超声波液位监测装置的研制

2022-12-05

液位测量是工业上经常遇到的一个问题, 准确的液位测量是实现生产与过程控制的重要参数。例如江、河、湖泊的液位的测量, 以便于实时报告水位, 防止发生水灾或旱灾, 本文中要测量井下的液位高度。早期的液位测量有许多弊端, 例如, 测量精度不高、成本较高, 并且传感器的安装受到工作环境的影响。

超声波法与其它方法相比, 不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有较强的适应能力, 因此可应用于井下环境的液位监测。而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制, 并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。此外, 还可探测及补偿像温度这样的变量, 并产生出高精度的读数。

1 超声波液位测量原理

超声波测量液位的方法很多, 其中应用最广泛的是脉冲回波法。其基本原理是:由超声波传感器发出超声脉冲信号, 在空气中传播, 遇到空气与液体的界面后被反射, 反射波再经空气传播返回到换能器, 换能器把声信号转换成电信号。接收到回波信号后能得到超声波传播时间。根据其传播速度和传播时间计算出其传播距离, 再根据传感器的安装高度, 就可计算出液位高度。由图1可以看出, 液位高度为:

其中, S为发射点和液位之间的距离, H0为传感器的安装高度, H为所要测量的液位高度。

在空气中, 常温下超声波的传播速度是334 m/s, 由于超声波的传播速度受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响, 正常条件下由于大气压力变化很小, 湿度的影响一般小于1%。因此其传播速度受温度的影响最大, 应通过温度补偿的方法对传播速度V加以校正, 因此系统中设计了高精度测温电路。当已知现场环境温度为T时, 超声波的传播速度VT为

这样, 只要测得超声波发射和接收回波的时间差△t以及现场环境温度T, 就可以测量距离的同时测量温度来进行对声速的修正, 以达到精确计算出从发射点到障碍物之间的距离。

2 硬件设计

超声波液位测量的系统框图如图2所示。

本装置是利用AT89C51单片机来控制超声波的发射、对超声波发射和接收的时间差进行计时以及显示电路等的控制。单片机是整个系统的核心, 协调各部分电路的工作。由单片机执行程序产生40kHz的方波脉冲信号, 驱动超声波传感器发出40kHz的超声波脉冲。当超声波脉冲发射后, 计数器开始计数, 在检测到第一个回波脉冲的瞬间, 计数器停止计数, 这样就能够得到发射到接收的时间差△t。同时温度补偿电路也将采集到的现场环境温度送到单片机, 提供计算距离时对超声波传播速度的修正。最终单片机利用公式 (1) 、 (2) 计算出被测距离, 并在液晶显示器上显示出结果。

2.1 超声波发射电路

发射电路由两个三极管、环形磁芯变压器、发射超声换能器组成, 如图3所示。单片机产生的方波信号由P 1.0引脚输出, 然后接入发射电路的输入端。由于单片机产生的信号驱动能力不强, 一般电路都是对信号进行放大, 再加射极跟随电路, 以增强带负载能力。单片机产生的信号经放大后, 就可以驱动超声波传感器发射超声波脉冲。本系统的超声波传感器采用UCM40压电陶瓷传感器, 其中心频率是40kHz。

2.2 超声波接收电路

接收电路由集成运放LM358、NE5532、比较器、接收超声换能器组成, 如图4所示。超声波遇到障碍物后即返回, 超声波在传播过程中会产生能量的衰减, 并且接收信号存在干扰, 所以要对接收信号做进一步处理。系统用集成运算放大器NE5532对接收到的微弱信号进行放大, 考虑到前置负载的影响, 在放大电路的前一级, 用LM358做了一级电压跟随器, 以增强带负载能力。由于超声波传感器接收到的信号是正弦信号, 在接收电路的最后一级采用LM393实现对接收信号进行比较, 利用电压比较原理, 经比较器出来的信号就是40kHz的方波信号, 其低电平用以给单片机提供外部中断, 通知计数器停止计数。

2.3 温度补偿

由式 (2) 可知, 温度对声速的影响较大, 若不进行温度补偿, 将会带来测量误差, 为了提高系统的测量精度, 设计了温度补偿电路。系统采用数字温度传感器DS18B20来采集现场温度。DS18B20是单线串行数字温度传感器, 可直接与单片机连接并且接线形式简单, 测量范围为-55℃~125℃, -10℃~5℃, 时测量精度为0.5℃。而且还具有温度测量精确和不受外界干扰等优点。

3 软件设计

3.1 软件设计思想

本系统采用模块化设计, 由主程序子程序、显示子程序、发射脉冲子程序、接收脉冲子程序、温度采集子程序等主要模块组成。主程序主要完成系统的初始化、超声波的发射和等;显示模块主要完成将被测距离显示在液晶屏幕上;发射脉冲模块主要完成40k Hz脉冲的产生、发射;接收脉冲模块主要是根据发射和接收间的时间差以及温度传感器采集的现场环境稳定计算出被测距离。

3.2 主程序模块

主程序流程图如图6所示, 主程序主要是完成初始化工作 (包括PIC单片机各端口的输入/输出设置、定时器/计数器TMR0和TMR1的初始化、中断优先级的设置) 、超声波的发射和接收处理、温度补偿的控制、液晶显示。

3.3 发射脉冲模块

此模块主要是完成超声波的产生和发射。每一秒钟内最多发送200个脉冲, 最少收到18个有效回波脉冲信号, 如果已经收到了18个回波脉冲信号, 就停止发送;如果发送了200次还没有收到有效回波信号, 就认为是发射接收系统异常。每次发射完脉冲后, 如果没有收到回波信号就等待1ms。1 ms延时到后, 再发送下一个脉冲;如果没到, 则继续判断有效接收回波信号标志M是否为1。若M为1, 则表示接收到了有效回波脉冲信号, 产生外部中断, 此时即转入外部中断子程序 (即接收脉冲程序) 。

3.4 接收脉冲及处理模块

当单片机产生一个外部中断时, 说明单片机接收到了一个有效回波脉冲信号, 则将有效接收回波信号标志M置1, 并关掉定时器/计数器TMR1停止计数, 关掉外部中断INT1, 读取TMR1中所存值。继续下一个回波信号的接收。如果接收到了18个有效回波脉冲信号, 则对这18个有效数据进行处理, 同时调用测温子程序, 将现场温度数据送至单片机进行速度的校正。本文中采用中位值滤波法, 即先对这18个数据进行排序 (选用冒泡排序法) , 然后取中间的10个作为有用数据, 对这10个数据求算术平均得到一个最终结果。最后再将这个最终结果显示在液晶屏幕上。中值滤波对于去掉由于偶然因素引起的波动十分有效, 可提高测量精度。

4 结语

本系统利用超声波传感器实现非接触式液位测量, 结构简单, 体积小, 精度较高。系统采用软件延迟技术来提高系统的抗干扰能力;中值滤波法对于去掉由于偶然因素引起的波动十分有效, 可提高测量精度;利用温度传感器采集现场温度, 对超声波传播速度进行校正, 提高测量的精度。本装置通过现场试验, 能够达到设计指标, 可应用于煤矿井下水仓水位监测、煤矿煤仓煤位监测等场所。

摘要：介绍了利用超声波传感器测量液位, 采用脉冲回波法实现精确的液位测量, 并通过温度补偿减小温度对超声波声速的影响。给出了系统构成框图、电路原理、软件流程, 并提出了一些抗干扰措施。

关键词：超声波传感器,液位监测