基于介質聲阻抗特性的超聲液位測量系統

趙曉陽，張會新，陳 航，彭晴晴，嚴 帥

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.北方自動控制技術研究所，山西 太原 030006；3.北方宇航系統工程研究所，北京 100076）

在工業生產過程中，基于一些液體具有高溫高壓、易燃易爆、揮發性和強腐蝕性的特性，對大型的密閉容器，液位監測的環境要求和適用性越來越高[1-3]。常規置于容器內的測量儀器需要預留特定安裝位置和計算發射和接收的角度[4]，由于檢測儀器與液體的接觸會縮短儀器壽命，污染被測介質[5]，測量安全性和可靠性不高。非介入式超聲技術由于其原理簡單，維護成本較低，方向集中還有環境適應性強的優勢被廣泛應用[6]，可以實現真正的非接觸式液位測量[7]。

隨著工業自動化非接觸式測量技術的創新，該文設計了一種貼壁移動式液位測量系統，利用密閉容器內壁與不同介質的接觸面聲阻抗系數存在差異的特性[8]，通過分析超聲波探頭接收內壁反射的回波信號強度來定位氣液分界面[9]。

1 聲阻抗法測量原理模型建立

按照圖1 所示，當超聲波沿著介質1 表面垂直入射時，其中，PT12為介質1 透射到介質2 中的能量，PR23為介質3 反射到介質2 中的能量，基于能量守恒定律，入射超聲波聲束集中性很強，介質內部傳遞衰減的能量PT12與PR23可以被忽略，其在兩種不同介質接觸面的反射波總能量PR12和透射波總能量PT23之和為入射波能量P。由聲阻抗的計算公式Z=ρc，其中ρ為介質密度，c為介質內傳播聲速，可知固、液、氣三種介質的聲阻系數由強變弱，故發射同等能量的入射波在固氣接觸面的反射回波能量比固、液接觸面大得多，利用x=a和x=b介質接觸面處的聲壓和法向振速連續的邊界條件[10]，以介質2 為空氣為例，聲波的反射強度系數RP和透射強度系數TP計算公式如式（1）和式（2）所示，公式中k2=2π/λ2,λ2為介質2 中的聲波波長，Z1、Z2、Z3分別為介質1、2、3的阻抗系數。

圖1 聲的反射透射特性

當超聲波沿著密閉容器外壁垂直入射時，在相鄰接觸面經過多次反射，其外部探頭接收到的能量主要是在兩處容器內壁接觸面的反射回波。由于實際容器的介質1 和介質3 的聲性材料一致，于是由式（1）和（2）進行推導分別可得式（3）和（4）。當中間介質寬度l和容器壁聲阻抗系數Z1固定時，由于氣液介質的阻抗系數差異較大，并且如果容器半徑足夠大，透射波能量很難用傳感器接收到[11]，故設計使用接收內壁反射回波強度來測量液位。

由聲場特性可知，超聲波聲束在介質中垂直入射傳播時會存在遠近聲場分布，波束剛開始是以柱狀方式進行傳播，隨著距離增加開始逐漸呈發散的形式繼續傳遞，最終輻射的波束在橫截面上會得到一個圓形的聲場區域[11]。液位測量原理如圖2 所示，其中，P1、P2分別為容器壁與氣體、容器壁與液體接觸面的反射回波能量。將測量使用的圓形探頭沿著容器外壁底端自下而上測量過程中，在液位附近會存在兩個臨界值，第一個臨界值返回的聲波強度為從穩定到開始突變的位置，第二個臨界值為聲波強度由大幅度變化到平穩的位置，由介質對稱性可知其液位值在兩臨界值的中間某一狀態。

圖2 液位測量原理

2 硬件電路設計

如圖3 所示為超聲波硬件總體設計流程圖。由于持續時間極短的脈沖信號尖峰很容易被識別[12]，其在超聲波傳播時延方面的測量精度比較高[13]，故系統采用振蕩電路驅動產生高頻信號，經過信號放大驅使換能器發射超聲波；回波經過調理放大和峰值檢波處理后，通過FPGA 最小系統控制A/D 進行模數轉換；USB 通信上傳至上位機進行數據處理，通過程序分析并計算顯示液位高度[16]。

圖3 系統硬件總體設計流程圖

2.1 超聲波驅動電路設計

電容三點式振蕩電路穩定性相對較高，輸出波形理想，適用于高頻兆赫茲級別以上的波形設計。利用電容和電感的儲能特性，使得電能在兩者之間相互轉換，但是所有電子元件都會有能量損耗，需要通過晶體管對振蕩信號進行幅值補償輸出穩定的高頻信號。

振蕩電路設計如圖4 所示，C1、C2和L1組成并聯諧振回路[17]，作為晶體管2N2222 的交流負載。其中C2為正反饋端；R1、R2為放大器分壓式直流偏置電阻；R3為直流負載電阻；R4為發射極負反饋電阻，可以有效提高晶體管的穩定性；C3起到旁路電容的作用，使發射極交流信號導通到地；C4是耦合電容，防止電源和基級導通。

圖4 振蕩電路

電路核心工作原理：上電瞬間，電流信號比較微弱，隨著三極管對信號的不斷放大，輸出的高頻信號中包括很多不同頻率的諧波。振蕩電路中由C1、C2和L1組成的回路具有選頻功能，當其固有頻率等于某一諧振頻率時，電路產生自激震蕩，通過晶體管放大和正反饋調節振幅增大。當增大到一定程度，晶體管進入非線性工作狀態，自給偏壓變大，反饋系數F≈C1/C2，當F大于等于1 時，振幅達到穩態[13]，其電路的諧振頻率公式：

可知相同諧振頻率下，選頻特性的好壞主要取決于容抗元件C1、C2和電抗元件L1的參數選擇，經過計算與參數調試，選取C1=C2=12.6 nF，L1=4 μH。電路采用+10 V 供電，最終自激振蕩電路產生頻率為1 MHz，幅值有效值為±4.3 V 的連續正弦波，如圖5 為振蕩電路波形仿真結果。隨后經過同相運放AD818放大電路，將電壓幅值放大到±10 V。

圖5 Multisim仿真波形

2.2 超聲波回波調理采集電路設計

回波接收調理電路如圖6 所示，D2和D3構成二極管限幅電路，消除接收回路中的高幅脈沖干擾[15]；電阻R9對回波中攜帶的低頻噪聲起濾波的作用。放大電路使用的AD818 是一款雙電源供電±5～±15 V，具有300 kΩ高輸入阻抗和130 MB 高帶寬的高速同相放大器，其電壓增益計算公式為Au=；二極管D1和電阻R10，電容C6構成的峰值檢波電路，利用二極管單向導通性和電容充電快放電慢的特性，輸入電壓可以迅速提升至峰值并保持相對穩定[16]。

圖6 回波接收電路

圖7 為回波峰值采集電路。由AD7667 和外圍濾波配置電路組成[11]，AD7667 前端選用跟隨放大器AD8031 穩定輸入電壓，提高了采集信號的信噪比[17]。ADC 工作主時鐘由晶振80 MHz 經FPGA PLL 分頻提供54 MHz 主頻率，經過跟隨的模擬電壓進入0～2.5 V的模擬輸入端。

圖7 峰值采集電路

轉換時序如圖8 所示。信號上電開始采集，CNVST 信號下降沿開始啟動轉換，轉換開始BUSY拉高一直保持到轉換結束，監測到BUSY 下降沿開始取數，取數完畢之后，在CNVST 下一個下降沿來臨時進行下一個采樣周期。

圖8 AD7667時序圖

3 測試結果和分析

為了驗證液位測量原理的可靠性，具體的實驗影響因子如表1 所示。實驗操作時需要將探頭與容器壁之間利用醫用耦合劑進行緊密銜接，主要是防止滲入空氣降低測量精度并且增加超聲波能量的透射強度[18]，同時要保證探頭均勻受力并沿著容器外壁緩緩移動，觀察回波信號強度的變化。實際液位測量實驗現場如圖9 所示。

表1 實驗參數選取

圖9 液位測試實驗現場

容器內外壁都標有刻度值，當液位位于刻度值17 cm 的位置時，探頭在液位上下各1 cm 的位置每移動0.5 mm 記錄回波強度變化過程。如圖10 所示，點線圖中的數據均為3 次測量回波檢波信號的平均值，通過分析回波強度不難發現探頭自下而上移動過程中，隨著固氣接觸面面積逐漸增大，來自空氣中的反射回波能量明顯增強，在液位附近會存在兩個閾值，最小和最大閾值分別在21 cm 和14 cm 附近，其液位值近似為兩個臨界位置的中間值。圖11（a）～（c）為回波在3 種臨界位置處的回波信號幅值，橫軸為時間軸，縱軸為檢波電壓峰峰值壓差，通過對比可以明顯觀察出探頭與不同介質接觸面面積不同，回波強度差異明顯。

圖10 回波強度變化曲線

圖11 臨界位置處回波波形

實驗中選取不同液體驗證對不同氣液介質界面的測量精度，結果如表2 所示。實驗所選氣體介質為空氣，液體介質分別取水、丙三醇、甘油三醇3 種介質。表中液位測量結果為3 次液位測量值的平均值，經過多次液位測量，精度誤差控制在3 mm 以內，可以較高精度定位液面位置。

表2 實驗測量數據

4 結論

該文中通過采集超聲波在兩種介質接觸面反射回波信號的強弱設計了一種外部感應式液位測量系統，該系統硬件電路設計原理簡單且易實現，并對其進行了原理性和精度驗證，為工業化工，航空航天領域封閉式液體容器的實時監測提供了重要的參考和實用價值。