編程。采用這種方式，整個(gè)軟件的結(jié)構(gòu)層次可以更加直觀清晰，有利于軟件程序的調(diào)試修改。

軟件部分的設(shè)計(jì)思路：系統(tǒng)完成初始化后，輸入相關(guān)的參數(shù)，然后發(fā)射脈沖串，計(jì)算各類數(shù)據(jù)，如油的容積、深度等，然后加以判斷。各個(gè)鍵可以設(shè)置為不同功能，借助單片機(jī)調(diào)用模塊還可實(shí)現(xiàn)打印、通信等功能。

4 誤差和補(bǔ)償

使用超聲波液位計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，外界條件或系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)存在一些干擾，從而影響測(cè)量的精度。為此，分析了干擾因素并提出改進(jìn)措施。

4.1 溫度

在理想條件下，超聲波在相同介質(zhì)中傳播其速度會(huì)保持恒定。隨著溫度變化，其傳播速度會(huì)有一定的變化。

為此，采用基于溫度測(cè)量補(bǔ)償?shù)姆椒?，借助溫度傳感器?duì)溫度加以測(cè)量，對(duì)聲速進(jìn)行間接補(bǔ)償。單片機(jī)在數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)，要結(jié)合溫度因素，通過輸入?yún)?shù)對(duì)最終結(jié)果加以修正。

4.2 直達(dá)波

實(shí)際測(cè)量過程中，為了更好地滿足測(cè)量需要，超聲波的接收及發(fā)射探頭距離較近。發(fā)射傳感器在發(fā)射超聲波時(shí)，可能發(fā)生接收傳感器會(huì)直接接收到超聲波，即存在直達(dá)波的影響。間波信號(hào)會(huì)帶有這部分信號(hào)，這會(huì)對(duì)回波信號(hào)檢測(cè)產(chǎn)生干擾作用。電路采用模擬開關(guān)4066對(duì)直達(dá)波信號(hào)加以屏蔽，超聲波發(fā)射時(shí)屏蔽接收探頭，切斷接收電路。發(fā)射完成后，將4066接通，接收電路發(fā)揮作用，避免接收傳感器會(huì)直接接收發(fā)射出的聲波。

4.3 傳播距離

通常條件下，超聲波在介質(zhì)傳播時(shí)，其影響因素包括塵埃吸收與空氣熱對(duì)流，回波的幅值會(huì)隨距離的延伸而呈指數(shù)級(jí)的衰減。在實(shí)施遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)，將存在較大誤差，特別會(huì)對(duì)接收波產(chǎn)生較大的影響。檢測(cè)波形起始點(diǎn)存在較大的難度。針對(duì)電路設(shè)計(jì)，借助運(yùn)算放大電路，放大接收信號(hào)，能夠在一定程度上降低影響。

4.4 測(cè)量的隨機(jī)性

干擾信號(hào)具有隨機(jī)性特點(diǎn)，并且作用時(shí)間短，多呈現(xiàn)出毛刺狀，一次測(cè)量結(jié)果，非常有可能會(huì)受到干擾信號(hào)影響，從而使最終獲得的測(cè)量結(jié)果存在較大誤差。為了有效解決干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的不良影響，可以通過求取平均值的方法使結(jié)果更為精確，降低誤差，具體是連續(xù)進(jìn)行5次測(cè)量。對(duì)于結(jié)果的分析要排除最大值與最小值，取得剩余3次的平均值，獲得最終結(jié)果。通過這種方式，能夠有效降低干擾因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的不良影響。

5 結(jié)束語

在液位檢測(cè)儀器的發(fā)展中，基于超聲波的液位計(jì)具有良好的應(yīng)用前景。此類為非接觸型液位計(jì)，其價(jià)格適中，使用方便，可以保證高精度。文章針對(duì)超聲波液位監(jiān)測(cè)儀硬件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制作，并且進(jìn)行了軟件編程，通過試運(yùn)行，取得了滿意的效果。最后，對(duì)測(cè)量誤差加以分析，制訂了降低誤差的有效措施，以保證測(cè)量結(jié)果更加精確。