智能超声波物位仪的研究

　　1　引　　言

　　物位检测技术在现代化工业控制中占有重要地位。由于现场具体的安装环境不同,被测介质种类、状态不同,情况异常复杂,因此必须根据具体的现场工况,合理地选择物位检测的方法和产品。由于超声波物位计能够实现非接触测量,测量范围宽,并且测量不受介质密度、介电常数、导电性的影响,将超声探测技术用于物位的检测具有很大的现实意义和广阔的应用前　　景[1]。但由于超声波在介质中传播的往返时间难于精确测量,温度对声速有一定的影响等原因,使超声波物位测量的精度受到了很大影响,限制了其应用,文中设计了一种以单片机为核心的高精度、智能化超声波物位仪。

　　2　物位仪系统

　　超声连续测量物位通常采用脉冲回波式的方法:超声波换能器发射的超声脉冲在介质中传播,在被测介质上被反射,返回接收换能器。测量该超声脉冲从发射到接收所需的时间,根据介质中的声速,即可得到物位高度。设探测超声波从换能器至液面再返回换能器所用的时间为t,容器高H,超声波传播速度c,则待测物位高度h=H-ct/2。

　　由超声物位检测原理设计的超声波物位仪系统组成如图1所示。单片机控制发射电路产生超声波信号,回波信号被中心频率为40kHz的接收探头接收并转化成电信号,该信号经过滤波、放大后送入比较电路,比较器的输出使触发器产生复位,产生单片机AT89C52的中断信号,在中断服务程序中计算超声波传播时间t并计算出有关数据。

　　2.1　超声收发电路

　　接收信号的大小和好坏直接取决于发射信号,由于传播距离的要求,发射电路的功率必须足够大,该系统选用的T/R40-16超声波传感器在频率为40kHz、幅值为20V的电压驱动下各种性能最佳,故用大功率的CMOS管IRF640来驱动发射器。在接收电路中,当物位高度变化很大时,回波信号的强弱会有很大差别,因此采用了程控放大电路,使对于不同物位的回波信号都能得到合适的放大。其利用AD603作为第三级放大器,并利用其增益的可变性,根据液面的高度,通过DAC的输出电压来控制AD603的增益设置,实现对不同物位回波信号的不同放大,在整个量程范围内均得到良好的测量效果。

　　2.2　温度的影响及补偿

　　声速随温度变化的规律为:c≈331.45+0.6t,在室温下,温度变化一度,超声波速度就变化0.6m/s,必须采取一定措施减小或消除这种温度变化产生的系统误差。常用声速补偿的方法[2]如下:声速实测补偿、参考声程补偿、温度实测补偿。该系统采用的是通过实测温度进行声速补偿的方法,在物位仪系统增设一温度检测通道,感温元件采用集成温度传感器AD590。将超声　　波换能器与温度传感器有机地融为一体,单片机根据温度传感器检测的温度数据查询相应的声速修正数据,从而实现液位的准确测量,获得了满意的效果。