英文翻译译文-超声波密封容器液位测量的仪器开发

超声波密封容器液位测量的仪器开发摘要超声波在液位测量领域是一种高效的方法。超声波传播过程中，在两种不同的介质的界面会发生反射和折射。反射系数取决于两种介质的相对声阻抗。超声波的这种特性应用于密封容器的液位测量和基于程序软件开发的仪表系统。首先，系统的结构和工作原理的实现；随后的发射和接收电路设计；在此之后，此软件被二次开发的数据采集卡改进；最后改进的仪器被应用于客运列车的空调压缩机的液位测量中。开发工具提供了一个对于密封容器的液位测量的有效方法。由于这种仪器是模块化结构，它可以很容易应用于其他相关领域。关键词：超声波；液位测量；发射和接受回路；二次开发1.简介在中国用于客运列车的空调压缩机通常是一个密封的容器，它发生故障可能是由于机械故障、电气故障或其他类型的故障。但维修车间的反馈表明，其大部分的故障发生，是由于容器内的冷冻机油减少到水平定线以下1。所以保持它的液面高度足以确保空调正常运行很重要的。本文采用超声波检测方法来实现液位测量。传统的超声波测试系统的诊断结论通常是由观察回声波探伤仪的CRT显示。为了进一步分析回波信号，得出更准确的结论，开发出了基于一种编程软件的仪器。信号数据不仅可以在屏幕上显示，而且能进行存储以进一步分析，提高了测量的可靠性。2.系统结构如图1所示，该仪器主要由一个换能器，发射与接收电路，DAQ（DAQ：数据采集）和一个笔记本电脑。发射电路产生高压电子脉冲作用在超声换能器激发其发射超声波。回波被接收电路和采集卡放大并接收。分析这些获得的数据，并在计算机应用程序中执行2。图1系统结构框图超声换能器是一种可逆的部件。它的工作原理基于压电效应，压电效应包括正压电效应和逆压电效应34。超声波的发射原理根据逆向效应，回波信号的接收则遵循正压电效应。压电效应的原理如图2所示。如果它的电极加上电压，压电晶体将发生振动，厚度变化方向根据电压的正极或负极。这对工件的振动最终导致材料的粒子振动，因此超声波得以传播。接收回波信号则是一个完全相反的过程。反射波引起压电晶体的振动，然后压电晶体的振动所产生的电信号被放大和接收。电声转换由发射电路完成。图2压电效应在超声波传播的过程中，它会在不同媒介的界面会发生反射和折射。反射系数取决于两种介质的相对声阻抗。由于气体的声阻抗（Zgas=0.408103kg/m2sec）是完全不同与石油（Zoil=1288103kg/m2sec），钢气界面的反射声强度和钢液界面不同，特别是经过多次反射后1。因此通过分析反射回波，就可确定液位。3.发射和接收回路被控制脉冲触发后，发射电路产生大范围窄脉冲激励换能器发射超声波。发射电路需要的高电压由一个较大电容器和一个场效应晶体管（IRF830）所提供。发射电路的工作原理如图3所示。当G（门极）处于高电平，D（漏极）和S（源极）将导通，电容器放电。由于电容器电荷不能突变，故将产生高压负脉冲，晶体会因受到此负脉冲的激发发出超声波。、图3发射电路的工作原理回波信号在压电晶体被转换成电信号后，被接收电路接收。虽然使用集成运算放大器来设计接收电路很容易，但其输出效果不佳的，因为被放大后的信号微弱，频带也宽。所以在本文中，使用分立元件（三级复合管）实现第二级放大。通过这两级放大后，信号另外再由集成运算放大器LF357N放大。从测试结果看，改进后的接收电路性能稳定，信号放大达到60分贝。接收电路的原理图如图4所示。图4接收电路的原理图仪器的硬件结构有以下特性：（1）它造价并不昂贵。硬件主要由传感器，发射和接收电路，数据采集卡和一个笔记本电脑组成。模拟信号是通过采集卡转换成数字信号，通过平行端口与计算机通信。（2）由于其供电模式，此仪器也可以完成户外工作。采集卡和传输接收电路的电源是由铅蓄电池提供的，笔记本电脑也都自己的充电电源，因此仪器可以在没有商用电源的情况下工作。（3）此系统可以集成为一个便携式仪器，很多分析可以通过开发软件完成。4.数据采集卡的二次开发数据采集卡通过并行端口与计算机进行通信，由多路转接器，放大器，采样保持器，模数转换器等组成。软件首先初始化端口基地址。采集卡的缓冲区与内存连接着数据的采集和存储5。采集卡的驱动程序实现控制采集卡和计算机之间的通信。数据采集的结构如图5所示。图5数据采集的结构采集卡二次开发的主要任务是开发友好用户界面的应用程序。Dll（动态链接库）在应用程序中用以驱动硬件卡，它能获取内存中的数据并将其显示在计算机屏幕上。通过采集卡的二次开发的应用程序，可以自动完成数据采集和一些特殊的分析功能。测试时，该仪器不仅可以获得原始数据，而且还能给出回波信号的实时分析和换能器与液位之间相对位置的结果。因此液位测量是容易并且是自动完成的。仪器软件随着VisalBasic6.0和MeasrementStdio6.0而得到发展。适用于VBStdio6.0软件包的测量组件提供了在VisalBasic开发环境中使用的ActiveX控件。这些控件包括接口控制、数据分析和信号处理功能，数据采集和仪器控制的I/O库等等。这些控件的使用扩展了VisalBasic的开发环境，使它成为更容易开发的软件。图6是数据采集部分的用户界面。图6数据采集组件图使用VisalBasic6.0和MeasrementStdio6.0进行采集卡二次开发的主要步骤如下：（1）在VisalBasic调用DLL（动态链接库）驱动硬件和设置全局参数和端口基地址。（2）开发能实现数字示波器功能的数据采集程序。这个模块可以存储信号并将其显示在计算机的屏幕上，此外它还有一些数据处理的函数。（3）编程出信号分析和处理的功能。这些函数可以按要求进行编程，可以分析实时和历史信号。（4）设计文件管理和数据维护模块。这个模块包括报告生成和打印部分，数据存储部分和测量记录数据库。（5）将开发项目打包成一个安装程序。总之，仪器的开发软件具有以下优点：1）可以实现数字示波器的功能；2）具有友好的用户界面，很容易地操作；3）它可以分析实时和历史数据，显示传感器和液位之间的相对位置；3）它以ASCII格式存储测试数据，自动生成测试报告；4）它是由几个独立的模块，可以很方便应用于其他相关领域。5.该仪器在液位测量中的应用直接接触测量方法不适合压缩机密封条件下的液位测量。因此需采用应用超声波的非接触测量方法。超声波传播过程中，会在两种不同介质的界面发生反射和折射。反射系数取决于两种介质的相对声阻抗。钢汽接口的多次反射回声的振幅远高于钢液接口的。所以当上下移动换能器时，通过对回波信号的实时分析可观察到液位高度，图7（a）显示了传感器的位置。图7（b）是一个非密闭压缩机容器。（a）传感器的放置（b）非密闭压缩机容器图7传感器的放置和传感器压缩机为了提高测量的精度，其采用如图8所示的交叉换能器。这是一种线聚焦；焦距为5毫米，这和容器的壁厚相同。换能器的型号是1.25P12F5。传感器是固定在一个可以沿容器的壁上下运动的移动装置上。测量的工作人员固定传感器显示其高度；同时仪器分析实时获得的信号，并显示传感器和液位之间的位置，采用这种方法完成测量。下面的图9显示了上液面和下液面的回波。图8超声波传感器图9（a）下液面的回波