超声波反射式液位计

　　1 引言

　　采用超声波技术来实现测液位,最大的好处是测量仪器不必浸入液体中,减少了仪器与液体之间的相互影响,无任何污染,也提高了安全性和可靠性。还具有较高的灵活性和较强的适应性,可随时改变用途(测距、测液位、测速等)和测量对象。功能扩展方便,实现自动测量、控制和计算机数据采集。

　　2 工作原理

　　超声波(15KHz以上)能在气体、液体、固体中传播,其传播速度及衰减量随物质的不同而不同。其传播速度(c)与物质密度(ρ)的积(ρc)称为该物质的声阻抗。在两种物质界面上,超声波的反射率取决于声阻抗,ρc大的反射率也大。即当超声波在空气中传播,遇到障碍物(包括水等液体,只要符合ρc较大的情况)时,就会产生明显的反射。

　　超声波的传播具有一定的直线性,而且遇障碍物会产生反射。图1设置一个超声波发射器和一个接收器(频率相同)。发射器用于发射一个超声波信号,而接收器用于接收从障碍物反射回来的超声波信号。如果使两束波的夹角θ远小于发射器和接收器与障碍物之间的距离h,那么,超声波从发射到被接收的时间t与h成正比关系,即

　　其中c是超声波速度,在空气中约344m/s。我们可以通过测量超声波在这个过程的传播时间t来计算出物距h。

　　在超声波测物距的原理基础上,进一步的延伸,增添一些装置就可以实现测量液位的目的,构成了超声波液位计。其简要工作原理如图2,将超声波发射、接收器安装在离液体底部高为H的位置上,设液面的高度为h'。采用超声波测距离的原理测量出液位计到液面的距离h,则液位的高度(深度)为:

　　使用适宜的电路来实现这个运算,就可以做成液位计了。

　　3 电路组成

　　超声波反射式液位计主要由发射、接收和计数/显示电路组成。原理方框图如图3:

　　在图3中,发射电路是一个40KHz的多谐振荡器,与超声波发射换能器连接可以发射出一串串断续的40KHz超声波信号,发射完每一串它就向计数器送出一个脉冲,触发启动计数,假设该时刻为t0。接收电路与接收器连接,用于接收从障碍物反射回来的超声波信号,并将其转换成电信号,接收完一串完整的信号,就产生一个脉冲,设此时刻为t1,脉冲用来读取这一时刻译码器中的数据,此数据(时间差)就是超声波传播的时间t=t0-t1。译码电路负责把计数器送来的BCD码,转换成七段LED码,然后驱动LED数码管,显示出结果。计数电路中的时基电路用于产生计数器用的时钟脉冲CP,其频率决定了计数、显示数值的单位。调整其频率适当,使一个周期对应测量距离1mm,则显示结果的单位为1mm。