复杂工况下超声波液位测量系统的设计

　　0　引　言

　　在各种非接触测量技术中,超声波液位检测技术是一种非常实用、性价比很高的技术,而且,有很多其他方法不可比拟的优点:可以测量所有液体和固体的物位;定点和连续测量;能够方便地提供距离信号;测量精度高、传感器寿命长;反应速度快、安装方便等优点[1]。

　　在提升泵房的入口监测污水的水位高度是超声波测量应用的重要内容,它可以随时监控水位高度的变化来控制阀门或者泵的开启和停止,是污水处理的关键环节。但传统的超声波仪表对非常恶劣的工况,尤其是存在大的电磁噪声、激烈的水面波动以及蒸汽或者气泡的情况下,对仪表的正常工作干扰很大,因此,必须采取特殊的仪表设计技术,保证在恶劣工况下超声波液位测量的正常进行。

　　1　超声波液位测量系统的基本组成

　　超声波液位测量系统主要包括:换能器驱动电路、回波信号接收电路、外围I/O电路,以及测量控制系统等部分,系统组成原理图如图1所示。

　　目前,国内超声波物位测量的应用主要集中在液位的测量。在一般测量环境下,这种测量仪表的测量精度较高、回波信号表现稳定;但是,当测量距离变化较大,存在蒸汽、泡沫、曝气等实际干扰以及电磁干扰的情况下,将对回波信号产生较强的散射、衰减和电干扰,因此,在这种情况下,很多测量仪表表现不佳,主要体现在回波信号不稳定、失真,信噪比低、波形质量差,甚至部分仪表还存在误报警等问题。

　　2　超声波液位测量系统的硬件电路设计

　　2.1　大功率换能器驱动电路

　　驱动电路的好坏,直接影响到超声波回波的质量,是实现超声波测量的基础。在这部分,本文作者尝试过多种电路结构,主要包括:电源直接驱动法、电容放电法、电感放电法以及变压器驱动法[2]。其中,前4种方法一般驱动功率较低,无法满足测量距离变化较大的要求,最终,采用了改进的变压器驱动电路。该方法是由前面几种驱动结构经过改进得到的。变压器的设计是这种方式的重要部分。通过合理的设计变压器结构及其外围电路,能够为不同的探头提供不同频率、不同能量的驱动脉冲。

　　本设计采用的驱动脉冲为15个驱动脉冲, 51 kHz,峰值Vpp=950V;实现了阻抗的转换和匹配,使探头得到的驱动功率比以上4种传统的方法提高了10倍以上;另外,由于不同探头、不同量程的测量盲区变化很大,因此,根据测量距离的不同,引入余振吸收电路,及时抑制发射余振,从而使测量盲区缩小了50%以上,图2是基于变压器法的原理图。这种结构的驱动电路能够较好地提供高压大功率的驱动脉冲,为稳定接收回波信号奠定了基础。