鐵路油罐車液位高度測量系統設計方案

李建華 上海鐵路局科研所

1 設計要求

目前常見的各種油料儲運設備本身基本上都沒有自身液位測量或顯示系統，特別是一些小型油料儲運設備如油罐車，一般都通過手動或爬壁機器人在外壁上下移動進行檢測，來確定液面分界處。這樣的檢測不但精度差，而且成本高，既耗時又耗力。

要求設計一種適合于小型液體儲運設備（油罐直徑約為3 m，油罐壁厚8~10 mm）的液位檢測系統，實現非開蓋式測量，并具有操作簡單、使用方便、便于攜帶、檢測精度高（誤差10 mm以內）、性能穩定、實用性強、價格低等特點。

2 系統總體設計

系統基本結構見圖1。

圖1 系統組成框圖

系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成。硬件主要包括超聲波檢測器、以CPU為核心的控制與處理系統、顯示接口電路等部分；軟件主要包括系統初始化模塊、超聲波驅動模塊、信號處理模塊和顯示模塊。

系統的組成如圖1所示，主要由超聲波檢測器(包括超聲波探頭與超聲波收發電路)及以CPU為核心的信號控制與處理電路組成。超聲波檢測器的主要功能是在單片機控制下發射用于檢測的超聲波信號，同時接受回波反射信號并送信號處理電路；信號控制與處理系統的功能則主要是控制發射信號和處理、分析回波信號。

3 測量原理

本系統主要采用超聲檢測技術和微機處理技術相結合的方式來設計一種能夠自動對密閉容器(貯罐)中液體的液位進行自動測量的儀器。同時，儀器能夠記錄并顯示相應的處理結果。測量方法如圖2所示，將超聲波探頭置于被測密閉罐狀容器底部，并且盡量使其與液面垂直。

圖2 測量原理示意圖

超聲波對固體介質具有很強的穿透性，當聲波透過容器壁在被測液體、氣體中傳播時，會在界面處發生反射，根據其穿越固液、氣液兩個界面的時間差及其在被測液體中的傳播速度，可計算出被測液體的液位高度。該儀器正是利用這一特性設計而成的。

將換能器置于容器底部，當其發射一束超聲波到被測容器內，聲波傳播過程中將在容器底內壁與液體的分界面處產生第一回波，傳播到被測液體上表面時，在液體與上方氣體的分界面處產生第二回波，回波向下反射由換能器接收，用計時電路測定聲波在2個界面處產生回波的時間差t，在已知超聲波在液體中的傳播速度u時，被測液體的液位：

傳輸時間t可通過時間計數器來測得，即在發射時刻打開計數器的計數門，對一固定頻率的方波信號進行計數，在液面回波到來時關閉計數門。設方波頻率為f，計數器計數為N，將T=N/f代入式（ 1）得

4 方案可行性的實驗測試

實驗條件：一臺相控超聲設備，激發電壓80 V，超聲探頭發出的超聲波頻率為1.5 MHz。用以實驗的模擬油罐，近似正方形，高為1.2 m~1.3 m，外壁材料為有機玻璃（跟鋼有一定的相似），壁厚約為12 mm，內注有水，液位高度約為1.05 m。

按前面所述測量原理進行初步驗證，測量結果如圖3所示。

圖3 檢測回波的A掃圖

實驗結果：如圖3所示，采樣率為25 MHz，信號放大了70 dB，即3000多倍之后，發現了液體與罐中空氣分界面上的第一次反射回波，相對比較明顯。由于水的成分不純，而且有機玻璃分為很多種，其實驗中所用的玻璃具體參數未知且厚度測量困難，造成誤差來源非常多，計算所得液面高度的誤差約為幾厘米。

實驗結論：實際要求中，油罐外壁材質及厚度不同，罐內液體成分不同，特別對于高粘性油，其聲衰減大，效果會更差一些。但是通過降低超聲波頻率來減小衰減系數，同時，提高激發電壓來增強信號的能量，實際中液體與罐中空氣分界面上的第一次反射回波還是能被檢測到的。

5 技術瓶頸及解決方案

5.1 反射波強信號的干擾

超聲波穿透容器壁與液體的分界面時，大部分的能量都反射回超聲傳感器，這部分強信號將造成電路的不穩定，并可能降低器件壽命。

解決該問題，主要采取以下措施：由于油罐外壁厚度已知，可計算出超聲波在容器壁與液體的分界面上第一個反射回波強信號的接收時間。設計開關電路，利用CPU控制開關閉合的延時時間，使最初的反射波強信號接收過后，再閉合開關，以濾過該強信號，避免對電路造成不良影響。

5.2 回波信號的選擇

接收到的回波信號中不僅包括超聲波在容器壁與液體的分界面上的反射波，在液體與罐中空氣的分界面上的反射波，還包括其分別的多次回波及噪聲信號。從這些雜亂的信號中選取我們需要的目標信號，即液體與罐中空氣分界面上的第一次反射波，就會變得很困難。

解決該問題，主要采取以下措施：由于油罐外壁厚度已知，可計算出第一個反射回波強信號及其多次回波的信號位置，利用CPU控制，將這些可預知的信號濾掉。這時，剩余的只有超聲波在液體與罐中空氣的分界面上的反射波及其多次回波，以及噪聲信號，從而降低了難度。我們從中選取強度最高的一個回波信號即為目標回波，也就是液體與罐中空氣分界面上的第一次反射波，并可通過后面其多次回波的位置來驗證我們的選擇是否正確。

5.3 目標回波信號的衰減

在測量過程中目標回波信號的衰減來自兩方面。一是超聲波兩次穿透容器壁與液體的分界面時的衰減；二是在傳輸過程中，即在容器壁及油中傳輸時的能量衰減。

首先考慮第一部分，設Z1為鋼板的聲阻抗，Z2為液體的聲阻抗，則總聲強的透射系數為：

鋼板的聲阻抗約為 4.53×106，油的聲阻抗約為 0.128×106。鋼板與液體的分界面聲能的總透射衰減為:

即在不考慮傳輸衰減時，發射的聲能中僅有1.15%的能量可以從液面返回到超聲傳感器。

其次考慮第二部分，超聲波的衰減系數與頻率正相關。一般探測頻率下，材料的衰減系數在1~100×0.001dB/mm，水及其它衰減材料的衰減系數為1~4×10-3dB/mm。當頻率為1 MHz時，由于油罐外壁材料具體屬性未知，暫以普通鋼為例計算，大約取50×10-3dB/mm，油中衰減系數為0.01 dB/mm。當油罐外壁厚10 mm，液面高度為2 m時，衰減為20.5 dB，約衰減90%。

綜上所述，發射的聲能中僅有約0.115%的能量可以從液面返回到超聲傳感器。所以實際換能器接收到的目標回波聲信號是很弱的，因此要求測量裝置有較高的靈敏度。

解決弱信號的接收放大問題，主要采取以下措施：（1）選擇合適的超聲頻率，減小聲能在液體中的傳輸衰減。這需綜合考慮測量精度、測量范圍等問題，初步選定頻率為500 kHz～1MHz的超聲探頭；（2）選用接收靈敏度高的壓電材料制作換能器，并采用30 mm直徑的晶片，以加大發射功率和提高信噪比；（3）對目標回波信號進行放大，可通過放大電路對選取的弱信號進行放大，放大倍數可根據實驗做出調整，甚至可達幾千倍，以獲得最好效果。

5.4 目標回波信號的分析

通過以上方案的實施，可以解決鐵路油罐車實現外部測量的技術方法，為鐵路運輸安全提供測量保證。