一種高精度超聲波物位計及測量方法與流程
2023-05-01 01:19:11
本發明涉及超聲波物位計，特別涉及一種高精度超聲波物位計及測量方法。
背景技術：
超聲波物位計的回波信號一般需經過濾波、放大、包絡檢波等信號處理電路，進而通過電壓比較和過零比較確定回波檢測點、計算傳播時間，根據正逆程時間差，實現距離測量的功能。超聲波發出的信號發射幅值一般不大，在幾伏到十幾伏。經過介質傳播後，信號幅值一般會衰減到十幾到幾十毫伏，必須經過信號的放大處理，才能夠穩定可靠地進行後續的檢波和比較等信號處理，放大後的信號幅值一般在幾百毫伏到幾伏。信號放大電路中，如果放大倍數過大，就會引入過大的噪聲或者產生回波信號失真現象。如果放大倍數過小，就會使回波檢測點的測量不穩定，導致檢測不到真實的回波。測量電路中，回波信號強度一般通過幅值檢測，經過AD採樣，測得信號幅值。 超聲波脈衝發射時，不能同時檢測反射的回波，因為發射的超聲波脈衝具有一定的時間寬度，同時發射完超聲波後傳感器還有餘振，期間不能檢測反射回波，因此從探頭表面向下開始的一小段距離無法正常檢測，這段距離稱為盲區，被測的最高物位如進入盲區，儀表將不能正確檢測，會出現誤差。超聲波在氣體中的傳播速度還受氣體溫度所影響，因此物位計工作時需要檢測周圍環境溫度，對聲速進行溫度補償，以保證測量精度。
技術實現要素：
鑑於現有技術存在的問題，本發明提供一種高精度超聲波物位計及測量方法，首先是增加了儀表對溫度信號的採集，溫度補償提高測量精度，其次是自動調整增益，使回波信號的幅值達到最佳，確保測量結果的可靠穩定性，同時設計了多通道可調量程電路，具體技術方案是，一種高精度超聲波物位計，電路部分包括供電電路、發射採集信號處理電路、多通道可調量程電路、中間處理過程電路、溫度採集電路及單片機電路，其特徵在於：供電電路連接為供電電源為24V直流,輸入端分別連接瞬變抑制二極體D3兩端、電感L2輸入兩端，二極體D3一端連測試點M1，電感L2輸出兩端連接電容C4，電容C4兩端分別串接電感L1、L3與電容C5並聯，電感L1一端連試點M2、連二極體D2，輸出端為LOOP；發射採集信號處理電路連接為超聲波探頭換能器正極串接電阻R4後與電容C3一端連接，超聲波探頭換能器負極和屏蔽線端與電阻R20、R22、電容C14一端連接並接地，在換能器的正負極之間並聯D1，電容C3另一端為試點M14、電阻R7和R20接到三極體Q6基極，電阻R7另一端供電為3.3V，電阻R22、電容C14並聯接三極體Q6發射極，三極體Q6集電極經電阻R10接3.3V，三極體Q6集電極接電容C17後為試點M15，信號放大器U6的8引腳為測試點M12，信號放大器U6的7引腳接電阻R14後接地，3.3V與SGND之間為0.01uF電容，信號放大器U6的VDD、ADO端接供電電壓3.3V，SCL、SDA端分別接到單片機的P2.0,P3.2引腳，U6的1引腳輸出端連接到中間處理過程電路的輸入端；中間處理過程電路包括有運算放大電路和後續處理過程電路，運算放大電路連接為晶片U2的1引腳接電阻R11，R45到信號地端SGND。 電阻R13、R36串聯、電阻R18、R35串聯、電阻R24、R33串聯後分別與電容C27並聯，兩端接到運算放大電路晶片U2的6，7引腳，晶片U2的4 、8引腳分別接正負3.3V,晶片U7的電路與U2的電路完全對稱，由U2和U7及其附屬電路共同組成的電路為三通道可調量程的設計電路，一通道為5米量程、二通道為10米 量程、三通道為15米量程，選擇不同的量程需要配合不同頻率的超聲波探頭，選擇某一通道量程時，只需拆除其他通道0R電阻保持斷路即可，U2與U7均為MAX4332晶片，信號由U2的3引腳輸入，U7的7引腳輸出，經後續處理過程電路使中間處理過程電路最終輸出分別接到單片機的P6.3, P6.4, P6.5引腳；溫度傳感器電路中使用3.2V供電,傳感器1，3引腳為供電端，2引腳為信號輸出端連接在單片機的P5.2；單片機的時鐘振蕩電路Y1兩引腳分別連接在單片機的XIN、XOUT/TCLK兩引腳。
控制方法包括幅值控制和溫度補償控制，幅值控制步驟為：1）、初始化中，依據具體的檢測電路和放大電路，設置上下限閥值；2）、檢測超聲波信號幅值，判斷信號幅值是否在預設範圍內，低於，進行步驟3），高於，進行步驟4），若在預設範圍內，則進入步驟5）；3）、將信號增益值加1，並記錄本次幅值，進行步驟2）；4）、將信號增益值減1，並記錄本次幅值，進行步驟2）；5）、判斷在預設範圍內，且所測數據穩定，自動增益調節結束；溫度補償控制步驟為：1）、實時監測工礦溫度、讀取溫度值，對傳播速度進行計算補償，計算公式為對聲波速度進行修正，以減少超聲波測量誤差不穩定因素；2、設定上下限，判斷溫度是否在測量範圍內，是，發給單片機進行補償，否，報警輸出。
本發明的技術效果，提高了儀表的距離測量精度，保證測量數據的真實性和穩定性，可廣泛用於各種工礦的液位和固體的料位高度測量。
附圖說明
圖1為本發明的電路原理圖；
圖2為本發明的發射採集信號處理電路原理圖；
圖3為本發明的供電電路原理圖；
圖4為本發明的多通道可調量程電路原理圖；
圖5為本發明的溫度採集電路原理圖；
圖6為本發明的自動增益調節流程圖；
圖7為本發明的溫度檢測流程圖。
具體實施方式
下面結合設計電路圖做進一步說明。
如圖1、2、3、4、5所示，一種高精度超聲波物位計，電路部分包括供電電路、發射採集信號處理電路、多通道可調量程電路、中間處理過程電路、溫度採集電路及單片機電路，供電電路連接為供電電源為24V直流,輸入端分別連接瞬變抑制二極體D3兩端、電感L2輸入兩端，二極體D3一端連測試點M1，電感L2輸出兩端連接電容C4，電容C4兩端分別串接電感L1、L3與電容C5並聯，電感L1一端連試點M2、連二極體D2，輸出端為LOOP，其中，瞬變抑制二極體D3採用P15KE24CA。
發射採集信號處理電路連接為超聲波探頭換能器正極串接電阻R4後與電容C3一端連接，超聲波探頭換能器負極和屏蔽線端與電阻R20、R22、電容C14一端連接並接地，在換能器的正負極之間並聯D1，電容C3另一端為試點M14、電阻R7和R20接到三極體Q6基極，電阻R7另一端供電為3.3V，電阻R22、電容C14並聯接三極體Q6發射極，三極體Q6集電極經電阻R10接3.3V，三極體Q6集電極接電容C17後為試點M15，信號放大器U6的8引腳為測試點M12，信號放大器U6的7引腳接電阻R14後接地，3.3V與SGND之間為0.01uF電容，信號放大器U6的VDD、ADO端接供電電壓3.3V，SCL、SDA端分別接到單片機的P2.0,P3.2引腳，U6的1引腳輸出端連接到中間處理過程電路的輸入端，其中，信號放大器U6採用AD5245BRJ50。
中間處理過程電路包括有運算放大電路和後續處理過程電路，運算放大電路連接為晶片U2的1引腳接電阻R11，R45到信號地端SGND，電阻R13、R36串聯、電阻R18、R35串聯、電阻R24、R33串聯後分別與電容C27並聯，兩端接到運算放大電路晶片U2的6，7引腳，晶片U2的4 、8引腳分別接正負3.3V,晶片U7的電路與U2的電路完全對稱，由U2和U7及其附屬電路共同組成的電路為三通道可調量程的設計電路，一通道為5米量程、二通道為10米 量程、三通道為15米量程，選擇不同的量程需要配合不同頻率的超聲波探頭，選擇某一通道量程時，只需拆除其他通道0R電阻保持斷路即可信號由U2的3引腳輸入，U7的7引腳輸出，經後續處理過程電路使中間處理過程電路最終輸出分別接到單片機的P6.3, P6.4, P6.5引腳，其中，採用U2與U7均為MAX4332晶片。
溫度傳感器電路中使用3.2V供電,傳感器1，3引腳為供電端，2引腳為信號輸出端連接在單片機的P5.2，其中，溫度傳感器為數字型傳感器DS18B20。
單片機的時鐘振蕩電路Y1兩引腳分別連接在單片機的XIN、XOUT/TCLK兩引腳。其中，單片機為MSP430F149IPM晶片。
如圖6、7所示，控制方法包括幅值控制和溫度補償控制，幅值控制步驟為：
1）、初始化中，依據具體的檢測電路和放大電路，設置上下限閥值；
2）、檢測超聲波信號幅值，判斷信號幅值是否在預設範圍內，低於，進行步驟3），高於，進行步驟4），若在預設範圍內，則進入步驟5）；
3）、將信號增益值加1，並記錄本次幅值，進行步驟2；
4）、將信號增益值減1，並記錄本次幅值，進行步驟2；
5）、判斷在預設範圍內，且所測數據穩定，自動增益調節結束。
溫度補償控制步驟為，
1）、實時監測工礦溫度、讀取溫度值，對傳播速度進行計算補償，計算公式為對聲波速度進行修正，以減少超聲波測量誤差不穩定因素；
2）、設定上下限，判斷溫度是否在測量範圍內，是，發給單片機進行補償，否，報警輸出。
電路原理是對超聲波發射採集電路和溫度採集電路，回波信號通過電容去除直流分量，經過兩階放大電路後，進行後續的處理電路，峰值檢測電路用於檢測放大後信號的峰值，以此值作為回波信號放大後的信號幅值，通過控制模擬開關的開關狀態，用於調整信號增益。
自動調整信號增益原理是，記錄上一次測得的信號幅值大小，通過比較本次測得幅值、上一次測得的幅值、低位閾值和高位閾值之間的大小關係，判斷調節過程是否達到預期目的，使回波信號的幅值達到最佳，確保測量結果的穩定。
溫度補償原理是，超聲波的傳播速度在不同溫度下是不同的，其傳播速度與環境溫度T的關係可由下式描述， 在測量中需按上式對聲波速度進行修正，以減少測量誤差，避免超聲波測距不穩定因素。