密闭容器非接触式超声波液位测量仪的研究

    在化工业生产过程中,常需对密闭容器内的液体液位进行精确测量。由于这些液体一般都是易爆、易挥发、强腐蚀及有毒性液体,其液位检测有一定难度^[1],人们曾试图将多种检测法应用到这些液体的液位检测中,但其都有不足,如浮球式、电容式液位计虽操作简单,由于是接触式测量,安装时无法避免液体的挥发。放射性液位计虽安装方便实现非接触测量,但不能对液位进行连续测量,且放射源对人体有害^[2]。超声波外测液位仪从罐外连续、精确测量罐内液体液位高度,完全不接触罐内的气体和液体,可实现液体液位的非接触测量^[3]。

    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。