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超聲波液位計(jì)進(jìn)行液位檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案交流分享
超聲波測(cè)距是一種利用超聲波的可定向發(fā)射,方向性好,在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)等特性,結(jié)合電子計(jì)數(shù)等微電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)方式。在使用中不受光線、電磁波、被測(cè)物的顏色等因素影響,加之信息處理簡單、成本低、速度快。在避障、車輛定位與導(dǎo)航、液位測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但由于超聲波在兩種不同屬性的介質(zhì)(如固液、固氣)中的傳播特性存在較大差異。例如K級(jí)超聲波在氣態(tài)介質(zhì)中傳播效果好,衰減也相對(duì)較小,但在固態(tài)和液態(tài)介質(zhì)中則衰減就比較大了。而M級(jí)超聲波則正好相反。因而在一些需要透過兩種或兩種以上的介質(zhì)進(jìn)行測(cè)距時(shí),超聲波就存在很大的困難了。但在一些比較特殊的場(chǎng)合,應(yīng)用超聲波進(jìn)行檢測(cè)也是目前***可行的手段。本文中所描述的一款超聲波液位計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是對(duì)密閉容器在不開蓋、不另加額外裝置的情況下,對(duì)容器內(nèi)部液體檢測(cè)的一種設(shè)備。對(duì)于如何進(jìn)行檢測(cè)的過程本文不做過多陳述,只對(duì)在設(shè)計(jì)的過程中,是如何有針對(duì)性的進(jìn)行軟硬件結(jié)合設(shè)計(jì),從而降低誤差、提高精度的,供各位同仁參考。
1 合理采用門閥設(shè)計(jì),減小盲區(qū)*,使用超聲波液位計(jì)測(cè)距的原理主要是檢測(cè)回波與發(fā)射波之間時(shí)間差Δt,即:Δt = tn-tn-1
其中:t0為發(fā)射波或稱始波觸發(fā)計(jì)時(shí)器時(shí)間;tn為各回波觸發(fā)計(jì)時(shí)器時(shí)間。如圖1所示。
圖1 超聲檢測(cè)波形示意圖如圖1所示,在實(shí)際檢測(cè)的過程中,我們可以發(fā)現(xiàn),在始波附近,存在大量的干擾波,主要是由于容器壁的多次反射形成的干擾。
當(dāng)被測(cè)液體高度比較低時(shí),可能會(huì)造成多個(gè)超聲波液位計(jì)回波湮沒在始波附近的干擾波中,而且不容易識(shí)別出有效的回波信號(hào)tn來。合理有效的門閥t的設(shè)置,就很好的解決了這一問題。在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中,我們?cè)O(shè)計(jì)的是每40ms發(fā)射一個(gè)始波。通過大量的實(shí)驗(yàn)檢測(cè),***后我們把門限設(shè)置為2ms。也就是說當(dāng)始波觸發(fā)計(jì)時(shí)器后,計(jì)時(shí)器自動(dòng)關(guān)閉2ms,然后打開計(jì)時(shí)器,開始接收回波。這里需要注意的是,由于容器內(nèi)液體的多少是未知的,也就是說,此時(shí)測(cè)得的***個(gè)回波t1,不一定是真實(shí)的***個(gè)回波,因?yàn)楫?dāng)液位比較低的時(shí)候,前幾個(gè)回波很可能被門閥給過濾掉了。此時(shí)就需要比較回波時(shí)間差Δtn了,Δtn = tn-tn-1 。當(dāng)前后兩個(gè)Δt1和Δt2相差在一定范圍內(nèi),則可認(rèn)為t1為***個(gè)回波,此時(shí)Δt可以取其中任一個(gè)。否則Δt只能取Δt2。當(dāng)液位比較高時(shí),系統(tǒng)在一個(gè)檢測(cè)周期內(nèi)可能只能檢測(cè)到一個(gè)回波,此時(shí)的t1必然是***個(gè)回波。
由于受系統(tǒng)及其他軟硬件條件所限,我們這個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)盲區(qū)大概在5ms左右。
2 定標(biāo)模塊,去除溫度、介質(zhì)等影響
*,溫度對(duì)超聲波液位計(jì)的超聲波在介質(zhì)中傳播速度有較大影響。一般來說,溫度越高,超聲波在介質(zhì)中的傳播速度越快。例如,超聲波在空氣中的傳播速度可以表示為:C=331+0.6T。其中T為環(huán)境溫度。也就是說在空氣中溫度每上升1°,超聲波的傳播速度都要增加0.6m/s。實(shí)驗(yàn)證明,在固體和液體介質(zhì)中,超聲波傳播亦是如此。不同的介質(zhì)中,超聲波的傳播速度也是不相同的。比如實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果表明,在汽油中,超聲波的傳播速度大約在1300m/s上下,而在水中則在1400m/s左右。計(jì)時(shí)器1μs就會(huì)產(chǎn)生超過1個(gè)毫米的誤差。
從上面的表述中可以看出,溫度和介質(zhì)對(duì)超聲波液位計(jì)測(cè)量結(jié)果影響也是很大的??紤]到即使是同一介質(zhì),其濃度和溫度等因素對(duì)結(jié)果影響也是不可忽視的。正式由于諸多復(fù)雜的原因存在,并沒有哪個(gè)專業(yè)機(jī)構(gòu)能夠給出超聲波在每種介質(zhì)中的具體傳播速度數(shù)值。正所謂繆之毫厘差之千里。為此,我們另辟蹊徑,設(shè)計(jì)了一個(gè)定標(biāo)模塊。如圖2所示。
該定標(biāo)模塊為一中空的圓柱體結(jié)構(gòu),其內(nèi)部底部距離上頂部外延高度設(shè)計(jì)為10cm,設(shè)計(jì)誤差為±10μm(受工藝所限,精度無法更高了)。其思路為,當(dāng)我們需要測(cè)量某一容器內(nèi)液位時(shí),取與該容器內(nèi)液體注滿定標(biāo)模塊。打開液位檢測(cè)儀,首先測(cè)量該模塊,由于高度已知,可比較精準(zhǔn)的測(cè)得在當(dāng)前環(huán)境下該液體的速度值。然后再用此速度值去測(cè)量密閉容器的液位。
此方法看似笨拙繁瑣,但在實(shí)際應(yīng)用中我們可以看到,通過這一定標(biāo)模塊的方法,基本消除了溫度和介質(zhì)的影響,大大地提高了檢測(cè)精度和準(zhǔn)確度。3 軟件處理,進(jìn)一步提高精準(zhǔn)度做系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人都知道,有些誤差因素是系統(tǒng)固有的,是無法通過硬件的改進(jìn)來消除的。但在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中,我們可以通過一定的方法和算法進(jìn)一步降低誤差。方法之一就是對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步判斷、求均值。首先是判斷。從圖1的波形所示來看,在一定的距離內(nèi)(我們這套系統(tǒng)大約在1m),回波是能夠接收到兩個(gè)或兩個(gè)以上的回波的。如果回波超過兩個(gè),我們就取***和第二個(gè)的差值和第二個(gè)和第三個(gè)的差值作比較判斷并取均值備用。如果回波只有兩個(gè),則取第二個(gè)差值做備用。如果只有一個(gè)回波,那就沒的選擇了。
其次求均值。我們采取的每40ms發(fā)射一個(gè)發(fā)射波,也就是說,超聲波液位計(jì)系統(tǒng)是每40ms測(cè)量一次數(shù)據(jù),我們采取的方法并不是每組數(shù)據(jù)直接送顯,而是采用每測(cè)得20組數(shù)據(jù)送顯一次。在取得20組數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)首先去除兩個(gè)較大的值,再去除兩個(gè)較小的值,然后把余下的16組數(shù)據(jù)求均值,然后送顯示器顯示。至于為什么是16組,搞過單片機(jī)的都知道。軟件處理方法之二是主動(dòng)消除固有偏差。表1所示為對(duì)高度約為90cm的液位進(jìn)行多次測(cè)量。
通過以上測(cè)量結(jié)果來看,整體測(cè)量值比實(shí)際值大約偏高0.5cm,因此,在大約距離為1米左右時(shí),我們通過把測(cè)得的數(shù)據(jù)均主動(dòng)減去0.5cm。這樣,顯示的結(jié)果與實(shí)際值就比較接近了。
軟件處理的方法之三就是注意細(xì)節(jié)處理。例如像前面所提到的通過定標(biāo)模塊進(jìn)行定標(biāo)時(shí),會(huì)得到一個(gè)速度值,這個(gè)值會(huì)給后面的程序進(jìn)行計(jì)算時(shí)使用。我們?cè)趯?shí)際的操作中雖然在定標(biāo)時(shí)顯示了具體的速度值,但在后面實(shí)際計(jì)算時(shí),并沒有直接用這個(gè)值,而是把測(cè)得的被除數(shù)和除數(shù)分別存儲(chǔ)起來,在具體計(jì)算時(shí),采用的是乘以被除數(shù),再除以除數(shù)。這樣在一定程度上又進(jìn)一步減少了計(jì)算誤差。
4 結(jié)束語
本文著重介紹一些在具體使用超聲波液位計(jì)測(cè)量液位的過程中,分析了測(cè)距過程中誤差的產(chǎn)生及減小誤差的方法。實(shí)踐證明,采用這些方法將大大減小測(cè)量誤差,提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。