智能气介式超声物位仪的研制

    1　引　言

    物位是许多工矿企业在生产过程中需要测量和控制的重要参数,如火电厂对煤粉仓粉位的检测、水泥厂对料仓中水泥料位的测量及吨位计算、焦化厂对进料仓和出料仓中的焦炭料位进行监控等。气介式超声物位仪是一种非接触式测量物体位置的仪器,具有测量精度高、生产成本低且安装维修方便等优点,并且不受被测物体物理化学特性的影响,非常适合于测量颗粒状的料位和波动的液面,这是激光和红外测距仪所不能替代的。超声物位仪的测量精度完全可以满足工业上的要求,具有很大的应用范围和良好应用前景。

    目前,国内企业使用的气介式超声物位仪基本上都是价格昂贵的国外产品,因此,研制开发高性能、低成本、稳定可靠的智能化气介式超声物位仪,并使之产业化,具有较大的经济意义。

    气介式超声物位仪在工业上应用的技术难点在于研制高性能的气介式超声传感器和智能化的单片机测量控制系统,笔者设计的智能气介式超声物位仪较好地解决了这两个问题。

    2　超声测位原理

    超声物位仪是利用声波在介质中传播时,遇到两种介质的分界面会产生明显反射的原理,并根据声速和时间的关系求得被测物体的高度或深度。如图1所示,超声传感器发射的超声脉冲波在传播过程中遇到被测物体会产生反射,反射波又会被传感器接收。设超声传感器辐射面到被测物体的距离为h,脉冲声波从发射到接收的时间为t,空气中的声速为c,则

    h=ct/2            (1)

    因此只要测出声波传播时间t和声速c,就可计算出被测物体与超声传感器辐射面之间的距离h。从式(1)还可以看到,h的精度取决于声速c和声波传波传播时间t的测量精度,而h的可达大小范围则主要取决于气介式超声传感器的性能。

    3　智能气介式超声物位仪的设计

    3.1　需要解决的几个主要问题

    超声物位仪的总体设计主要从提高测量的距离、精度和可靠性3方面考虑。图2是智能气介式超声物位仪的硬件原理框图,物位仪主要由气介式超声传感器、发射电路、接收电路、回波检测电路、单片机测控系统和附加电路几部分组成。超声物位仪的测量过程如下:单片机通过P2.7端口周期性地触发发射电路,并在触发的同时启动内部定时器定时;发射电路在触发信号作用下,周期性地将高压电脉冲作用于超声传感器,传感器则将电脉冲转换成超声脉冲波发射出去;被测物体的反射回波由传感器接收,经过放大滤波,并由回波检测电路处理后,送至单片机的P3.5端口。单片机收到回波信号后,对其真伪进行鉴别,并记录下真实回波到达的时间;然后根据式(1)h=ct/2求出物位。