超声波液位测量仪

　　超声波检测精度高,价格低,已被广泛用于无损检测。研制的超声波液位测量仪可应用在厂矿企业的水箱水位检测及控制,也可用于制药和化工液槽的液位测量等。该仪器具有温度补偿,用标准反射杆作基准进行校正,可提高其测量精度。

　　1　测量原理

　　标准状态下超声波在水中的传播速度为1 483 m/s,因此只要测定超声波从发送到接收的传播时间就可算出其传播距离^[1] 。

　　由于超声波的声速受温度、湿度和其它环境因素的影响,为消除此影响,设计了固定参比标准杆。所研制的液位测量仪的测量原理见图1^[2] 。由单片机输出一定频率电信号,激励安装在水箱底部的超声波传感器,发射出频率为1 MHz的超声波,并在发射同时启动单片机内部定时器开始计时。超声波通过被测液体介质传播,遇到标准杆处,其中一部分产生第一次反射回波,而其余部分继续在水中传播。反射回波到达探头,使探头输出第一个电信号,引起单片机第一次中断。而在水继续传播的超声波到达水面时,由于水面以上是空气,在气液交界面产生第二次反射回波,使探头输出另一个电信号,引起单片机的第二次中断。在中断程序里,分别读取定时器的计数值,即探头接收到的标准杆和水面的反射回波传播时间t ₁和t ₀,由此算出探头到液面的高度H ₀和水深H为^[2] 常凤筠等:超声波液位测量仪

　　式中　h ₁———探头到标准杆的距离

　　h ₀———探头到水箱底部的高度

　　通过标准杆进行温度和湿度等补偿后,由式(2)可计算出水箱水位H与超声波的速度无关,提高了超声波测距精度。

　　1.1　系统硬件

　　超声波液位测量仪硬件构成见图2。

　　W77E58单片机是Winbond公司生产的高速单片机,与传统8052系列单片机相比,其机器周期仅包含四个时钟周期,执行指令速度是8052的1.5~3倍,晶体频率可达40 MHz,有三个16位的定时器/计数器。用作定时器时,可对四个时钟周期计数,其定时时钟频率为10 MHz,测量时间的分辨率为0.1μs。而AT89C52的晶振频率为24 MHz,它的定时频率为2 MHz,测量的时间分辨率为0.5μs。因此利用W77E58可提高测量时间的精度。它可以控制超声波发送电路发射超声波,记录超声波从发射到接收反射回波的时间,从而根据式(1)和(2)计算出探头到液面的高度。

　　1.2　超声波发送/接收电路

　　由单片机W77E58的P1.0管脚产生周期为20 ms的方波,当P1.0由低变高时,通过高速光耦6N137产生触发脉冲信号,加到发射板晶闸管的控制端上,使发射板上两个晶闸管导通,产生-600 V窄脉冲电信号,加到探头的压电晶片上,使其振荡,发出频率为1 MHz的超声波。超声波在水中遇标