高精度超聲波液位測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 澤 ，姜明順 ，呂珊珊 ，朱友峰 ，蘇晨輝 ，張 雷 ，張法業(yè) ，隋青美

(1.山東大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué)海洋研究院，山東 濟(jì)南 250100)

0 引言

液位測量廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在石油、化工等領(lǐng)域，液位測量是生產(chǎn)過程控制的重要環(huán)節(jié)[1]。相對(duì)于傳統(tǒng)的接觸式液位測量方法，如電容式[2]、浮子式、磁致伸縮式[3]，超聲波液位儀有非接觸式測量的優(yōu)勢(shì)，對(duì)待測環(huán)境影響較小，且對(duì)于腐蝕性液體的測量使用壽命更長[4]。相對(duì)于非接觸測量中的雷達(dá)液位儀[5]，超聲波液位計(jì)價(jià)格更加合適，宜在工業(yè)領(lǐng)域推廣使用。超聲波液位儀根據(jù)超聲波的傳輸介質(zhì)不同，又分為空介式、液介式和固介式。國內(nèi)的超聲波液位儀以空介式測量居多[6]，但空介式測量方法不宜應(yīng)用于易揮發(fā)性液體的測量，也不宜在密閉容器的環(huán)境下使用[7]。

1 超聲波液位檢測原理

利用超聲波具有的方向性好、能量高、穿透能力強(qiáng)、能在不同介質(zhì)的分界面產(chǎn)生反射和折射等特點(diǎn)[8]，系統(tǒng)使用脈沖回波法獲取液位信息,既有效避免了與液體接觸，也無需考慮液體的揮發(fā)、腐蝕等特性，通過系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)為液位的高精度測量提供了一種方法。超聲波液位檢測原理如下。

首先通過高壓脈沖驅(qū)動(dòng)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波在液體中傳輸并在液體表面發(fā)生反射，反射的回波信號(hào)會(huì)驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生電脈沖信號(hào)[9]。再經(jīng)過超聲波接收電路和控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最終測得超聲波在液體傳輸中的渡越時(shí)間t。假定超聲波在待測液體中的聲速為v，則液位高度H可由式(1)[10]得出：

(1)

由式(1)可知，液位高度H還受超聲波在液體中的聲速v影響，所以也要考慮對(duì)聲速的計(jì)算。超聲波在液體中的聲速主要受液體的溫度影響。以水為例，超聲波聲速v與溫度T的關(guān)系為式(2)[11]，所以通過對(duì)溫度的測量可以得到超聲波聲速。

v=157-0.024 5×(74-T)2

(2)

2 系統(tǒng)構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。液位測量的工作過程如下。首先將超聲波換能器置于容器底部。接著利用控制器STM32產(chǎn)生與換能器中心頻率相同的脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)，經(jīng)過發(fā)射電路的升壓處理后驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。然后通過超聲波接收電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行限幅、濾波、對(duì)數(shù)放大。由控制器進(jìn)行A/D采樣，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理測得渡越時(shí)間和液位值。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 電源模塊

系統(tǒng)采用24 V電源，其可以為變壓器提供一個(gè)較高的初級(jí)電壓。初級(jí)電壓經(jīng)過LM2936電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成5 V電壓，進(jìn)而可以為濾波電路、對(duì)數(shù)放大電路等供電。5 V電壓再經(jīng)過LM1117電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓，主要為STM32和串口芯片供電。

2.2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路如圖2所示。利用STM32發(fā)出的PWM脈沖波，控制快速導(dǎo)通型場效應(yīng)管的通斷。當(dāng)PWM為低電平時(shí)，場效應(yīng)管不導(dǎo)通，電源給電容充電；而當(dāng)PWM變?yōu)楦唠娖胶螅瑘鲂?yīng)管快速導(dǎo)通，變壓器初級(jí)產(chǎn)生24 V的壓降，變壓器次級(jí)產(chǎn)生200 V的壓降。高壓脈沖信號(hào)如圖3所示。通過PWM脈沖的高低電平變化，形成2 MHz的高壓脈沖信號(hào)。

圖2 超聲波發(fā)射電路

圖3 高壓脈沖信號(hào)

2.2.3 超聲波接收電路

超聲波接收電路由限幅電路、帶通濾波電路、對(duì)數(shù)放大電路、比例放大電路、控制器的A/D轉(zhuǎn)換器組成。

因?yàn)榘l(fā)射的高壓脈沖信號(hào)和回波信號(hào)都要經(jīng)過接收電路，為防止高壓信號(hào)對(duì)接收電路造成傷害，需進(jìn)行限幅電路的設(shè)計(jì)。限幅電路如圖4所示。經(jīng)過限幅電路處理后，可以將原有的高壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)椤?00 mV以內(nèi)的低壓信號(hào)。

圖4 限幅電路

為消除余波與外界的干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)了中心頻率為2 MHz的有源帶通濾波電路。帶通濾波電路如圖5所示。帶通濾波電路的中心頻率為2.04 MHz。

圖5 帶通濾波電路

帶通濾波前后對(duì)比圖如圖6所示。由圖6可以看出，經(jīng)過帶通濾波處理，可以大幅消除余波和外界干擾信號(hào)。

圖6 帶通濾波前后對(duì)比圖

帶通濾波之后的信號(hào)為2 MHz的脈沖信號(hào)，這對(duì)控制器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換具有很大的挑戰(zhàn)，所以采用對(duì)數(shù)放大將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為更易采樣的低頻信號(hào)，對(duì)數(shù)放大芯片采用高穩(wěn)定度、低功耗的高速電壓輸出型A/D8310。對(duì)數(shù)放大后圖像如圖7所示。

圖7 對(duì)數(shù)放大后圖像

經(jīng)過對(duì)數(shù)放大后信號(hào)輸入到STM32的A/D引腳，并利用其直接內(nèi)存訪問(direct memory access,DMA)功能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。DMA具有速度快、不占用CPU等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)每0.71 μs采集一個(gè)值，并與一個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)，直接將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)組中。只要設(shè)置1 500次連續(xù)采樣，便可以采集到1 065 μs的數(shù)據(jù)。再通過對(duì)數(shù)組進(jìn)行分析，便可以找到回波的起始點(diǎn)。

2.2.4 其他模塊

為了得到更準(zhǔn)確的聲速值，設(shè)計(jì)了測溫電路，用以得到更準(zhǔn)確的聲速值。數(shù)據(jù)通信采用的是RS-232串口，可以將采集到的溫度值及計(jì)算后得到的液位值通過串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)、發(fā)射PWM子程序、A/D采樣子程序、串口通信子程序。

主程序流程為如下。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后對(duì)所使用參數(shù)進(jìn)行初始化賦值。在有按鍵按下后，發(fā)射10～20個(gè)2 MHz的PWM波;在發(fā)射完成后，通過DMA進(jìn)行A/D采樣，采集1 500個(gè)點(diǎn)的值。接下來對(duì)采到的值進(jìn)行分析，找到回波信號(hào)的初始段，可以得到渡越時(shí)間t。然后進(jìn)行溫度值采樣，根據(jù)溫度值計(jì)算出超聲波的聲速v。通過聲速與渡越時(shí)間得出本次測量的液位高度。循環(huán)5次測量后，去掉液位值的最小值，其他三次值取平均得到最終液位值。通過串口將液位值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，完成一次測量。

3 試驗(yàn)結(jié)果

以水為待測液體進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)測量不同高度下的液位值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與誤差對(duì)照分別如表1和圖9所示。在70 cm的測量范圍內(nèi)，測得液位的誤差小于1 mm，實(shí)現(xiàn)了高精度液位測量。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖9 液位與誤差對(duì)比圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了可應(yīng)用于密閉容器的超聲波液位檢測系統(tǒng)。通過系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，不但實(shí)現(xiàn)了對(duì)液位的非接觸性測量，還實(shí)現(xiàn)了液位的精確測量。系統(tǒng)可應(yīng)用于易揮發(fā)、強(qiáng)腐蝕、有毒液體等特殊液位檢測環(huán)境。