（声学专业论文）超声波液位计的研制及稳定性研究.pdf

摘要 摘要 液位或者液位差测量在流量测量、压力测量、风洞实验等领域有广泛的应 用。 本文介绍的“超声波液位测量控制仪 和“超声波微压差计 是利用超声 波在同种介质中传播时，声速相对恒定以及碰到界面反射的原理研制而成的。 具有非接触、高精度、低价格、使用方便等优点。近年来，随着高速数字信号 处理技术与微处理器技术的进步，超声波液位差计的精度和稳度有了很大提高。 本文详细介绍了超声波液位测量技术的基本原理和实现方法。设计了系统 的软件、硬件，主要研究了温度对系统稳定性的影响。 整个系统以实用、稳定、可靠为最终设计目标，在保证实现基本功能的基 础上，对过去研制的微压差计做了一些改进： 1 用测得的幅度指导水平的调整。 2 用标准声时计算温度，大大提高温度的测量灵敏度。 3 标准长度管由垂直的安装改成水平安装。 4 用电子开关实现了几路测量共用一个放大器，提高精度的同时简化了硬件 电路的设计，降低了硬件成本。 5 采用了自发自收。 关键词：超声波液位计微压差计 a b s t r a c t l i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t o rl i q u i dl e v e ld i f f e r e n c em e a s u r e m e n tl sw l d e l y u s e di nt h ef i e l d so ff l o wm e t e r 、p r e s s u r ea n dw i n d t u n n e le x p e f i m e n t c u l t r a s o n i cl e v e lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lm e t e r a n d “u l t r a s o n i cp r e s s u r e d i 虢r e n c em e t e r a r eu s e do fw a v ep r o p a g a t e sa tt h ec o n s t a n ts p e e d i nt h es a m e m e d i u ma n dr e f l e c t sw h e nm e e t sw i t ho b s t a c l e a c c o r d i n g t ot h i st h e o r y ，u l t r a s o n l c l e v e lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ti sm a n u f a c t u r e d t h e m a i nm e r i t so fu l t r a s o n i c1 e v e l m e a s u r e m e n ta r en o n c o n t a c t ，h i g ha c c u r a c y ，l o wp r i c e ，c o n v e n i e n c eo fu s m g a n ds o o n i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h eh i g hd e v e l o p m e n t o fh i g hs p e e dd i g i t a lp r o c e s s l n g a n d m i c r o - p r o c e s s o r ，u l t r a s o n i cl i q u i dl e v e ld i f f e r e n c em e a s u r e m e n t i n s t r u m e n th a s o b t a i n e dg r e a tp r o g r e s s 髓ep a p e rd e e p l yi n t r o d u c e st h eb a s i cd i s c i p l ea n d t h er e a l i z i n gm e t h o do ft h e u l t r a s o n i cl e v e lm e a s u r e m e r i tt e c h n o l o g y d e s i g n e d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e s v s t e m ，w ep r o v e db yt h ee x p e r i m e n tt h a tt h es t a b i l i t yo ft h et e m p e f a t u r e h a s 铲e a t i n f l u e n c eo ft h ea c c u r a c yo ft h ei n s t r u m e n t f u n c t i o n ，s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya r cf i n a lg o a l so ft h ed e s i g no f t h ei n s t r u m e n to nt h e p r e m i s eo fr e a l i z i n gt h eb a s i cf u n c t i o n ，w em a k e o u ts o m ei m p r o v e m e n to ft h e i n s t r u m e n t ： 1 u s eas t a n d a r dv e l o c i t yo fs o u n d t oc a l c u l a t et e m p e r a t u r e ，r a i s et h ea c c u r a c y 0 ft h et e m p e r a t u r e 2 c h a n g es t a n d a r dl e n g t ht u b ef r o mp e r p e n d i c u l a r o ft h ei n s t r u m e n tt ot h el e v e l o ft h ei n s t r u m e n t 3 c a r t yo u ts e v e r a lr o a d s s h a r e a l la m p l i f i e r ，r a i s ea c c u r a c yi nt h em e a n t i m e s i m p l i f i e st h ed e s i g n o ft h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i t ，1 0 w 盯h 种d w 玳c o s t 4 a d o p ts e l f - t r a n s m i t t i n gf r o ma c c e p t - k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c l i q u i dl e v e lm e t e r p r e s s u r ed i f f e r e n c em e t e r 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 - 4 1 靴群等冶彩 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 口 芝 涉j搿轹年 签们l 第1 章引言 第1 章引言 1 1 概述 液位测量广泛应用于石油、化工、气象等部门。随着工业的发展，计算机、 微电子、传感器等高新技术的应用和研究，近年来液位仪表的研制得到了长足 的发展，以适应应用的要求。 按测量液位的感应元件与被测液体是否接触，液位仪表可以分为接触式和 非接触式两类。接触式液位测量主要有：人工检测法、浮子测量装置、伺服式测 量液位计、电容式测量液位计以及磁致伸缩液位计等。它们的共同点是测量的 感应元件与被测液体接触，即都存在着与被测液体相接触的测量部件且多数带 有可动部件。因此存在一定的磨损且容易被液体沾粘，尤其是杆式结构装置， 还需有较大的安装空间，安装和检修安装和检修不方便。 非接触式液位测量仪表的共同特点是测量的感应元件与被测液体不直接接 触。因此测量部件不受被测介质影响，也不影响被测介质，因而其适用范围较 为广泛，可用于接触式测量仪表不能测量的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、 污染性强、易结晶的介质。目前，市场上的液位仪表功能各异，价格差异也较 大。从国外液位仪的发展动向来看，将来的液位仪表的发展主要有三大趋势： 高精度、智能化和非接触测量。 本文着重介绍对原来研制的数字化微压差计的改进，和计量科学研究院高 精度液位监测和控制仪的研制，通过试验找出两种方案的优缺点，精度和稳定 度，并讨论进一步改进的方案。 1 2 非接触式液位仪表 1 2 1 非接触式仪表的种类f 1 i 非接触型测量仪表主要有超声波液位计、雷达液位计、射线液位计以及激 光液位计等。 ( 1 ) 超声波液位计：超声波液位计是非接触式液位计中发展最快的一种。目 前，智能化的超声波液位计能够对接收信号做处理和分析：可以将各种干扰信号 第1 章引言 过滤掉：识别多个回波：分析信号强度和环境温度等有关信息。这样即便在有外 界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。超声波液位计可以定点或连续地测 量，而且能方便地提供遥测和遥控所需的信号。同时，超声波液位计没有可动 部件，所以在安装和维护上相应比较方便。超声测位技术可适用于气体、液体 或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性且价格较为便宜。新型气密结 构、耐腐蚀的超声波传感器可测量高达1 5 m 的液位。 ( 2 ) 雷达液位计：雷达液位计发明于6 0 年代，通常采用调频雷达原理，利用 同步调频脉冲技术，将微波发射器和接收器安装在罐项，向液面发射频率调制 的微波信号。当接收到回波信号时，由于来回传播时间的延迟，发射频率收到 的回波的频率已发生了改变。将两种信号混合处理，所得信号的差频，正比于 罐顶到液面之间的距离。雷达液位计特别适用于高粘度或高污染的产品，如沥 青等。雷达液位计的测量精度较高，而且无需定期维修和重新定标，但是安装 比较复杂且价格不菲。 ( 3 ) 射线液位计：核辐射放出的射线( 如丫射线等) 具有较强的穿透能力，且 穿过不同厚度的介质有不同的衰减特性，核辐射式液位计正是利用这一原理来 测量液位的。核辐射式液位计的核辐射源用点式或狭长型结构安装在油罐的外 面，狭长型核辐射源检测元件也安装在油罐外面，可以用来对液位动态的变化 进行检测。除利用核辐射射线来测量之外，还可采用中子等射线来测量液位。 射线液位计安装方便，测量精度较高。因为它没有任何部件与被测物体直接接 触，特别适用于传统测量仪表不能解决的测量问题。缺点是对人体有伤害。 ( 4 ) 激光液位计：其测量原理类似于超声波液位计，只是采用光波代替了超 声波。发射传感器发射出激光，照射到被测液面，在液面处发生反射，接收传 感器接收反射光，将从发射至接收的时间长度换算成液位。激光的光束很窄， 在液位计中通过光学系统转换成约2 0 r i o n 宽的光束，这样即使被测物面很粗糙， 漫反射光也能被传感器接收。激光液位计非常适用于开口很狭窄的容器以及高 温、高粘度的测量对象。而缺点是对液面的波动很敏感，大罐内的油汽，水气 等微粒影响激光的传播，对测量不利，而且光学镜头必须定期地清洗，保持清 沽 f 口o 1 2 2 液位测量仪表的发展趋势 目前市场上液位计的种类繁多，多种液位计并存的局面还将继续存在，目 2 第1 章引言 前国内液位计采用的是引进加仿制的手段【2 h 5 l 。对于液位计的选择，应考虑其 成本、测量的精度、介质的介电常数、腐蚀性、波动状况以及其它影响现场测 量的因素。 超声波液位计是当前应用较多的非接触型液位测量仪表。超声波液位计具 有广泛的适用性，可以根据不同测量场合的需要，在气体介质、液体介质或固 体介质中应用。既可用来测量航道、水库的液位高度，也可以测量液化气罐、 化工塔等密闭容器内的液位高度。由于超声波液位计，没有可动部件，不存在 机械磨损、机械故障，因而其可靠性和使用寿命比其它接触式液位计要高。该 测量装置结构简单，不需要其它附加设施，安装、使用和维护都较方便。随着 电子技术的发展。单片机和d s p 技术的嵌入应用，超声波液位计的精度有了进一 步的提高，功能更加齐全。但其主要缺点是：音速随温度、储存物料的化学成分 和罐内蒸汽的运动而变化，影响测量的精度，需要进行补偿。 1 3 课题背景和研究目的 我们所发明y c - 1 型数字化超声波微压差计。利用超声技术测量压差在u 形 管中引起的液柱高度差，请中国计量科学研究院标定，精度为o 0 3 。1 9 9 6 年 1 2 月获国家实用新型专利，专利号z l9 5 2 4 4 7 9 9 1 。数字化超声波微压差计可用 于测量p i t o t 管或孔板上的压差，并把它换算成气体的流速或流量。也可用于 精测位移。测量结果可通过r s 2 3 2 口传送给计算机，实时地在屏幕上以图表和数 字形式直观、精确地显示，并进一步由计算机进行计算、分析、储存供以后回 访。 开始研制时，是用于标定吴淞煤气厂研制的7 0 0 毫米口径气体流量计，国 内能买到的压差计要么量程太小，要么精度不够高，此项目的研制，解决了用 p i t o t 管标定流量计精度不够高的难点。 与计量科学院合作研制一台高精度液柱高度测量和控制的仪器。希望在完 成这个课题的同时，对已研制的y c - 1 型超声波微压差计进行改进，并研制 3 5 c m ，1 0 0 c m ，和多通道微压差计( 用于测量管道中的流场分布) ，并争取逐步实 现产业化。本研究的难度和重点是高灵敏度( 0 1 微米) ，高稳定度，高精度， 大量程。 以前所研究的超声波微压差计，有下述缺点： 3 第1 章引言 1 采用玻璃的u 型管，存在易破碎，运输不方便； 2 原方案中，标准声时管是和地面垂直安装的，反射面上容易积气泡，影 响测量； 3 如果在测量前，强迫高低液柱的高度多次往返扰动，高、低柱内的液体经 过充分混和，温度能够比较一致，但是标准管中的液体温度无法调节、控制， 而测量高度差的关键是要求三者的声速、温度完全一致，否则不能完全补偿， 引起误差。新方案标准管是水平安装的，而且串接在高低液柱管之间，强迫高 低液柱的高度多次往返变化时，标准管里的水温也会和高低液柱管里水，一同 充分地混和交换，使得三者温度完全一致。 由于计量院对仪器的稳定性，可靠性以及精度的要求都很严格，希望做这 个课题的同时，解决微压差计中的缺陷。这对于我们是个挑战，而如果能成功， 液位差计将可能用于各省市计量局，做计量单位的压差标定的装置，及风洞风 量的测定和气体流量计的标定装置用，有填补空白和广泛的应用前景。 4 第2 章超声波液位计测量原理 第2 章超声波液位计测量原理 2 1 超声波传感器m h ”1 压电效应是法国物理学家居里的兄弟于1 8 8 0 年发现的，1 8 8 1 年利伯门从理 论上预计压电效应同时具有逆压电效应。压电效应和逆压电效应是超声学发展 史上的重大发现。 目前超声工业检测使用最多的是压电陶瓷超声波传感器。压电型超声波传 感器是借助于压电晶体的压电效应来工作的。在传感器的两电极上加上电压它 就产生位移，引起振动从而产生超声波。相反，如果电极间收到回波的振动信 号的挤压拉伸时，就产生电信号。 本系统选用2 m h z 的压电陶瓷超声波传感器( 频率低测时的精度会低一点) 。 2 2 超声波液位测量原理 超声波液位测量法是7 0 年代发展起来的一种新型液位测量方法，该方法利用 了超声波在相同的介质中传播速度不变的原理。超声波是机械波的一种，其最 明显的一个特征是方向性好，能够定向传播，当碰到障碍物时能够反射回来。 超声波声速的测量方法有很多 6 1 4 7 1 ，如脉冲回波法、共振法、频差法以及声 衰减法等，其中应用最广泛的是超声波脉冲回波法。它的基本工作原理是：传感 器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声介质传到被测液界面，形成反射波：反 射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由仪 表测量、计算出超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传 播的速度，利用公式 s = 竖( 2 - 1 ) 2 就可以算出液位的高度了。式( 2 - 1 ) 中的v 是声速：从超声波脉冲传播的时间 来确定液位都必须预先知道传声媒质的声速。然而，对于气介式和液介式或固 介式超声波液位计，声速都会随媒质的组成、温度、压强的变化而变化。我们 5 第2 章超卢波液位计测量原理 用标准管段直接测量声速来补偿温度变化对测量精度的影响，只有当测试条件 比较理想，媒质的成分、温度、压强等没有变化，才可把传声媒质的声速近似 看成不变，直接由测量的声波传播时间来确定液位，否则就应该对传声媒质的 声速进行测量、校正。根据传声媒质的不同，超声波液位测量技术可分为气介 式、液介式或固介式三类。根据所用传感器的工作方式，又可分为自发自收单 传感器方式和一发一收双传感器方式。组合后可以得到的六种检测方式。一般 说来，单探头的自发自收工作方式由于电缆、晶片少，来回传播距离严格一致， 是优先考虑采用的。 一发一收时，声程是直角三角形的斜边，声时的变化和反射面的距离不呈 严格的线性关系，自发自收的探头便避免了这一点。 l 1 li n 1 r l 探头 探头1 探头2 图2 1 一发一收探头和自发白收探头接收回波示意图 自发自收的情况下，经过的绝对声程为l 。一发一收的情况下实际的声程为 己1 = r + d 2 ，其中d 为晶片的直径。产生址；三1 一。r + d 2 一的绝对误差 仪器测量的高度l 的范围为1 0 0 m m 1 0 0 0 m m ，经过计算相应的绝对误差址在 0 1 6 2 m m - - 1 6 0 7 m m 范围内，这对整个系统的精度影响是很大的，所以实际的应 用中采用自发自收对提高系统的精度非常有意义。 本论文研究的两个系统： 一个是计量院合作的高精度超声波液位测量和控制仪，采用了两个超声波 6 第2 章超卢波液位计测量原理 传感器探头l 和探头2 ，均采用自发自收。传播媒质为纯水，测量原理如下图2 2 所示： 探头1 图2 2 高精度超声波液位测量和控制仪示意图 在测量具内，灌入适量的水，a 2 8 2 为液柱液面所在的位置。标准声时测量 时探头l ，和液面声时测量探头2 轮流地发射超声波，分别在到达a 1 8 1 和a 2 8 2 后被反射回来，再被探头l 和2 分别接收。经过的声程，分别为，2 l 1 、2 l 2 。 传播所需要的时间，分别为2 t 1 ，2 t 2 。事先我们已精确地测量了标准声时的传 播距离l i ：i1 5 1 5 m m ，t 1 是我们实验中精确测量得到的标准声时。标准声时里 已经扣除了由于探头壁厚、电缆、电路、触发电平、换能器粘接层厚度等等因 素所引进的声延时。由公式( 2 - 2 ) 我们可以算出液位的实际高度l 2 ，高差是实 际高度与原始高度的差，相减时由于探头壁厚、电缆、电路、触发电平、换能 器粘接层厚度等等因素所引进的声延时相互严格抵消，所以t 2 中的延时不需要 预先单独扣除。 1三2 丁1z 2 7 ( 2 2 ) 第2 章超声波液位计测量原理 第二套系统是我们实验室研制的超声波微压差计，仪器用三个超声波换能 器，探头l ，2 和探头3 均采用自发自收。测量的媒质为纯水。测量原理如图2 3 所示： 高、低液面声时探头1 和探头2 先后发射超声波，分别到达高位液面a 1 8 1 和地位液面a 2 8 2 后反射回来，再分别被探头1 、探头2 接收。经过的声程，分 别为，2 l 1 、2 l 2 。传播所需要的时间，分别为2 t 1 ，2 t 2 。其中t 0 是在实测的 声时中扣除了由于电缆长度，探头壁厚，晶片，电路、换能器粘接层厚度等引 起的延时丁，是纯的在长度l 0 = 2 9 9 6 m m 纯水中传播所需要的声时。在高低液 面柱罩，没有扣除延时a t 的影响，这是因为高低液柱的探头壁厚，晶片，电缆 长度，电路延时都基本一致，相减时就抵消了，即便有微小的差别，在原始高 差的记录中就记下来了，在计算中用的声时差t 卜t 2 ，是现在的高差和原始高差 的差别，现在的声时差和原始声时差的差别，完全是由于压差引起的高差缸， 造成的的声时差别。标准段的长度l 0 = 2 , 9 9 6 m m 是事先精确测量出来的，t l 、 t 2 是我们实验中精确测量得到的高低液柱的声时，由公式( 2 - 3 ) 便可以求得两 边液位的高度差缸。 ( 2 - 3 ) r 1 一r 2 缸 。_ - 。一= 一 t 0l 0 则得到液位差：i v = ( t i - t 2 ) l o t 0 下图便是高精度超声波微压差计的测量原理图： 8 ( 2 - 4 ) 第2 章超声波液位计测量原理 探头 进气孔进水孔 探头1探头2 图2 。3 高精度超卢波微压差计示意图 探头具的基座上，有三根调节螺丝，用来调节晶片和水平面的平行，严格 水平时t i = t 2 ，但调到0 1 n s 都不差很难。另外为了单片机的计算方便，要求高 声柱声时调到比低柱的声时稍微大一点点，开始测量时把初始时差记下来。在 公式里的t 1 1 r 2 是现在的高差减掉原始的高差，就把这个初始时差严格地抵消 了。 2 3 声时测量方法 2 3 1 常用的声速测量方法 声速是声学中测量精度最高，应用面最广的一个声学量。前辈有许多科学 家用了毕生的精力，研制了多种方法，其中应用面最广的有，干涉仪，脉冲回 鸣法，脉冲叠加法和脉冲重合法等。干涉仪和脉冲重合法精度很高，但需要人 工操做，脉冲回鸣法和脉冲叠加法由于前面提到的声延时的影响，总是美中不 足。 9 第2 章超声波液位计测量原理 我们经过多年的研究，发明了“随机多次测量后平均 的测时方法，它有 电路简单，灵敏度、精度高，抗干扰能力强，能实现在线连续测量的优点。 这里要说明一点。当换能器安装完毕后，一般就不再改变声程，这样声速 测量的重点，实际上就是声时。 2 3 2 多次测量后平均的测时方法【8 l 单片机用发射瞬刻，和鉴别出来的回波到达瞬刻( 过零点电平) ，产生一个 发射到接收瞬刻的方波，用这个方波控制计时门的计时宽度。通过计数在这个 宽度中通过计数门的2 5 m h z 石英晶体时标的个数，我们就可计量发射到接收所 需要的时间。如果发射的瞬刻和时标是同步的，那么我们随便测量多少次，结 果都是一样的，也就是多次测量不能提高测量的精度。其测时的精度为1 个时 标宽度z 。而如果发射的瞬刻和时标信号是不同步，即随机时，每一次测量中， 通过计时门的时标个数也是随机的，可能为f i 或n + l 。n 或n + l 出现的概率取决 于声时的时间宽度t 。如果实际声时为9 8 2 个时标的宽度，那么出现9 个时标 的机率为1 8 ，而出现l o 个时标的机率为8 2 。当进行n 次重复测量，而且n 一 时，其平均值就近等于真值 n f = t 专矿 ( 2 _ 5 ) 在用随机多次方法进行测时时，整数个数的时标通过计时门的计数，数目 是不会计错的，误差仅发生在发射和接收到达的这两个瞬刻的计量。假设发射 正好发生在时标中心位置时的误差为0 ，即把时标x 轴的原点定在时标的中心位 置上，见下图所示： 图2 3 超声波发射示意图 1 0 第2 章超声波液位计测量原理 这样发射瞬刻发生在时标轴上的坐标x ，就等于声时测量的误差。由于发射 信号与时标是不同步的，是随机的，所以发射瞬刻，在x 轴上出现的位置也是 随机的，均匀分布的，即在- r 2 到+ z 2 这个时段中，发射瞬刻在每个坐标点 上出现的几率是相同的，发射瞬刻产生的平均方差为： r 2 v 2 f 2 点一1 2 ( 2 叫) 同样，声波到达瞬刻的平均方差也是f 2 1 2 。所以一次时间f u j n 澳 j 量的平均 平方误差为f 2 5 。按定义多次测量后平均，得到的平均值的标准误差为： 巫塑= 亟丕= 三 c 2 卅 nn 4 6 n 测量中我们采用2 5 m h z 的时标，即f = 4 0 纳秒( 1 n s = 1 0 呻s ) ，采用6 4 0 0 次测 量的平均( n = 6 4 0 0 ) ，那么标准误差只有0 2 纳秒( n s ) 。比时标的4 0 n s 整整小 了2 0 0 倍，相当于5 0 0 0 m h z 计数器的计数结果，是非常高的。 实际上为了提高声时的测量精度，单单有好的测时方法还不够。我们还必 须要保证发射到接收回波瞬刻这个开门方波稳定、准确，否则还不能保证测到 高的精度。所以我们在仪器的测时电路及软件中，采用了下列多种提高测时精 度的技术措施： ( 1 ) 采用可能高的高性能的发射电路和低噪声的放大电路，提高发射、接 收能力，使要测量的接收波信号尽可能地饱和。 ( 2 ) 尽可能采取高的晶振时标频率2 5 m h z 。采用2 5 帆z 的晶振时标频率是为 了能保证高的精度，又能使用一般的t t l 级的计数电路。 ( 3 ) 尽可能高的声波频率2 m h z 。频率太高了会影响接收波的信号强度，影 响稳定性，需要综合考虑。 ( 4 ) 尽可能真j 下地过零电平检测。 ( 5 ) “随机多次测量声时后平均 的测时方法，大大提高测时的灵敏度和 精度。 第2 章超声波液位计测量原理 ( 6 ) 软件自动判别并剔除，因为气泡、杂质、颗粒或电噪声干扰等引起的声 时变化过大，幅度过小的错误数据。 通过上述措施的综合地实施，大大地提高了仪器的抗干扰性能及声时的测 量精度。 1 2 第3 章系统硬件设计 第3 章系统硬件设计 3 1 系统电路设计瑚1 2 1 1 图3 1 微压羞计总体框图 整个系统由8 9 c 5 1 ，发射电路，电子开关，放大电路，测时门，过零电平检 测电路，测幅门，串行口输出等几个部分构成，其工作原理为： 测量时单片机依次触发1 ，2 ，3 三个发射电路，用电子开关轮流地把接收 回波信号接到同一个放大器上，再用同一个过零点电平检测电路，产生一个从 发射到接收的正方波，用来控制计时门的开关宽度，计录发射到接收这个时段中 能够通过门的时标个数，经过高速计时分频得到的低频的时标信号直接由8 9 c 5 1 第3 章系统硬件设计 的t o il 计量，高频的部分由8 9 c 5 1 控制的测时三态门传给p 0 数据口读入。从而得 到从脉冲发射到接收这段时间的声时，在测时的同时，经过放大的接收信号， 还通过宽度由8 9 c 5 1 控制的计幅门，经高速计幅门分频的低频的幅度信号直接由 8 9 c 5 1 的t l 口计量，高频的部分由8 9 c 5 1 控制的测幅三态门传给p o 数据口，读入。 单片机再用“随机多次测量后平均的测时方法，算出声时的平均值，大 大提高了声时测量的灵敏度和精度。 单片机按公式( 2 - 4 ) 算出液位的高差，还将关键的数据通过r s 2 3 2 口传给计 算机进一步计算，显示，储存( 以备查看) 。 图3 2 高精度液位测量控制仪总体框图 整个系统主要由单片机的c p u ，发射电路，电子开关，探头，放大电路，测 时门，过零电平检测电路，测幅门，光电隔离，伺服电机等几个部分构成，工 1 4 第3 章系统硬件设计 作过程和微压差计的相仿，只多了两个控制伺服电机正反向旋转的脉冲信号输 出。 3 2 单片机选择及其特点例邶1 单片机的发展历史不长，1 9 7 1 年，i n t e l 首次推出4 0 0 4 单片机( 4 位机) 。1 9 7 6 年，i n t e l 推出m c s 一4 8 单片机( 8 位机) ，1 9 8 0 年，i n t e l 推甘j m c s - 5 1 单片机( 8 位 机) ，在m c s 一5 1 单片机内核的基础上，i n t e l ，p h i l i p s ，s i e m e n s ，a t m e l 等公 司又相继推出名目繁多的5 1 派生单片机芯片，使5 l 系列单片机成为目前应用最 为广泛的单片机。 仪器中我们采用的是m c s 一5 1 系列的8 9 c 5 1 芯片，其主要性能如下 表3 1 单片机性能示意图 型号片内片内r a m寻址范计数器并行口串行中断 r o m 围 口 源 8 9 c 5 i4 k b1 2 8 b2 8 4 6 k b2 木1 64 * 815 8 0 5 1 芯片具有： 控制能力强、体积小、功耗小； 成本低、开发周期短、集成度高； 速度快、指令周期为u s 级：功能强、有丰富的内置资源； 易于商品化、大多数厂家提供配套的外围接口芯片； 抗干扰性强等特点。 随着数字技术的发展，单片机的应用越来越广泛，单片机程序取代了原来 传统的电路设计，使电路简单稳定。单片机系统逐渐取代了老式的测量、控制 仪表、实现从模拟仪器向数字化、智能化仪表的转化。如各种温度仪表、压力 仪表、流量仪表、电能计量仪表等。 在系统中单片机是核心的部分，控制着超声信号的发射和接收，并进行对 接收到的声时信号进行判断后采集，运算。数据在单片机运算后再传给l c d 和 计算机，在计算机内又对数据进行更复杂的运算，处理在屏幕上用数字和图表 的形式显示并存储。 3 2 1 微压差计引脚设计 第3 章系统硬件设计 微压差计单片机引脚设计如图3 3 所示： p 0 的0 - 7 引脚负责数据的传输，称为数据总线。p 1 的0 、1 引脚分别控制 高柱声时、低柱声时、标准声时的发射；4 脚是延时单稳；5 、6 是电子开关的 控制线。p 2 的0 口控制测幅三态门的开关；3 脚清高速测时和测幅分频器：2 脚 控制高速测时的p 0 口读入；6 脚低位时p 0 口给l c d 发的数据是命令，高位时 给l c d 的数据就是数据。p 3 的2 脚是测幅门的控制线，高电平时测幅门打开；l 脚是串行口的输出端；4 脚是低频声时的读入口；5 是低频幅度的读入口。 0 0 一 一1 1 2一 3 卜 4 p 3 p 2 4 5 5 - 一 一6 8 9 c 5 1 争一 一b卜 - 7 7 _ 一 00 、 1 1 2 2 33 4 p 1p 0 4 55 66 77 图3 3 微压差计单片机引脚设计 3 2 2 液位计引脚设计 1 6 电子 继电 器控 制线 第3 章系统硬件设计 高精度液位测量和控制仪单片机引脚设计如图3 4 所示： 电子 继电 器控 制线 图3 4 高精度液位测量和控制仪单片机引脚设计 本引脚图和微压差计基本一样，就是p 3 的0 和2 脚分别输出推动伺服电机 正反向旋转的控制信号。 ， 3 3 声时的测量和过零电平检测n 6 1 超声波发射和接收测时装置采用了高频的发射三极管和低噪声、低漂移的 接收放大器，声时的测量由单片机通过对从发射到接收这段时间间隔中，计数 通过测时门的高频时标脉冲个数的方法得到。超声波的发射由单片机的程序控 1 7 第3 章系统硬件设计 制：首先由单片机触发发射电路，使超声换能器发出一个超声脉冲，超声脉冲 信号经对面换能器接收后传回放大器被放大，再由过零电平检测检电路，测出 接收信号到达的瞬间，产生一个发射到接收的正方波，控制计时门电路的计数 宽度，再由计数器计出从超声波发射到接收这个时间间隔中，通过计时门的高 频时标脉冲的个数，单片机用随机多次测量的方法测得所需测量的声时。单片 机通过r s 2 3 2 接口将重要的数据传送给计算机。 各关键点的信号原理，见图3 5 所示： “) ( 5 ) n l 发射 接收 过零电甲检测电路 的输出 时标信号 计数器输入 图3 5 发射接收信号原理图 对于接收信号到达瞬刻的判断，采用测量过零电平的到达瞬刻，好处是当 接收幅度变化时，过零电平到达的瞬刻基本上是不改变的。若不是测过零电平 瞬刻，而测一定幅度到达的瞬刻，那么幅度变化时判断的声波到达的瞬刻将变 化，不掉波时最大误差可达f 4 。如果还有掉波，误差就大于f 甚至几个f ( f 为 声波的周期) 。我们无法测到首波到达的过零电平瞬刻。因为首波到达的过零电 平瞬刻是淹没在噪声里的。为了测到过零电平的到达瞬刻，先用一个鉴别域高 的施密特触发器检测到首波信号的到达，再用鉴别域为零的施密特过零电平检 测器从放大倍数尽可能大的放大信号中，检测出与首波到达信号最邻近的过零 电平的到达瞬刻。这样，在实际测量过程中，计时系统在发出一个声信号的同 1 8 第3 章系统硬什设计 时开始计时，在测到回波的过零电平信号后，停止计时就得到t i m e l 。由于所测 到的时间还包括了各种延迟，例如声波在电缆线、电路中、压电陶瓷晶片中， 探头壁厚中，和晶片的粘合层中传播所用的时间等。只有将这些延迟时间的总 和at 从测得的声时中扣去，才能得到声波在媒质中传播的声时。采用的方法 是用第一次和第二次回波测到的声时中算出t 和t 。以下做一个简要的说明： 第一次回波到达的时间问隔，由声波在液体中往返传播的声时2 t 和声延时 a t 两部分组成： t i m e l = 2 t + t( 3 1 ) 第二次回波到达的时间间隔由声波在液体中两次往返传播的声时4 t 和声延 时t 两部分组成： t i m e 2 = 4 t + t( 3 - 2 ) 显然 t = t i m e l - ( t i m e 2 - t i m e l )( 3 3 ) 这样可以将延迟时间算出来。考虑到，该延迟时间在探头安装完后基本上 是不变的，所以只需要在实验室罩精密地测量，算出t ，然后在现场的测量到 的声时中扣除这个精确测得的延时at 。这个做法可以大大降低对仪器的要求， 又能保证仪器的精度。每个探头由于壁厚，电缆长度，电路和耦合层厚度等的 不同，声延时是不同的，at 都应该分别测量。 3 4 电子开关和放大电路淄艏j 在以前的电路中，接收到的信号是直接送到各自的放大器进行放大的。现 在我采用电子开关，几个电路都使用同一个放大器对接收信号进行放大，同一 个过零电平检测电路检测。这样如果放大器或过零电平检测等电路等有点漂 移，增益变化等，将对各路测量的影响一样，计算用的声时差数据都相减了用 的，任何的影响就相互抵消。省了元器件，还有效地消除了放大器，过零电平 检测等电路漂移不同造成的误差，大大提高了仪器的稳定度和精度。 3 5 测幅电路 1 9 第3 章系统硬件设计 在电路设计中，还加了一个高精度的测幅电路。当晶片严格地水平时，反 射信号就强，接受幅度就大，用接受幅度的变大来判断、指导调节水平比水准 泡中看来得准确方便，更能保证液柱中信号的强度，仪器的稳定度。比用水准 泡灵敏，准确。 第4 章系统误差分析 第4 章系统误差的因素分析 4 1 引起的误差的因素 系统本身带来的系统误差主要是超声换能器的反应有一定的时间延迟；系 统对回波信号的处理需要一定的时间；系统调平时引入的偏差；数据处理过程 中带来的误差这些误差都是系统误差。 实验过程中的引起偶然误差得因素主要是干扰信号：包括噪声信号，电脉 冲干扰信号等。 4 2 声延时引起的误差 声延时a t 引起的误差声延时包括探头壁厚，电缆，电器元件等造成的。实 验仪器是采用得自发自收得探头形式所以测量直达波到达时间 毛+ 丁 第二次回波得到达时间为 2 r o + a t + 根据公式 a t = 2 ( t o + r ) - ( 2 t o + 丁) 求得声延时。在实际的测量中，在5 0 c 到5 6o c 之间取2 5 6 个点，就是每隔0 2 度测一次声延时，并对每个点采集五次数据进行均值，最后对2 5 6 个平均值进 行平均求得声延时。重复测量四次，对取得的四个声延时再进行平均测量得到 声延时和温度关系得到平均声延时算出均方根误差。由于声延时a t 是两次独立 测量声时后算出所以一次测量的误差大致为1 6 6 n s ，在实验中测得的声时都是 直接扣除声延时后的真实数据。 4 3 调水平引起的误差 晶片和液柱表面的平行，是保证正常地进行测量工作的关键条件之一，如果 不严格平行，接收信号的强度就会降低，就会降低仪器的抗干扰能力，而且不 平行时，声时和距离不一定呈严格的线性关系，就要影响测量的精度。 2 1 第4 章系统误差分析 水平的调整，通过调整探头底座上的平衡调节螺钉来完成。仪器底座和调 节螺钉的位置安排，如图4 1 所示： e 图4 1 仪器底座模型 b c a b c d 平面为仪器的底座平板，c d e 为三个支撑点，当调整e 点的时候，底座 表面各点的高度变化，其实质是平面沿着d 和c 两支撑点为轴转动，工作平面以 d c 两点连线为界，两边高度的变化相反，支撑点d ，c 类推。 前面已经介绍过，液柱的表面不水平时，探头接收到的回波次数减少，而 且非常地敏感。在单片机程序中的测幅电路，便是用来解决调平这个问题，水 平时的回波次数多接收幅度大，不水平时回波次数少接收幅度小。调整某一个 支撑点时，同时观察l c d 显示的幅度的变化方向，和液柱声时的变化方向，从而 确定调整的方向是否正确。下图是现场调平时接收幅度大小和回波次数的对应 图片： 从下面图片中可以看出幅度的变化范围非常的大，从几百到几十万之间变 化，幅度变化所引起的回波数目的变化同样的非常明显，从几个回波到十几个 回波。 在微压差计中通过幅度来调平的时候，同时观察高低柱声时的变化。 图4 2 为幅度大小为2 1 0 时接收到的回波图： 第4 章系统误差分析 图42 幅度为2 1 0 时接收脉冲示意图 此时有四个明显的接收回波，三个不明显的接收h 波，但只有前三个能够 通过门限信号被接收探头检测到，幅度值相应的比较小。 下图为幅度大小为7 7 4 8 9 时接收到的回波图： 【 忙一- r _ _ ii 43 幅度为7 7 4 8 9 时接收脉冲示意蹦 此时已经是在第一个调平的螺丝到达调平点时的图片。这里的调平点其实 是一个跳变值，在调平的时候正确的幅度变化值是向着增加的方向变化，当调 第4 章系统误差分析 整到一定的程度，幅度会突然由增长的趋势变小，这个点就是此调平螺丝的最 终调平点。 图43 已经有7 个比较明显的接收回波信号，而且前面4 个信号的幅度也都 非常明显，趋于饱和。 下图为幅度大小为1 0 1 4 4 9 时接收到的回波图： 图44 幅度为1 0 1 4 4 9 时接收脉冲示意幽 图4 4 即为仪器已经调平时的回波脉冲接收图，有8 个明显的回波信号， 有四个饱和的回波信号和一个接近饱和的回波信号。与图43 相比较回波信号 幅度有明显的增大，回波信号明显变强次数变多。 4 4 温度的影响 在理想环境下，超声波在一种介质中的传播速度保持不变，但是随着温度 的变化，超声波的速度也相应的发生变化，而且声速随温度的变化比较大，因 此产生的寝i 量误差也比较大。本系统是设计在常温且温度变化比较小或者保温 的前提下工作的。如果在环境温度比较大的情况下进行测量时，需要考虑声速 补偿的问题。补偿的方法有： 1 ) 温度测量补偿：利用温度传感器实测温度来实现声速阃接补偿的设计方 法。 第4 章系统误差分析 但是，目前普遍使用的铂电阻温度计的精度和灵敏度比较低，分辨率大约 为o 2o c ，测量温度范围为0 - 5 2 10 c 。且铂电阻只能测量其附近的温度变化， 液体的温度变化传到电阻也有一定的延迟。 由于声时对温度的变化非常的敏感，在实验中我们采用了用声时反推温度 的方法，灵敏度可以达到万分之一，可以测量的温度变化范围为o 一9 0 摄氏度。 具体的测量方法为： 在进行正式的实验之前测量多条声速一温度曲线，从1 0 3 5 0 c 。拟合后与 n y k o l a ib i l a n i n k 等人测试出的声速温度曲线f 2 5 2 6 j 进行比较逼近，进行温度的 校正。 实验中，使用的是铂电阻温度计，其温度值直接通过程序读进计算机进行 存储，同时使用精度为0 1o c 的水银温度计进行多点的和不定时的测温与铂电 阻温度计的读数进行比较，得出以下结论：在某点的温度下，声时的测量值， 与真实值非常逼近。经过分析推理发现误差出现在： 1 距离l 测量的不精确上这就要求对距离进行校正，l 得校正方法为：拟合 多组测量出的声速一温度曲线，求平均，与标准的声速一温度曲线进行逼近。曲 线的趋势近似，但在同一温度下测量声速与标准声速存在一偏差，这一偏差的 存在就是l 的测量不精确引起的。修改l 值与标准声速一温度曲线进行逼近。 把最近似于标准声速温度曲线的l 值记录下来，定为标准的l 值。 2 铂电阻温度计的读数比实际的温度要延迟一点，并有o 30 c 左右的偏差。 考虑到这个问题，采用了用校正l 后的声时来反映温度的方法。对标准的温 度c ，声时t ，由公式c = a , 7 5 + 4 丁4 + 4 丁3 + 4 t 2 + 4 7 1 + 4 r 得到拟合系数 a 0 - a 5 ，把距离校正后实测的标准声时带入拟合公式，得到当前的温度。以下为 校正后的l 值和拟合系数： 液位测量和控制仪： i = 1 15 15m m 4 一i 2 6 2 8 3 8 1 2 0 3 e 一0 4 、 4 3 1 1 8 1 1 2 3 9 4 7 e + 0 1 、 4 5 3 8 5 2 9 2 11 4 4 4 e + 0 5 、 微压差计： l _ - 9 9 6m i l l