一種基于超聲測距技術的超聲液位儀設計*

劉 赟， 王 波， 劉智超

(1.長春理工大學 光電信息學院,吉林 長春 130000;2.長春禹衡光學有限公司,吉林 長春 130000)

0 引 言

在石油、化工等領域常常需要對密閉容器(例如油罐等)中的液體液位進行測量，而國內外傳統(tǒng)的液位測量手段大部分是機械式檢測[1]。對于液體液位的檢測而言，有很多種檢測手段，如，人工檢尺、浮子液位儀、磁致伸縮液位儀、雷達液位儀、激光液位儀、光纖液位儀以及超聲液位儀等。人工檢測、磁致伸縮液位儀、光纖液位儀都需要接觸測量，不適合密閉容器；激光液位儀可非接觸測量，但密閉容器中采用光學探頭容易受污染，影響測量；浮子液位儀可以應用于密閉容器，但液面波動易造成誤差且只可用于非腐蝕性液體；雷達液位儀精度高、可用于密閉容器檢測，但系統(tǒng)結構復雜，價格昂貴；相比之下，超聲液位儀成本低、易于實現(xiàn)，設計開發(fā)針對密閉容器的超聲檢測系統(tǒng)具有很強的實用意義[2,3]。

國外在液位檢測方面技術已經(jīng)非常成熟了，不但品種多而且性能優(yōu)越。具有國際領先地位的該類傳感系統(tǒng)有：如美國Karonic公司的Sonometer系列超聲液位儀，具有高精度、連續(xù)測量、耗能低等特性[4]；德國E H公司的Proso-nic MFMU系列超聲液位儀，采用整機一體化設計，非接觸連續(xù)液位檢測，還具有對漿料、粗料的檢測能力[5]；加拿大Siemens公司的ML系列，具有測量速度快、體積小、便攜性高等優(yōu)點[6]。國內在超聲液位檢測領域具有獨立知識產權的產品也有不少，如,中科院聲學研究所開發(fā)的KS系列是具有較強檢測能力的液位檢測系統(tǒng)[7]；西安華舜公司的HS系列超聲液位儀，精度高，其誤差約為0.1 %；沈陽沈拓公司自行研發(fā)的USS系列超聲液位儀；大連西格瑪公司的Seagma系列超聲液位儀具有一體化、便攜式的設備特性[8]。本文研究開發(fā)的是一種應用于密閉容器的非接觸式超聲液位檢測系統(tǒng)，樣機預期技術指標滿足檢測精度1 mm，測量范圍0.01～2 m的性能。

1 基本原理

對于密閉容器內液體液位高度的檢測而言具有一定的特殊性，共振、頻差、衰減等方法均受到一定限制，只有回波法比較適用。超聲波是超過人聽覺最大頻率的聲波，一般高于20 kHz。超聲波對固體而言有很強的穿透性，當超聲波穿過容器壁后在被測液體中傳播時，出射液體時會在界面處產生回波，當被測液體已知時就可求解液體液位，檢測原理如圖1(a)所示。

換能器產生超聲波，由容器底部發(fā)射，遇到容器壁時產生第一回波(如圖1(b))，在被測液體中傳播一段后出射液體，此時由于液體與空氣的界面而產生第二回波。兩回波的時間差用Δt表示，若超聲波在液體中的傳播速度為v，則被測液體液位有

(1)

由式(1)可以看出，當已知超聲波在被測液體中速度時，只要求出2次回波信號的時間差Δt，就可以計算得到液體的液位。可以采用換能器與計數(shù)器相連的方法，在發(fā)射超聲波時開啟計數(shù)器，設計數(shù)器頻率為f，兩回波之間計數(shù)為N，則有被測液體液位有

(2)

圖1 超聲波檢測液體液位結構與信號示意圖

2 超聲波液位檢測系統(tǒng)設計

系統(tǒng)總體設計如圖2所示，由2個換能器采集超聲波，發(fā)射、接收模塊傳輸數(shù)據(jù)，通過數(shù)字信號處理器(DSP)處理回波信號，最終顯示。由于超聲波在液體中傳輸時受液體種類、溫度、壓強等因素影響，從而速度有所變化，為了保證系統(tǒng)可以實現(xiàn)高精度測量，避免引入由于環(huán)境因素不同而使傳播速度改變造成的誤差。系統(tǒng)設計了2個超聲檢測裝置，其中,換能器1用于檢測液體液位，而換能器2用于提供當前條件下液體內超聲波的傳播速度。因為換能器2發(fā)射的方向上l距離內都是液體，所以,超聲波在液體中的傳播速度等于距離l除以2次回波的時間差Δt2，則有

(3)

其中，l為容器的已知距離； Δt1，Δt2分別為換能器1，2接收到的2次回波信號差；N1，N2分別為換能器1，2對應的計數(shù)器的計數(shù)值；f為計數(shù)器頻率。在本設計中，即使由于液體溫度、壓強等變化而導致超聲波在液體中傳播速度發(fā)生改變，由式(3)可知，并不影響系統(tǒng)的測量精度，保障了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性。

圖2 密閉容器內超聲波液位檢測系統(tǒng)結構圖

3 換能器的選擇

對于采用超聲波作為探測波的系統(tǒng)而言，換能器的選擇常常決定了系統(tǒng)的工作性能和測試效果。換能器本身根據(jù)超聲波在介質中的各種效應、特性等設計的，以電聲換能器最多。發(fā)射時，通過高壓電脈沖作用將電能變換為機械能，進而變換為聲能。接收時，將相應的聲能轉換成電能。

設發(fā)射換能器的工作面積是S，發(fā)射頻率是f，發(fā)射波長是λ，則系統(tǒng)指向性增益可得

(4)

而超聲波在液體中的吸收值有

α=(k1+k2f)f.

(5)

其中，k1，k2分別為散射、吸收衰減系數(shù)。由式(4)可知，超聲波的頻率越低指向性越差，頻率越高指向性越好。但由式(5)可知，超聲波的頻率越高，被吸收的能量越大，頻率越低，被吸收的能量越小。故本系統(tǒng)對頻率的選擇需要綜合考慮，采用計算系統(tǒng)接收靈敏度的方法。

設換能器產生超聲波的功率為P0，而超聲波回波的功率為Pt，檢測距離為h，則有能量方程

(6)

由式(5)可得

(7)

將式(7)代入式(6)后，對λ求偏微分有

(8)

當靈敏度取最大時，偏導數(shù)為0，則波長有

(9)

再將此時的吸收值帶入式(8)，可求出最佳頻率有

(10)

以常溫下水為例，取k1=3.0×10-8Np/m·s/kHz，k2=1.5×10-4Np/m·s2/kHz2，而密閉容器總長距離h約為2 m，換能器工作面半徑1 cm，則對應頻率選擇為3.0 MHz,可以較好地滿足指向性與檢測靈敏度的要求。

4 實 驗

在常溫常壓條件下，用帶標準刻線的容器裝入水。實驗用超聲探頭頻率為3.0 MHz，密閉容器的壁厚為4 mm，用100 cm范圍內，每改變100 mm的水位檢測數(shù)據(jù)與標準液位變化值作對比。每組測試數(shù)據(jù)采集3次求平均值；再計算出測試數(shù)據(jù)與標準值的相對誤差，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 超聲水位液位檢測數(shù)據(jù)表

通過表1的實驗數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)的超聲液位檢測結果個別測試數(shù)據(jù)超出了1 mm的檢測精度，但是通過3次采集求平均的方法可以彌補由于外界干擾等造成的測量誤差。最終，檢測均值與標準液位值之間的差均小于1 mm，相對誤差全部低于0.5 %，符合設計要求。

5 結 論

本文設計了一種用于密閉容器內的液體液位超聲檢測系統(tǒng)，在分析計算超聲回波能量的基礎上，采用DSP控制電路，搭建了低噪聲、大動態(tài)范圍的檢測電路。實驗在10～100 cm范圍內液位每10 cm變化一次，系統(tǒng)多次采集求平均值，平均值與標準值之差小于1 mm，相對誤差均小于0.5 %,符合設計要求。本系統(tǒng)可以對密閉容器內液體液位進行檢測，具有精度高、速度快的特點。

參考文獻:

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