超聲波液位檢測儀設(shè)計

丁瑞昕

廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510641

0 引言

液位檢測工作屬于常見的一項工作，石油以及化工等企業(yè)會利用液位檢測對存放液體的液位進行測定。該檢測技術(shù)經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)已成為現(xiàn)代化工業(yè)控制中一項重要的技術(shù)手段。因為實際檢測現(xiàn)場會存在不同的安裝環(huán)境，被檢測的介質(zhì)狀態(tài)以及種類也會存在較大的差異，使得此項工作具備較大的復(fù)雜性，所以需要與現(xiàn)場實際情況結(jié)合，對檢測方法進行合理選擇。

1 總體設(shè)計理念

文章研究中所用到的液位檢測方法，屬于動態(tài)測量。液位檢測儀的基本組成如圖1所示。

圖1 液位檢測儀的基本組成

該超聲波液位檢測儀具有良好的適應(yīng)性，可以廣泛適用于化工、石油、礦山等領(lǐng)域，經(jīng)常需要測定存放液體的反應(yīng)鍋與貯槽中的實際液位，而航道、港務(wù)以及水電部門，需要對其水位情況進行測定。采用該檢測方法可以避免人為的手工測量帶來的誤差和人為危險，從而更方便、更準(zhǔn)確地測得所需數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

結(jié)合使用的基本要求，設(shè)計應(yīng)用了超聲波測距原理，借助89C51單片機對數(shù)據(jù)加以處理。

（1）超聲波液位測量儀的核心組成部分為89C51單片機最小系統(tǒng)，此部分的主要功能如下：第一，能夠發(fā)出40 kHz的脈沖串，進而促使發(fā)射換能器將超聲波發(fā)出；第二，利用定時器T1，記錄超聲波的實際傳輸時間；第三，測出實際時間后，結(jié)合有關(guān)參數(shù)，對體積及距離等數(shù)據(jù)進行計算；第四，對輸入的參數(shù)與顯示的數(shù)據(jù)加以控制；第五，通過打印輸出結(jié)果，數(shù)據(jù)與上位機可以實時通信。

（2）將采集到的40 kHz脈沖信號放大至20 V，這是發(fā)射電路的核心功能，要保證發(fā)射傳感器對于驅(qū)動的基本要求。

（3）中斷信號輸出、電壓比較以及放大等，均屬于超聲波接收電路的主要構(gòu)成部分。當(dāng)接收到回波后，會將其做出整形以及放大處理，即將回波信號向中斷信號進行轉(zhuǎn)換。

2.2 超聲波發(fā)射電路設(shè)計

基于方波（頻率40 kHz，幅度20 V）的驅(qū)使下，超聲波發(fā)射器可以持續(xù)發(fā)出頻率40 kHz的優(yōu)質(zhì)超聲波，如果受到物體的阻礙后，會有反射，接收器用于接收回波。由于超聲波傳播于相同的介質(zhì)中，傳播速度可以保證一致性。借助單片機內(nèi)置的定時器，能夠有效測定出超聲波發(fā)出至回波信號接收這一過程所花費的時間。

按照硬件部分設(shè)計的基本要求，電路部分需要將脈沖信號放大到40 kHz的幅度，保證20 V即可滿足使用，從而保證滿足發(fā)射器的基本要求。針對超聲波發(fā)射器的電路設(shè)計，應(yīng)具備超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換能器，還應(yīng)具備變壓器以及放大電路的作用。

2.3 接收電路設(shè)計

超聲波接收電路原理如圖2所示。當(dāng)超聲波接收器接收到發(fā)射后的回波信號后，會將其轉(zhuǎn)化成電壓信號，經(jīng)過兩級放大后，通過電壓比較器進行對比，再從其中持續(xù)輸出方波信號。電路要保證可以對D觸發(fā)器的時鐘端加以控制，需要保證從Q端持續(xù)發(fā)送出提前設(shè)置好的低電平進入D端口。89C51可以控制中斷器的信號，保證89C51有效中斷，計數(shù)器T1計時會停止，同時通過實際的計算分析，可以得出需要的數(shù)據(jù)[1]。

圖2 超聲波接收電路原理圖

從上述分析可得，需要保證接收電路具有多種功能，可以對超聲波回波信號加以轉(zhuǎn)換、整形、放大，產(chǎn)生中斷信號。

接收部分電路包括了2個放大電路、1個電壓比較器、1個D觸發(fā)器。利用TR40-16型超聲波傳感器進行超聲波發(fā)射時，發(fā)射探頭能夠?qū)⒁徊糠致暡ㄖ苯觽鞯浇邮仗筋^，對回波信號檢測的準(zhǔn)確性造成干擾[2]。

從兩級放大電路可以看出，全部有運放UA741反向電路，可以將信號放大100倍，從而開展長距離測量工作。

基于硬件電路的設(shè)計，可以對單片機的回波信號進行轉(zhuǎn)換。回波信號經(jīng)過兩次放大后，對正弦波的方波加以轉(zhuǎn)換，需要將D觸發(fā)器以及電壓比較電路接入其中，由于輸入頻率較高，達到了40 kHz，電壓比較器不具備較高的相應(yīng)速度，無法達到既定的頻響速度，因此選擇集成電路比較器LM311。這一類型的電壓比較器具備較高的適應(yīng)性，響應(yīng)速度可達200 ns,偏置電流典型值為100 nA，失調(diào)電流典型值為6 nA。供電可通過單電源，也可采用雙電源，該設(shè)計采用+5 V供電[3]。

3 軟件設(shè)計

該檢測儀的軟件部分采用模塊化程序，可以實現(xiàn)不同功能下的程序編程。采用這種方式，整個軟件的結(jié)構(gòu)層次可以更加直觀清晰，有利于軟件程序的調(diào)試修改。

軟件部分的設(shè)計思路：系統(tǒng)完成初始化后，輸入相關(guān)的參數(shù)，然后發(fā)射脈沖串，計算各類數(shù)據(jù)，如油的容積、深度等，然后加以判斷。各個鍵可以設(shè)置為不同功能，借助單片機調(diào)用模塊還可實現(xiàn)打印、通信等功能。

4 誤差和補償

使用超聲波液位計進行測量時，外界條件或系統(tǒng)內(nèi)部會存在一些干擾，從而影響測量的精度。為此，分析了干擾因素并提出改進措施。

4.1 溫度

在理想條件下，超聲波在相同介質(zhì)中傳播其速度會保持恒定。隨著溫度變化，其傳播速度會有一定的變化。

為此，采用基于溫度測量補償?shù)姆椒ǎ柚鷾囟葌鞲衅鲗囟燃右詼y量，對聲速進行間接補償。單片機在數(shù)據(jù)運算時，要結(jié)合溫度因素，通過輸入?yún)?shù)對最終結(jié)果加以修正。

4.2 直達波

實際測量過程中，為了更好地滿足測量需要，超聲波的接收及發(fā)射探頭距離較近。發(fā)射傳感器在發(fā)射超聲波時，可能發(fā)生接收傳感器會直接接收到超聲波，即存在直達波的影響。間波信號會帶有這部分信號，這會對回波信號檢測產(chǎn)生干擾作用。電路采用模擬開關(guān)4066對直達波信號加以屏蔽，超聲波發(fā)射時屏蔽接收探頭，切斷接收電路。發(fā)射完成后，將4066接通，接收電路發(fā)揮作用，避免接收傳感器會直接接收發(fā)射出的聲波。

4.3 傳播距離

通常條件下，超聲波在介質(zhì)傳播時，其影響因素包括塵埃吸收與空氣熱對流，回波的幅值會隨距離的延伸而呈指數(shù)級的衰減。在實施遠(yuǎn)距離測量時，將存在較大誤差，特別會對接收波產(chǎn)生較大的影響。檢測波形起始點存在較大的難度。針對電路設(shè)計，借助運算放大電路，放大接收信號，能夠在一定程度上降低影響。

4.4 測量的隨機性

干擾信號具有隨機性特點，并且作用時間短，多呈現(xiàn)出毛刺狀，一次測量結(jié)果，非常有可能會受到干擾信號影響，從而使最終獲得的測量結(jié)果存在較大誤差。為了有效解決干擾對測量結(jié)果的不良影響，可以通過求取平均值的方法使結(jié)果更為精確，降低誤差，具體是連續(xù)進行5次測量。對于結(jié)果的分析要排除最大值與最小值，取得剩余3次的平均值，獲得最終結(jié)果。通過這種方式，能夠有效降低干擾因素對測量結(jié)果的不良影響。

5 結(jié)束語

在液位檢測儀器的發(fā)展中，基于超聲波的液位計具有良好的應(yīng)用前景。此類為非接觸型液位計，其價格適中，使用方便，可以保證高精度。文章針對超聲波液位監(jiān)測儀硬件部分進行了設(shè)計與制作，并且進行了軟件編程，通過試運行，取得了滿意的效果。最后，對測量誤差加以分析，制訂了降低誤差的有效措施，以保證測量結(jié)果更加精確。