[实用新型]超声波物位计

说明书

技术领域

本实用新型涉及测量容器中物料位置的装置，具体说涉及一种超声波测量装置。

背景技术

采用超声波进行物位测量是利用声波反射原理，避免超声波传感器直接与介质接触，实现非接触测量，因而在固体散料、粘稠介质、固体液体混合介质物位测量中具有优势。目前采用的超声波测量方法，基于回波测量，但由于对回波识别简单，未能去除干扰波，致使测量精度较低或测量不稳定。

发明内容

本实用新型针对现有超声波物位测量存在的缺陷，提出一种采用高性能硬件电路和数字信号采集、处理技术，达到测量精度高、测量稳定性好的超声波物位测量装置。

本实用新型的技术解决方案：一种超声波物位计，包括换能器，其特征在于：超声波物位计包括软件在内的主机，主机的中央处理器(CPU)联接发射单元，发射单元设有蓄能功率自动调节电路，发射单元联接匹配单元，匹配电路与换能器发射接口相联接，换能器回波接口联接匹配电路，匹配单元联接设有前放电路和后放电路的放大单元，放大单元联接滤波单元的滤波电路、滤波单元联接波形整形单元的波形整形电路再联接装有A/D转换芯片的A/D采样单元，A/D采样单元联接中央处理器，在主机上装有D/A转换芯片的D/A输出单元、继电器输出电路、看门狗及人机界面键盘装置。

本实用新型与现有技术相比，由于采用蓄能功率自动调节电路，并在匹配电路配合下完成换能器与发射单元输出阻抗匹配，实现最大的发射功率。回波信号经滤波电路处理，增大回波信号，抑制噪声。在软件设计中发射采样子程序采用延时采样，解决了发射部分无法采样的问题，在回波处理子程序中剔除部分高峰值、窄脉冲、直流分量，使回波数据更精确、稳定。

附图说明

图1是本实用新型的超声波物位计原理框图

图2是图1中发射单元的蓄能功率自动调节电路框图

图3是图1中匹配单元的匹配电路框图

图4是图1中放大单元的放大电路框图

图5是图1中滤波单元的窄带滤波器电路框图

具体实施方式：

结合附图详细说明超声波物位计的结构和工作原理。

一种超声波物位计，是由主机和换能器构成，图1是本实用新型的超声波物位计原理框图，在换能器4壳体内装有SENSE公司的CUSS200超声波传感器，其最佳工作频率为41kHz，探测范围可达20米，换能器外壳体为有机玻璃，内用聚酯填充，声能窗口为环氧树脂加强型有机玻璃，其特点是无干扰，在壳体内装有市售温度传感器，超声波物位计主机的中央处理器(CPU)1是Philhps产品，在CPU内装有以C51语言编写的超声波收、发时序控制程序、发射功率控制程序、测量距离计算程序、输入输出控制程序、串行通讯程序及键盘显示管理程序；超声波物位计是通过发射单元2的蓄能功率自动调节电路和匹配单元3的匹配电路驱动换能器4发射声波，蓄能功率自动调节电路见图2，其中主要是功率管Q3和Q4标称电压和标称电流应满足电路设计要求，故Q3选用N沟道场效应晶体管IRF642，Q4选用PNP型三极管MJE2955T，匹配电路见图3，主要是匹配变压器，其技术参数∶匝数比＝1∶5，初级电感＝1.2mH，次级电感＝22.3mH，磁芯型号：G22*13，在蓄能功率自动调节电路和匹配电路配合下完成换能器与发射单元输出阻抗匹配，实现最大的发射功率。当超声波到达目标物时超声波反射回换能器4，回波经匹配电路进入放大单元5的前放电路和后放电路，见图4，前放电路和后放电路均由RC构成的低通滤波放大器组成，该电路具有频率选择性，仅放大最大频率为44.3kHz的信号，每级增益为10倍，放大后的回波信号再经滤波单元6的滤波电路，见图5，该电路利用目标物回波与干扰噪声频谱结构的不同，采用窄带滤波器即频域处理方法来增大回波信号，抑制噪声。滤波后的回波信号进入波形整形单元7的波形整形电路将交流回波信号转换成可为A/D采样的直流信号，波形整形电路采用对数放大器AD8307，波形整形后的信号进入A/D采样单元8，通过MX7576A/D转换芯片送入中央处理器1，由于采用收发合一型探头，在发射时刻起至接收信号采样开始时刻止是盲区时间，在盲区中由于振铃的存在而使发射信号、振铃信号与目标回波信号纠合在一起，难以有效的识别真实回波信号，对发射部分无法采样，本实用新型在发射采样子程序中采用延时采样。采样的回波数据存储在采样存储单元中，使用回波处理子程序对数据进行处理，采样开始部分有一段比回波强度还大的高峰值，直接影响回波位置的确定，再则由于外界的干扰在采样数据中形成幅值高、宽度窄的窄脉冲，同时在采样数据中包含一部分直流成分，过大的直流分量在后续的处理中容易造成溢出，在回波处理子程序中剔除高峰值、窄脉冲、直流分量。为缩短程序执行时间，在数据抽取子程序中采用每隔5个点抽取一个数据。为了寻找回波，在基线生成子程序中利用抽取数据以从前至后若后一个点比前一个点大则用前一个点的值取代，形成一条呈递减趋势的基线。利用寻找回波子程序，首先寻找最大幅值，然后向前寻谷点，取其平均幅值，在抽取数据中寻找均值点位置，该位置为回波位置并将最大幅值和谷幅值相减所得的回波强度写入参数。抽取数据是从采样数据抽取出来的，其均值点位置并不确切对应采样数据中回波的位置，需根据抽取数据中的均值在采样数据中确定均值点位置，该点视为回波位置，按计算回波时间子程序，根据该点的点数和点间隔的时间计算回波的时间。在计算距离子程序中首先用温度传感器提供的温度值对声速进行矫正，矫正后根据声速和回波时间计算距离，最后用回波强度和盲区判断回波及所计算的距离是否有效，若无效则将距离置为零。处理后的数字信号经由光藕6N136、D/A转换芯片MAX543、电流环芯片AD694JN、运放LM358构成具有电隔离功能的模拟量输出单元9输出。在中央处理器1上设有继电器输出10，采用两路JE1AXN-DC12V-H型继电器完成料位的上、下限报警输出，继电器输出按着控制信号子程序对信号进行平滑后进行控制输出。在中央处理器1上设置的看门狗11以保证中央处理器1的可靠运行。人机界面12的设置为实现仪表与用户的交流，主要包括距离显示、参数显示、参数设定，键盘采用有线连接方式，采用芯片HD7279实现20个按键输入和4位LED显示功能，其软件程序有距离显示子程序，对每次测量的距离结果进行显示，该按键子程序首先发读键命令给HD7292，接着读取物理键值，最后将读取的物理键值转换为虚拟键值，在按键处理子程序中根据虚拟键值进行相应的处理，完成参数的显示和设定。软件对于通信部分主要解决仪表的同步，工作时由主机发出字符“1”，从机在接收到字符“1”之后进行各自的延时以避免同时发射，通信参数为：波特率4800bps/s，10位数据。

上述由软件程序控制的超声波物位计物位测量精确并有良好的稳定性。