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如何提高超聲波液位計(jì)的測量精度

來源:銘宇儀表(淮安)有限公司   2016年12月23日 08:39  

如何提高超聲波液位計(jì)的測量精度:

 

  1.超聲波原理

  超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,因此,如果能測出超聲波在空氣中的傳播時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)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(yīng)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(jì)的主要電路

  超聲波液位計(jì)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(bǔ)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(hào)檢波、比較、微分、整形等信號(hào)處理電路組成;顯示電路采用74LS164和LED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(jī)組成的應(yīng)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(shí)間的計(jì)算,以及液位的換算等。本文重點(diǎn)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(dāng)超聲波發(fā)射時(shí),發(fā)射波或接收的回波皆可經(jīng)接收回路將信號(hào)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(hào)經(jīng)D觸發(fā)器整形得到一個(gè)下跳變的窄脈沖,送到80C552的INT端。通過20C552的中斷系統(tǒng)記錄每次中斷時(shí)刻,根據(jù)相鄰兩次中斷的時(shí)間間隔,也就知道了從發(fā)射至接收到回波這段時(shí)間,即超聲波來回傳播的時(shí)間,從而可以計(jì)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(diǎn)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(qiáng)余振的時(shí)候,是不能同時(shí)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(jìn)行具體的分析,得出盲區(qū)的大小主要與發(fā)射波的強(qiáng)弱以及回波檢測的方法有關(guān)。一般情況下,當(dāng)距離相同時(shí),發(fā)射波強(qiáng),接收的回波信號(hào)就強(qiáng),但余振也強(qiáng),盲區(qū)就大。反之,則小。當(dāng)發(fā)射波強(qiáng)度相同時(shí),檢測距離愈近,接收的回波信號(hào)愈強(qiáng),盲區(qū)愈大。其次,當(dāng)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(gè)回波,在80C552形成一串中斷信號(hào)。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(shè)計(jì)時(shí)采取以下措施:①自動(dòng)控制發(fā)射波的強(qiáng)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(qiáng)隨檢測距離的變化而變化。②在軟件設(shè)計(jì)中實(shí)施一些殊的處理方法,郡在記錄回波的時(shí)刻中,每次測量連續(xù)記錄四次回波時(shí)刻,在計(jì)算回波時(shí)間時(shí),以z后兩次的時(shí)刻差作為超聲波的傳播時(shí)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(zhǔn)確,并且還可使盲區(qū)z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(shè)計(jì)在接收回波的電路中,增加了一個(gè)電平可變的門限,該電平由80C552的PWM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(yīng)盡量使產(chǎn)生回波的中斷時(shí)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(shí)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z大誤差為0.006m,且重復(fù)性好由于本文設(shè)計(jì)的超聲波液位計(jì),具有硬件結(jié)構(gòu)簡單,工作可靠及上述的點(diǎn),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。

 

擴(kuò)展閱讀:銘宇自控液位計(jì)

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