一种高精度超声液位测量系统的研究

2002年12月

压　电　与　声　光

PIEZOELECTRICS&ACOUSTOOPTICS

.24No.6VolDec.2002

　　文章编号:100422474(2002)0620494203

一种高精度超声液位测量系统的研究

温淑慧

(燕山大学电气工程学院,秦皇岛066004)

　　摘　要:介绍一种双阈值技术提高精度的超声在线液位检测方法,系统采用参考探头的方法,消除温度、压力

等对液位高度的影响,利用脉冲反射法实现精确的超声液位测量,从而达到油罐液位测量的在线检测。

关键词:双阈值法;液位测量;脉冲反射法;超声测距中图分类号:TP21219　　　　文献标识码:A

AStudyofHighPrecisionUltrasonicLevelMeasurementSystem

WENShu-hui

(CollegeofElectricalEngineering,YanshanUniversity,Qinghuangdao066004,China)

　　Abstract:Thepaperintroducesamethodoflevelmeasurementwithdouble2thresholdtechniuetoimprovesys2temaccuracy.Simultaneitythesystemadoptsreferentialsensorforeliminatingtheeffectofliquidleveltemperatureandpressureetc,sorealizesaccurateultrasonicrangingandreachesthedemandofleveldetectionon2line.

Keywords:double2thresholdtechnique;thelevelmeasurement;pulse2echotechnique;ultrasonicdistance　

1　前言研究大型油罐液位测量,已成为油品输储行业的一项热点。其中较为突出问题是储罐液位的精确检测,以及相关生产装置的安全和平稳运作。同时,准确监测油位,防止油品溢出,防燃防爆,也是确保安全生产和环境保护的重要手段。

目前液位测量常用的浮子式、差压式和微波雷达式、激光雷达式和光导液位计等仪器均存在不同程度的缺点,主要是精度低、可维护性差、安装不便、结构复杂、价格昂贵等。针对这种状况,本文提出了油罐超声液位测量的双阈值法较好地解决了在温度变化和易燃、易爆环境下,安全可靠地进行油罐液位高度的在线检测,并且有效地提高了液位测量的精度[1]。

超声波液位测量具有广泛的实用性,它不仅能够定点和连续测位,而且能方便地提供遥测或遥控所需的信号,根据不同测量场合的需要,采用气体介质、液体介质、固体介质导声。与其他测位方法相比,超声波液位测量以其结构简单、非接触、安装、使用和维护方便,性能稳定可靠见长。鉴于上述优点,同时国内相关技术发展比较成熟,因此采用超声波在

线测量液位是可行的。

2　超声波液位测量原理

在超声波液位测量技术中,应用最广泛的是超声波脉冲回波方法[2],其工作原理可简述为:由发射传感器发出超声波脉冲,在介质中传到液面,经反射后再通过介质返回到接收传感器,由二次仪表测出超声波脉冲从发射声波到接收所需的时间,根据超声波在介质中传播的声速和发射传感器的安装高度,即可计算出液位高度,其测量原理如图1所示。

图1　超声波液位测量原理图

液位高度H为　　H=H0-H1=ct󰃗2

(1)

　　收稿日期:2001212225

作者简介:温淑慧(19692),女,黑龙江齐齐哈尔市人,讲师,硕士,主要从事测试计量技术的研究。

　第6期温淑慧:一种高精度超声液位测量系统的研究495　

式中　H为液位的高度;H0为探头到罐底的高度;

H

1

为探头到液位的高度;c为超声波在介质中传递

速度;t为测量探头发射和接收的时间。

根据反射次数不同,它又分为一次脉冲反射法和多次脉冲反射法。由于超声波探头距离液位有一定距离,而且超声波在空气中的衰减较大,因此采用一次反射法更能精确测量液位高度,确保系统有较高精度和电路可靠性。

超声波在不同的介质中声速差异很大,即使同一介质,它的声速也随着温度、压力、粘度或成分的变化而变化。在精确测量中产生的偏差是不容忽视的,为此可在系统中设置参考挡板进行补偿,使参考探头与挡板距离保持一定值,且此挡板不能挡住另一探头到液面的超声波。由于系统中温度、压力等条件相同,且测量探头和参考探头处于同一工作条件下,两个探头的声速基本上相同的,参考探头在此起到声速补偿的作用,因此不用再考虑温度、压力等对声速的影响。

那么参考探头到挡板的速度为(2)　　　　c=2L󰃗tx　　　L(3)　　　　H=H0-H1=ct󰃗2=Lt󰃗tx

由式(3)可以看出,距离的精确获得关键在于超声波传播时间的测量和声速的精确性。超声波传播时间的数字测量量程可表示为

n・c(4)　　　　x=

f

r

给定V1、V2,则t0为:

V2t1-V1t2(6)　　　　t0=

V2-V1

由于同步脉冲在线路中延迟较大,因此可利用发射波和回波的过零点求得声波的传播时间。如图2所示,两个过零点分别为t10和t20,由式(6)得

V2t11-V1t12　　　　t10=

V2-V1V2t21-V1t22　　　　t20=

V2-V1

则:

V2(t21-t11)-V1(t22-t12)　　∃t=t20-t10=

V2-V1

可见双阈值法能将单阈值法中产生的误差消除。

图2　双阈值波形图

3　测试系统结构

液位测量系统结构如图3所示。其中传感器1为参考探头,它与挡板之间的距离是固定不变的。传感器2为测量探头。单片机发出触发脉冲,经过整形放大,触发传感器发出超声波脉冲,回波脉冲被传感器接收后,经放大、整形被调制成脉宽信号,通过计数器测出脉冲宽度,即超声波传播的时间。再由单片机进行数据采集处理,然后进行报警、显示等。

式中　n为测距时间内的脉冲计数值;fr为时标晶

振频率。若c=340m󰃗s,分辨率要求达到1Λm,则时标晶振频率fr=170MHz。

超声波在媒质中传播,由于自身的衰减和媒质的吸收,接收波的幅值与波形都会发生变化。若采用最简单的上升沿检测方法——单阈值法,由于阈值的存在,实际计数时刻出现在理论值之后,即真正的到达时间和测量值之间有一个偏差,它随超声波换能器距被测液面的距离变化而变化。因此我们采用一种更复杂的上升沿检测方法——双阈值技术来测出参考通道的超声波传播时间td。如图2所示,回波的上升沿近似线性,可表示为

(5)　　　　Vt=a(t-t0)

式中　Vt为幅值;a为与幅值对应的曲率参数;t0为

脉冲开始时间;t为超声波幅值达到Vt的时间。在双阈值技术下,两阈值电压可表示为　　　　V1=a(t1-t0)　　　　V2=a(t2-t0)

图3　测量系统结构框图

4　测量系统的误差分析

411　产生误差原因

超声波检测过程中的误差主要有:

(1)仪器安装的位置不符合要求,如靠罐壁太

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近,液面上浮有金属物体、探头安装位置倾斜等。

(2)由于超声波传感器的频率较高,对二次仪表的要求也高,常规的超声波液位计的回波到达时间是利用回波前沿超过阈值而形成的方波的触发方法来测量的,它对液位测量也会形成误差。

(3)模拟信号的转换(硬件部分)和公式的运算(软件部分)误差等。

因此,二次仪表的误差主要包括信号传输延时误差、信号处理误差及脉冲技术误差等。412　减少误差的方法

(1)仪器安装的位置尽量符合要求;

(2)采用双阈值技术来测量超声波液位计的回波到达时间,这样可以精确计算出液位距离;

(3)为了减少随机误差,系统采用了软、硬件相结合的方法。

为了减少计数系统的量化误差,采用将脉宽插入,脉冲计数的测量方法。脉宽转换,脉冲计数方法测量迅速,编程简单。实现方法是在测量脉宽信号中添入脉冲,通过必要的计数线路,得到填充脉冲个数,从而算出待测信号计数值。为了提高系统分辨率,采用30MHz器作为脉宽插入脉冲计数方法。由于计数器的计数频率较高,因此由计数系统引起的测量误差是很小的。在软件设计时,为提高采样精度,软件中采用了平均值数字滤波技术,每一个高度点采样8次,去掉两个最大值和最小值,计算其余4个采样值的算术平均值,这种滤波方法即可以滤去尖脉冲干扰又可滤去小的随机干扰,有效提高了采

样精度。图4为主程序的流程图,图5为数据采集程序的流程图。

图5　数据采集程序的流程图

(4)采用两个超声传感器,一套二次仪表的测量方法,对系统误差有很强的抑制作用,两次测量的系统误差是可以相互抵消的。由于电容和有源元件引起的信号传输延时随频率不同而略有变化,在系统硬件设计时,尽量采用开关速率较快的有源元件,元件之间采用直接耦合的方式,以减少信号传输线路上的电容[3]。

5　结束语

本文提出的新型超声液位测量方法及系统,采用双阈值技术和设置参考探头的方法,消除或减小了因线路延迟、温度变化和信号幅值衰减引起的误差,提高了系统检测精度,极大地提高了超声液位测量的精度,为在温度变化和易燃易爆环境下,安全可靠地进行液位高度的在线检测提供了一条有效途径。参考文献:

[1]

陈祥光,姜　波1原油储罐液位检测计数的应用研究

[J].仪表技术与传感器,2001(5):402421

[2]MARIOLIDaniele.Digitaltime2of2flightmeasurement

forultrasonicsensors[M].IEEETransInstrum,Meas,1992,41(1):932971[3]

李建树,刘伟华,涂亚庆1提高超声液位测量精度的新方法[J].自动化与仪表,1997,12(1):8291

图4　主程序流程框图