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复杂工况下超声波液位测量系统的设计
发布日期:2020/6/1 16:08:04
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。
在提升泵房的人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,须采取待殊的仪表设计技术,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0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。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,ZUI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,51kHz,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、不同量程的测量育区变化很大,因此,根据测量距离的不同,引人余振吸收电路,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。
 
2。2回波信号接收电路
反射面的结构、界面处2种不同介质的声阻抗等都会直接影响回波信号的强弱,而且,相同的发射功率在不同测量距离处所产生的回波信号的振幅也存在着非常明显的差别;另外,测量环境中的电磁干扰、随机振动,供电系统中的浪涌、扰动,以及介质的温度变化等因素也会降低回波信号质量,造成测量误差,有些因素甚至可以导致测量的彻底失败。因此,为了在复杂工况下实现稳定可靠的超声波液位测量,采用了单探头测量模式,发射信号和回波信号是在同一通道中传播的,通道中既有上千伏的大功率驱动电压信号,又有毫伏级的微弱回波信号,因此,必须消除驱动信号。
对回波信号的干扰,经过反复试验, ZUI终,确定了如图3所示的电路结构。
在这种结构中,采用开关S,作为驱动脉冲与探头之间的耦合级,同时,阻断回波信号与发射电路的联系,起一定的隔离作用;开关S2作为接收电路的输入保护部分,防止过高电压进入接收电路损毁器件。值得注意的是,电阻R的选取。电阻R的存在是为了防止接收输人保护电路将驱动信号钳位,造成探头不工作。从这个角度来讲,电阻越大越能防止驱动信号衰减;但是,进入接收电路的回波信号是经过电阻R分压得到的,也就是说,回波信号在电阻上会造成一部分损失。从这个角度来说,电阻R应该越小越好。
因此,必须以回波信号强弱为依据,合理选择电阻R。另外,作为输人开关S2应选择的频率较高,以防止由于回波信号频率较高的情况开关S2无法响应等情况所造成的回波信号的失真。
 
3.智能控制系统的软件设计
本超声波测量仪表的核心是基于 Atmegal6L单片机的智能控制系统以及信号处理算法。控制系统主要完成控制系统流程、发射脉冲串驱动信号、对回波信号进行AMD转换、算法计算、进行补偿修正、协调输入/输出(包括数据显示、电流输出)等工作。
Atmegal6L单片机是AVR系列RISC高速“零外设单片机,其特点是:工作频率高、指令周期短、运行速度快,集成8/12位精度可选AD,PWM,内部可调晶振等器件。本套系统使用内部8MHz晶振,8位高速AD转换器。在8MHz晶振下,其指令周期也是8MHz,因此,可调发射脉冲频率高达4MHz,系统可为不同探头提供不同的驱动频率、电压以及驱动功率,提高了电路对不同探头的适应能力。系统上电、完成初始化后,进入用户自定义设置界面,在这个界面下,用户可根据实际测量对象和环境,自行确定粗略的测量参数,如,量程、上下限报警参数、测量速度(被测液面变化快慢)、显示方式等;如果用户放弃设置,则系统使用默认参数,进人测量阶段。
开始测量后,首先,执行自适应扫描,进行测量初始化。在此阶段,系统进行全量程寻峰,然后,根据扫描结果,自动
调整量程、放大倍数、滤波因子等参数,并根据峰值位置,确定正常测量时的寻峰范围以及快速寻峰的中心位置。如果扫描成功,则说明探头安装正确,满足测量条件,可以进入正常测量模式,同时,开始进行实际测量;如果失败,则返回,继续扫描。
进人正常测量模式后,单片机首先发射驱动脉冲信号,经发射级处理后,驱动探头发射超声波。之后,系统开始采集并保存由接收电路返回的回波信号的波形数据。采集结束后,由单片机对数据进行处理(主要完成数字滤波和快速寻峰算法),并将结果送往显示器和二次仪表(系统根据选定的量程,通过D/A转换器输出4~20mA信号);然后,系统又会根据测量速度,决定一定的延时,并在此期间内,响应用户指令(按键变化)。在此正常测量模式下,如果出现测量异常(如回波信号位置突变,看门狗无复位等情况),则系统自动保持上次正确测量结果,并在条件满足的情况下,返回自适应扫描阶段。
 
4.减小系统盲区的研究
在使用单探头测量模式测量比较近的距离的时候,由于回波信号会与发射余波(主要包括感性振荡以及少量探头余振)重叠,造成寻峰失败,因此,造成系统测量的盲区。为了减小系统的盲区,应尽量减小发射余波的宽度,减小余波与回波重叠的机会。
减小盲区ZUI根本的办法就是在驱动完成后,切断发射电路与发射接收通道的连接,避免感性余振进人接收电路。但是,在实际电路设计中,实现切断发射电路与通道的连接,并且,保证不引人其他干扰信号非常困难:如果使用模拟开关类器件,很难避免由器件引人的对整个接收电路的干扰;使用机械开关又不能保证使用寿命。因此,本系统主要采用改进驱动结构,加入余振吸收电路,在近距离采样时,使用较小放大倍数,延时采样,并采用曲线阈值滤波方式;利用一部分未饱和的余波等方式共同减小盲区。
 
5。超声波液位测量系统的精度分析
影响超声波测量精度的因素有:温度影响、硬件电路的影响和电磁干扰。超声波测距必须有温度补偿,一般ZUI简单的方法是直接利用感温器件测温来实现声速间接补偿。本系统采用集成温度传感器AD590来实现温度补偿。AD590具有良好的互换性和线性,温度每变化1℃,AD590的电流输出变化1uA。该电流变化信号经过运算放大器后经单片机的另一AD通道采样,并为系统的温度补偿计算提供依据。在已知固定距离为5.88m的条件下,测试结果如表1
由此可见,经过修正后的测量仪表,在温度逐步变化的情况下,该系统的液位相对误差控制在0.34%以内。
在本套系统的开发中,使用8位精度片上集成AD转换器,也可选择12位精度,但采样速率会有所降低。理论上,在5。88m量程下,存在0。07%的测量误差。但是,由于电路延迟等非理想因素的存在,使得实际测量误差为0。07%~0。34%。
 
6.试验过程与结果分析
系统设计完成后,在北京某污水处理厂提升泵房的提水井进行了对比试验。现场周围有5条直径在50~90cm之间的输送管道,以及与之配套的5组较大功率电机设备。原来在进水井口位置安装了进口的超声波仪表,其设计量程为0~6m,但在现场由于进水水位变化比较剧烈,污水有气泡和漂浮物,并伴有部分曝气,加上回波空间狭窄,因此,实际只能测量0~2m,当水位测量距离大于2m以后,超声波仪表出现失波现象,停止工作。
经过安装了专门针对复杂工况的超声波液位计后,重新进行了现场测试,结果发现在正常水位距离探头2.5m时,开闸放水,水位降到5m后又回到2.5m水位时,仪表都能够正常工作。表2为水位测量结果。
 
7.结束语
阐述了实现复杂工况下超声波液位测量系统的软件和硬件设计,研究了低噪声程控放大电路的应用,介绍了智能超声波测量控制系统的软件设计,经试验,本套系统能够在较强干扰条件下实现稳定可靠的测量,为其控制系统提供准确可靠的测量数据,满足工业现场的测量要求。
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