基于超聲回波分析的太陽能熱水器液位檢測設計

孫晨磊

(青島市產品質量監督檢驗研究院，山東 青島 266071 )

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基于超聲回波分析的太陽能熱水器液位檢測設計

孫晨磊

(青島市產品質量監督檢驗研究院，山東 青島 266071 )

當前的太陽能熱水器液位檢測方法采用人工檢尺法和浮子測量裝置方法，智能性不好，檢測精度不高，提出一種基于超聲回波分析的太陽能熱水器液位檢測方法，分析了超聲回波進行液位檢測的工作原理，進行液位檢測系統的總體模型設計，由于液位分布介質層的主頻分離性，對主頻信號和其它信息進行分離，采用FIR橫向結構濾波器，根據誤差最小準則進行液位檢測過程中的自適應噪聲抵消和自適應控制處理，進行抗干擾處理，然后進行了太陽能液位檢測系統的硬件電路設計，并進行太陽能熱水器液位檢測傳感器的優化配置。仿真結果表明，采用該方法能夠準確判斷出液面位置，有效提高太陽能熱水器的液位檢測性能， 實現對熱水器的狀態實時監測和控制。

太陽能熱水器；液位監測；超聲回波

太陽能熱水器是將太陽光能轉化為熱能的加熱和保溫系統，將水從常溫加熱到高溫，為人們的生活和生產提供便利的熱水資源，太陽能熱水器多種儲存熱水的容器采用的是保溫水箱儲存，保溫水箱采用的是不銹鋼、搪瓷等材質，外殼一般為彩鋼板、鍍鋁鋅板，水箱的粘附性隱形液位進行準確檢測成為提高熱水器控制精度，保障太陽能熱水器穩定可靠工作的關鍵。因此，研究太陽能熱水器的液位檢測方法具有重要意義，同時，液位檢測而今也廣泛應用在石油化工、罐體物流運輸、船舶、冶金等行業，通過對存儲容器中液位的準確檢測和控制，可以實現自動高低位報警、人工智能控制等目的[1]。

在太陽能熱水器的維護和故障檢測等領域，通過液位準確檢測，提高太陽能熱水器的故障分析和實時監測能力，傳統方法中，對太陽能熱水器的液位檢測方法主要分為接觸型和非接觸型兩大類，接觸型測量儀表主要有人工檢尺法、浮子測量裝置方法等，非接觸型的太陽能熱水器液位測量方式主要有微波雷達、射線及激光等[2-3]。其中，紅外探測技術易受到太陽光等光線因素的影響，對光具有敏感性[4]；文獻[5]采用激光測量發射傳感器方法進行太陽能熱水器的液位檢測，由于鋼和空氣的聲阻抗差異非常大，激光測量發射傳感器方法在液位檢測中的誤差難以得到有效控制，性能不好；文獻[6]采用的是視頻法進行太陽能熱水器的液位檢測，視頻法實現較為簡單，但在復雜條件下對太陽能熱水器的高溫液體下視頻探頭無法正常工作；而聲信號測量方法在進行太陽能熱水器液位檢測時，易受噪聲干擾，如果沒有一種有效和噪聲抵消算法，將對探測性能造成嚴重影響。針對上述問題，本文提出一種基于超聲回波分析的太陽能熱水器液位檢測方法，首先分析了超聲回波進行液位檢測的工作原理，進行液位檢測系統的總體模型設計，由于液位分布介質層的主頻分離性，需要對主頻信號和其它信息進行分離，采用最常用的FIR橫向結構濾波器，根據誤差最小準則進行液位檢測過程中的自適應噪聲抵消和自適應控制處理，提高檢測精度，最后進行了太陽能液位檢測系統的硬件電路設計，仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文方法在實現太陽能熱水器液位檢測，提高檢測精度方面的有效性能，得出可行性結論。

1 基于超聲回波分析的太陽能熱水器液位檢測原理

隨著1984年第一臺冶金液位檢測器的誕生液位檢測在冶金等領域取得了較大的發展，同時也進一步擴展應用到人們生成生活的各個領域，通過對太陽熱水器的液位檢測，提高熱水器的實時監測能力，而今太陽能熱水器液位檢測技術取得了重大發展，但是，當前的液位檢測方法采用人工檢尺法和浮子測量裝置方法，具有智能性不好，檢測精度不高的缺點[7-10]。而超聲回波分析檢測技術因受環境因素干擾較小，特別適用于復雜環境高溫液體液位檢測應用中，通過太陽能熱水器液位給鋼和空氣的聲阻抗差帶來的擾動，達到檢測液位的目的，超聲波有著不同于普通的電磁波和聲波的波型，當超聲波從某一介質中傳播到界面或遇到另一介質時，氣體介質中的吸收系數發生突變，而且會產生反射和折射的橫波。太陽能熱水器中的聲場的物理特性描述如圖1所示。

圖1 太陽能熱水器中的聲場的物理特性

在天陽能熱水器中，平面聲波在某一點某一時刻的壓力P與反射界面的靜壓力P0之差為超聲場聲壓Pa，其中p=ρcv，ρ為傳遞到兩種不同介質之間的介質密度，c水介質的聲速，v為介質中的折射波，當超聲波垂直入射到界面上時，θ1和θ2均為0，則在太陽能熱水器的水容器箱中的聲波斜入射的阻抗為：

(1)

(2)

透射系數為：

(3)

式中 θ1——太陽能熱水器進行液位檢測是的超聲回波入射角； θ2——折射角； ρ1c1，ρ2c2——粘滯彈性界面的特性阻抗。

滿摩擦和熱傳導定律的關系式為：

(4)

2 液位檢測系統的總體結構設計及超聲回波檢測

2.1 系統總體設計

圖2 液位檢測系統的總體結構

結合圖2對太陽能熱水器液位檢測傳感器配置與建模進行分析，采用超聲回波分析機制，引入濾波算法進行算法改進設計。

2.2 超聲回波分析液位檢測算法

當前的液位檢測方法采用人工檢尺法和浮子測量裝置方法，智能性不好，誤差較大，為了克服傳統方法的弊端，本文提出一種基于超聲回波分析的太陽能熱水器液位檢測方法，引入超聲回波分析機制，提高信號回波微弱差異信息能量增益，采用超低噪聲運放AD79709，組成二階低通濾波器，考慮到自適應橫向濾波器，此時的液位檢測誤差e可表示為：

e(n)=d(n)-uT(n)w(n)

(5)

式中n——第n次迭代；u——太陽能熱水器的液位輸入向量；w——調節濾波器權系數。

LMS以時刻i的誤差平方e2作為自適應濾波器的沖擊響應，那么e2對于w的梯度用表示，給出的一種估計，假設超聲波的聲強I，得到液位檢測公式可進一步導出：

(6)

通過上述算法描述可見，在進行液位檢測中，由于液位分布的介質層的主頻分離性，需要對主頻信號和其它信息進行分離，采用最常用的FIR橫向結構濾波器，系統傳遞行數為：

(7)

式中X(n)——太陽能熱水器液位檢測的自適應濾波器輸入；W(n)——自適應濾波器的發射端主頻信號；Yi(n)——自適應濾波器輸出。

改進后的基于超聲回波分析的液位檢測的信號處理流程如圖3所示。

圖3 基于超聲回波分析的液位檢測的信號處理流程

3 系統硬件設計與實現

在上述算法設計描述的基礎上，進行太陽能熱水器的系統硬件和電路設計。首先進行液位檢測傳感器的配置設計，太陽能熱水器液位超聲回波分析檢測總體結構設計中，對于液位檢測傳感器的配置，牽涉到系統配置參考通道的選擇和系統的抗噪性能，故液位檢測傳感器的位置不能隨意放置，需要進行合理配置，常見的配置方式主要包括十字形配置、垂直配置方式和平行配置方式，本設計經過前期的多次試驗對比，通過對不同配置方式特點的比較：十字形配置不易安裝，在短間距時，難于消除直接磁耦合，接收、發射器的間距不允許任意選取，因為這樣可能導致在作用距離內出現死區。太陽能熱水器液位檢測傳感器的配置示意圖如圖4所示。

圖4 太陽能熱水器液位檢測傳感器的配置示意圖

圖4中，縱波探頭也稱為直探頭，太陽能熱水器液位檢測超聲波垂直于發射面發出。垂直配置方式理論上不存在直接耦合，但實際工程上，直接耦合很難完全消除，且對目標反射的信號有弱化效應。對此，采用本文方法能有效抵消干擾。在電路設計中，前置運算放大器芯片選擇LT1800，驅動電路采用美國IR公司生產的IR2110驅動器，采用HVIC(High Voltage Integrated Circuit )和閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，通過上述液位檢測算法，得到液位檢測信號接收模型，設計信號接收模塊，考慮采用差分放大模式，得到雙通道TTL/MOS液位檢測激勵電路如圖5所示。

圖5 太陽能熱水器液位檢測激勵電路

合理選取R1和R2的阻值可以調整MOSFET功率管的增益，變壓器副邊接的D3～D6二極管，能更好的進入接收電路，以提高檢測的靈敏度。然而系統中仍然會產生大量的干擾噪聲被傳統的電磁探測方法忽略，如接收線圈接收到的其它頻率的電磁干擾、去除掉同頻耦合噪聲后的電路噪聲、發射電磁場直接進入接收線圈的直接耦合噪聲(該噪聲信號為與發射信號同頻的噪聲)等，這些噪聲的存在嚴重制約著太陽能熱水器液位檢測性能，本文采用分離主頻發射技術，進行太陽能熱水器的超聲回波分析和液位檢測，得到改進的液位檢測系統的核心控制電路如圖6所示。

圖6 液位檢測系統的核心控制電路

4 仿真實驗與性能分析

為了測試本文設計的基于超聲回波分析的太陽能熱水器液位檢測系統在提高液位檢測精度，降低誤差方面的性能，進行仿真實驗。測試條件：在室溫條件下，接收增益為2 000倍時進行液位檢測，檢測過程中，太陽能熱水器的儲水箱壁厚為50 mm的平面罐體，發射和接收探頭表面涂抹硅脂，通過磁鐵吸盤吸附在測試儲水箱容器體表面，通過超聲波信號接收，采用超聲回波分析，得出檢測頻譜，從而判斷出液面位置，通過信號采集，得到其中一組無液體狀態和有液狀態的下的數據接收到的超聲回波信號如圖7所示。

圖7 太陽能熱水器液位檢測數據采集

對有液狀態下的太陽能儲水箱，采用本文提出的液位檢測方法，可以算出接收到回波的大體時間為2.7 ms，因此具有較好的檢測性能，為了對比算法性能，采用本文方法和傳統方法，進行超聲脈沖信號的頻譜檢測，得到結果如圖8所示。分析可見，采用本文方法，能準確檢測出對液位探測的超聲脈沖信號，而傳統方法的檢測性能不好，液位點的超聲譜受到旁瓣干擾，無法有效分辨出液位界面。而本文方法進行太陽能熱水器液位檢測，乎沒有環繞波的差異，能夠有效的區分出不同界面，從而能夠很好的判斷出液面位置，展示了本文方法的優越性能。

圖8 超聲信號檢測譜

5 結語

在太陽能熱水器的維護和故障檢測等領域，通過液位準確檢測，提高太陽能熱水器的故障分析和實時監測能力，傳統方法中，對太陽能熱水器的液位檢測方法主要分為接觸型和非接觸型兩大類，接觸型測量儀表主要有人工檢尺法、浮子測量裝置方法等，非接觸型的太陽能熱水器液位測量方式主要有微波雷達、射線及激光等，但傳統方法具有智能性不好，檢測精度不高的缺點，本文提出一種基于超聲回波分析的太陽能熱水器液位檢測方法，首先分析了超聲回波進行液位檢測的工作原理，進行液位檢測系統的總體模型設計，設計超聲回波分析液位檢測算法，基于FIR橫向結構濾波進行抗干擾設計，提高檢測精度，最后進行了太陽能液位檢測系統的硬件電路設計，仿真結果表明，采用該系統能有效提高太陽能熱水器的液位檢測性能，能夠很好的判斷出液面位置，實現對熱水器的狀態實時監測。

[1]高志春，陳冠瑋. 斜因子K均值優化數據聚類及故障診斷研究[J]. 計算機與數字工程，2014, 42(1): 14-18.

GAO Zhi-chun, CHEN Guan-wei, HU Guang-bo, et al. Fault diagnosis and optimal data clustering based on K-means with slope factor[J]. Computer and Digital Engineering, 2014,42(1):14-18.

[2]尹 剛，張英堂，李志寧，等. 基于 MSPCA 的缸蓋振動信號特征增強方法研究[J].振動與沖擊，2013, 32(6): 143-147.

YIN Gang, ZHANG Ying-tang, LI Zhi-ning, et al. Fault feature enhancement method for cylinder head vibration signal based on multiscale principal component analysis[J]. Journal of Vibration and Shock, 2013,32(6):143-147.

[3]郁有文，常 健.傳感器原理及工程應用[M]. 西安：西安電子科技出版社，2000.

[4]王育慷.超聲波原理與實現應用探討[J].貴州大學學報(自然科學版)，2005，22(3):287-290.

WANG Yu-kang. The principle of ultrasonic wave and application in modern milifarg[J]. Journal of Guizhou University(Natural Science), 2005,22(3):287-290.

[5]徐 威,唐振民. 融合相位一致性與二維主成分分析的視覺顯著性預測[J]. 電子與信息學報, 2015, 37(9): 2089-2096.

XU Wei, TANG Zhen-min. Integrating phase congruency and two-dimensional principal component analysis for visual saliency prediction[J]．Journal of Electronics & Information Technology，2015，37(9)：2089-2096．

[6]JUDD T, EHINGER K, DURAND F. Learning to predict where humans look[C]. Proceedings of the IEEE International Conference on Computer Vision, Kyoto, Japan, 2009: 2106-2113.

[7]劉貴民.無損檢測技術[M].北京：國防工業出版社，2006.

[8]林梅金，羅 飛，許玉格. 基于改進差分進化算法的污水處理過程優化控制[J]. 信息與控制, 2015,44(3): 339-345.

LIN Mei-jin, LUO Fei, XU Yu-ge. Optimization control of wastewater treatment process based on improved differential evolution algorithm[J]. Information and Control,2015,44(3)：339-345.

[9]UANO M V, RIBES J, SIN G, et al. A systematic approach for fine-tuning of fuzzy controllers applied to WWTPs[J]. Environmental Modelling & Software, 2010, 25(5): 670-676.

[10]王 森.超聲相關檢測技術與應用[D].南京：河海大學，2004.

(本文編輯：楊林青)

Liquid Level Detection Design of Solar Water Heater Based on Ultrasonic Echo Analysis

SUN Chen-lei

(Qingdao Product Quality Supervision and Testing Research Center,Qingdao 266071, China)

Solar water heater level detection has better practical value in fault analysis and daily use of solar water heaters, liquid level detecting method of current using the manual measurement method and measurement device with intelligent float method, is not good, the detection accuracy is not high, a solar water heater level detection method of ultrasonic echo based on the analysis of the working principle, analysis of the ultrasonic echo level detection, design level detection system model, the frequency distribution of liquid medium layer separation, separation of frequency signals and other information, using FIR filter is the most commonly used for processing, liquid level detection in the process of adaptive control according to the adaptive noise cancellation and error criterion, anti-jamming, and the hardware circuit design of solar liquid level detection system, and optimize the configuration of the solar water heater level detection sensor. The simulation results show that the method can accurately judge the position of liquid level, effectively improve the liquid level detection performance of solar water heater, and realize the real-time monitoring and control of the water heater.

solar water heater; liquid level monitoring; ultrasonic echo

10.11973/dlyny201506024

孫晨磊(1985)，男助理工程師，主要研究領域為輕工產品檢測。

TP277

A

2095-1256(2015)06-0849-05

2015-11-04