煤仓料位监控系统中智能超声波料位计的研制

　　0 引言

　　随着煤炭工业生产自动化程度的提高，大多数储煤仓需要实时准确地测量其煤位变化和控制储煤量。工业料位测量中，目前采用的料位计主要有超声波式、电容式、重锤式、核辐射式等几种。超声波式以其可以做到不接触、连续测量、长时工作及对人体无危害等诸多优点，非常适用于煤位测量。但就目前国内超声波料位计而言，在稳定性和可靠性方面还不尽如人意，系统造价比较高，如要进行料位群测，则价格负担更重。

　　为此笔者研制了一种智能超声波料位计，它可以与上位机组成一种新型储仓料位群测系统。该料位计采用9V 电池供电，同煤仓的若干料位计通过1 根电缆与上位机通信，减少了传统超声波料位计所需的大量供电和通信电缆、以及供电电压在线路上的损耗。它还配备了一体化的超声波发送、接收模块和计算机远程通信模块，本身具有智能处理装置，可针对各种复杂的应用现场，设置不同的环境参数，适应能力强。

　　1 超声波料位计的研制

　　1 . 1 工作原理

　　采用超声波脉冲反射接收法(又称脉冲法)测距的原理，脉冲法测距原理如图1 所示。已知声波在空气中的传播速度为。，如被测煤仓深度为L ，煤仓料位为H ，超声波换能器通过介质发射声脉冲，声波经一定时间可达被测料面，由料面反射的回波又经过同样距离和时间回到声源处，即声波往返路程为料深的2 倍，测得声波往返时间为t ，利用s=c· t / 2 ，即可算得料位计与反射点间的距离s。测量距离d=√[s2-(h/2)2]。传感器采用分体收、发换能器，因收、发换能器间距非常接近，故有h≈0 , d= s=c· t / 2。

　　则煤仓料位：H=L-d=L- c· t / 2 (1)

　　1 . 2 超声波料位计设计

　　料位计由低电压、低功耗的单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、串行接口电路、电池供电电路等组成，其组成框图如图2 所示。

　　图2 料位计组成框图超声波发射、接收电路与单片机相连，单片机与串行接口相连。电池供电电路也为其它电路供电。

　　1 . 2 . 1 设计说明

　　超声波换能器采用的是陶瓷的压电效应。测量过程中，声波信号由发送换能器发出，经物体表面反射后由接收换能器接收，测量声波的整个运行时间，从而实现距离的测量。料位计所用换能器是最佳工作频率为40 kHz 的陶瓷超声波传感器，适用于中程范围测量，最大量程为30m ，在脉冲触发模式下工作。该类传感器适应性强，可在一40~90 ℃ 环境下正常工作，散射角最大为15°。鉴于声速受温度影响最大，为使测量更精确，测距数据处理过程采用温度补偿。