可测速的智能超声波液位仪

　　1　引　言

　　液位的精确测量是现代工业生产和自动控制中常遇到的问题。近年来,随着电子技术和自动化技术的提高,对各种测量系统的精度要求越来越高,从而超声波作为一项较新的技术被应用于各个领域[1],由于超声波测位仪采用非接触式测量,易于安装和维修。但测量液位时必须对温度进行补偿,传统的补偿方法是测量液罐外壁的温度进行补偿,当罐内液温发生变化时,这种方法将产生迟后现象,而且在封闭罐内液位测量中,液体的种类和温度的变化都会对超声波的传播速度产生影响,为了解决这一问题,本文提出了一种利用超声波直接测速的方法,解决了传统温度补偿的缺陷,提高了测量精度。

　　2　液位仪总体结构

　　液位仪总体结构如图1所示,它主要由超声波收发器1、超声波收发器2、收发开关、切换开关、发射部分、接收部分、信号处理、控制输出和外部终端等组成。其中发射部包括同步器、脉冲串生成、频率调节、振荡器、相位检测、功率放大;接收部包括滤波放大、放大调节、检波;外部终端包括显示器和键盘。

　　3　各环节的任务和作用

　　3.1　发射部分

　　超声波液位仪是利用液面反射超声波的特性来确定液位的,因此,它在工作时为了能够接受到一定的回波信号,要求发射适当强度的超声波信号,发射部分为超声波传感器提供一个具有一定频率的脉冲电压信号,经收发开关加在超声波传感器上,于是压电式的超声波传感器便产生相同频率的超声波。超声波液位仪的发射部分如图2所示。由频率调节器控制振荡器产生不同频率的脉冲信号,同步器从相位检测环节得到现脉冲信号的相位,并控制脉冲串生成环节在每次发射时必须保持脉冲串的初相相同,这样可以避免产生λ/2(λ为波长)的误差。

　　在指定液体中声速是一定的,发射频率不同,波长也随之改变,发射频率越低,波长越长,反之,发射频率越高,波长越短。即避免了对不同液体测量时所带来的λ/2的随机误差。脉冲串生成环节生成的脉冲串信号经由功率放大器放大后产生了一定频率的脉冲电压信号。其波形是发射时间为τ、重复周期为T的脉冲串,通过收发开关加在超声波传感器上。

　　3.2　接收部分

　　超声波液位仪接收部分的任务是通过适当的滤波将超声波传感器接收到的微弱信号经滤波放大和检波后送至信号处理器。接收部分的结构如图3所示。它的主要组成部分是:滤波放大、放大调节、检波、检波调节和信号处理。由于回波信号的强弱受到很多因素的影响,如液位的高低、液体里的气泡含量、注液、液化气的使用量、液面波动等,为了获得一定的回波电压信号,必须将微弱的回波信号进行滤波和放大调节,放大调节后的信号作为检波的输入信号,经检波后送往信号处理器。