基于介質(zhì)聲阻抗特性的超聲液位測量系統(tǒng)

趙曉陽，張會新，陳 航，彭晴晴，嚴(yán) 帥

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.北方自動控制技術(shù)研究所，山西 太原 030006；3.北方宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，基于一些液體具有高溫高壓、易燃易爆、揮發(fā)性和強腐蝕性的特性，對大型的密閉容器，液位監(jiān)測的環(huán)境要求和適用性越來越高[1-3]。常規(guī)置于容器內(nèi)的測量儀器需要預(yù)留特定安裝位置和計算發(fā)射和接收的角度[4]，由于檢測儀器與液體的接觸會縮短儀器壽命，污染被測介質(zhì)[5]，測量安全性和可靠性不高。非介入式超聲技術(shù)由于其原理簡單，維護(hù)成本較低，方向集中還有環(huán)境適應(yīng)性強的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用[6]，可以實現(xiàn)真正的非接觸式液位測量[7]。

隨著工業(yè)自動化非接觸式測量技術(shù)的創(chuàng)新，該文設(shè)計了一種貼壁移動式液位測量系統(tǒng)，利用密閉容器內(nèi)壁與不同介質(zhì)的接觸面聲阻抗系數(shù)存在差異的特性[8]，通過分析超聲波探頭接收內(nèi)壁反射的回波信號強度來定位氣液分界面[9]。

1 聲阻抗法測量原理模型建立

按照圖1 所示，當(dāng)超聲波沿著介質(zhì)1 表面垂直入射時，其中，PT12為介質(zhì)1 透射到介質(zhì)2 中的能量，PR23為介質(zhì)3 反射到介質(zhì)2 中的能量，基于能量守恒定律，入射超聲波聲束集中性很強，介質(zhì)內(nèi)部傳遞衰減的能量PT12與PR23可以被忽略，其在兩種不同介質(zhì)接觸面的反射波總能量PR12和透射波總能量PT23之和為入射波能量P。由聲阻抗的計算公式Z=ρc，其中ρ為介質(zhì)密度，c為介質(zhì)內(nèi)傳播聲速，可知固、液、氣三種介質(zhì)的聲阻系數(shù)由強變?nèi)?，故發(fā)射同等能量的入射波在固氣接觸面的反射回波能量比固、液接觸面大得多，利用x=a和x=b介質(zhì)接觸面處的聲壓和法向振速連續(xù)的邊界條件[10]，以介質(zhì)2 為空氣為例，聲波的反射強度系數(shù)RP和透射強度系數(shù)TP計算公式如式（1）和式（2）所示，公式中k2=2π/λ2,λ2為介質(zhì)2 中的聲波波長，Z1、Z2、Z3分別為介質(zhì)1、2、3的阻抗系數(shù)。

圖1 聲的反射透射特性

當(dāng)超聲波沿著密閉容器外壁垂直入射時，在相鄰接觸面經(jīng)過多次反射，其外部探頭接收到的能量主要是在兩處容器內(nèi)壁接觸面的反射回波。由于實際容器的介質(zhì)1 和介質(zhì)3 的聲性材料一致，于是由式（1）和（2）進(jìn)行推導(dǎo)分別可得式（3）和（4）。當(dāng)中間介質(zhì)寬度l和容器壁聲阻抗系數(shù)Z1固定時，由于氣液介質(zhì)的阻抗系數(shù)差異較大，并且如果容器半徑足夠大，透射波能量很難用傳感器接收到[11]，故設(shè)計使用接收內(nèi)壁反射回波強度來測量液位。

由聲場特性可知，超聲波聲束在介質(zhì)中垂直入射傳播時會存在遠(yuǎn)近聲場分布，波束剛開始是以柱狀方式進(jìn)行傳播，隨著距離增加開始逐漸呈發(fā)散的形式繼續(xù)傳遞，最終輻射的波束在橫截面上會得到一個圓形的聲場區(qū)域[11]。液位測量原理如圖2 所示，其中，P1、P2分別為容器壁與氣體、容器壁與液體接觸面的反射回波能量。將測量使用的圓形探頭沿著容器外壁底端自下而上測量過程中，在液位附近會存在兩個臨界值，第一個臨界值返回的聲波強度為從穩(wěn)定到開始突變的位置，第二個臨界值為聲波強度由大幅度變化到平穩(wěn)的位置，由介質(zhì)對稱性可知其液位值在兩臨界值的中間某一狀態(tài)。

圖2 液位測量原理

2 硬件電路設(shè)計

如圖3 所示為超聲波硬件總體設(shè)計流程圖。由于持續(xù)時間極短的脈沖信號尖峰很容易被識別[12]，其在超聲波傳播時延方面的測量精度比較高[13]，故系統(tǒng)采用振蕩電路驅(qū)動產(chǎn)生高頻信號，經(jīng)過信號放大驅(qū)使換能器發(fā)射超聲波；回波經(jīng)過調(diào)理放大和峰值檢波處理后，通過FPGA 最小系統(tǒng)控制A/D 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；USB 通信上傳至上位機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過程序分析并計算顯示液位高度[16]。

圖3 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計流程圖

2.1 超聲波驅(qū)動電路設(shè)計

電容三點式振蕩電路穩(wěn)定性相對較高，輸出波形理想，適用于高頻兆赫茲級別以上的波形設(shè)計。利用電容和電感的儲能特性，使得電能在兩者之間相互轉(zhuǎn)換，但是所有電子元件都會有能量損耗，需要通過晶體管對振蕩信號進(jìn)行幅值補償輸出穩(wěn)定的高頻信號。

振蕩電路設(shè)計如圖4 所示，C1、C2和L1組成并聯(lián)諧振回路[17]，作為晶體管2N2222 的交流負(fù)載。其中C2為正反饋端；R1、R2為放大器分壓式直流偏置電阻；R3為直流負(fù)載電阻；R4為發(fā)射極負(fù)反饋電阻，可以有效提高晶體管的穩(wěn)定性；C3起到旁路電容的作用，使發(fā)射極交流信號導(dǎo)通到地；C4是耦合電容，防止電源和基級導(dǎo)通。

圖4 振蕩電路

電路核心工作原理：上電瞬間，電流信號比較微弱，隨著三極管對信號的不斷放大，輸出的高頻信號中包括很多不同頻率的諧波。振蕩電路中由C1、C2和L1組成的回路具有選頻功能，當(dāng)其固有頻率等于某一諧振頻率時，電路產(chǎn)生自激震蕩，通過晶體管放大和正反饋調(diào)節(jié)振幅增大。當(dāng)增大到一定程度，晶體管進(jìn)入非線性工作狀態(tài)，自給偏壓變大，反饋系數(shù)F≈C1/C2，當(dāng)F大于等于1 時，振幅達(dá)到穩(wěn)態(tài)[13]，其電路的諧振頻率公式：

可知相同諧振頻率下，選頻特性的好壞主要取決于容抗元件C1、C2和電抗元件L1的參數(shù)選擇，經(jīng)過計算與參數(shù)調(diào)試，選取C1=C2=12.6 nF，L1=4 μH。電路采用+10 V 供電，最終自激振蕩電路產(chǎn)生頻率為1 MHz，幅值有效值為±4.3 V 的連續(xù)正弦波，如圖5 為振蕩電路波形仿真結(jié)果。隨后經(jīng)過同相運放AD818放大電路，將電壓幅值放大到±10 V。

圖5 Multisim仿真波形

2.2 超聲波回波調(diào)理采集電路設(shè)計

回波接收調(diào)理電路如圖6 所示，D2和D3構(gòu)成二極管限幅電路，消除接收回路中的高幅脈沖干擾[15]；電阻R9對回波中攜帶的低頻噪聲起濾波的作用。放大電路使用的AD818 是一款雙電源供電±5～±15 V，具有300 kΩ高輸入阻抗和130 MB 高帶寬的高速同相放大器，其電壓增益計算公式為Au=；二極管D1和電阻R10，電容C6構(gòu)成的峰值檢波電路，利用二極管單向?qū)ㄐ院碗娙莩潆娍旆烹娐奶匦裕斎腚妷嚎梢匝杆偬嵘练逯挡⒈３窒鄬Ψ€(wěn)定[16]。

圖6 回波接收電路

圖7 為回波峰值采集電路。由AD7667 和外圍濾波配置電路組成[11]，AD7667 前端選用跟隨放大器AD8031 穩(wěn)定輸入電壓，提高了采集信號的信噪比[17]。ADC 工作主時鐘由晶振80 MHz 經(jīng)FPGA PLL 分頻提供54 MHz 主頻率，經(jīng)過跟隨的模擬電壓進(jìn)入0～2.5 V的模擬輸入端。

圖7 峰值采集電路

轉(zhuǎn)換時序如圖8 所示。信號上電開始采集，CNVST 信號下降沿開始啟動轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始BUSY拉高一直保持到轉(zhuǎn)換結(jié)束，監(jiān)測到BUSY 下降沿開始取數(shù)，取數(shù)完畢之后，在CNVST 下一個下降沿來臨時進(jìn)行下一個采樣周期。

圖8 AD7667時序圖

3 測試結(jié)果和分析

為了驗證液位測量原理的可靠性，具體的實驗影響因子如表1 所示。實驗操作時需要將探頭與容器壁之間利用醫(yī)用耦合劑進(jìn)行緊密銜接，主要是防止?jié)B入空氣降低測量精度并且增加超聲波能量的透射強度[18]，同時要保證探頭均勻受力并沿著容器外壁緩緩移動，觀察回波信號強度的變化。實際液位測量實驗現(xiàn)場如圖9 所示。

表1 實驗參數(shù)選取

圖9 液位測試實驗現(xiàn)場

容器內(nèi)外壁都標(biāo)有刻度值，當(dāng)液位位于刻度值17 cm 的位置時，探頭在液位上下各1 cm 的位置每移動0.5 mm 記錄回波強度變化過程。如圖10 所示，點線圖中的數(shù)據(jù)均為3 次測量回波檢波信號的平均值，通過分析回波強度不難發(fā)現(xiàn)探頭自下而上移動過程中，隨著固氣接觸面面積逐漸增大，來自空氣中的反射回波能量明顯增強，在液位附近會存在兩個閾值，最小和最大閾值分別在21 cm 和14 cm 附近，其液位值近似為兩個臨界位置的中間值。圖11（a）～（c）為回波在3 種臨界位置處的回波信號幅值，橫軸為時間軸，縱軸為檢波電壓峰峰值壓差，通過對比可以明顯觀察出探頭與不同介質(zhì)接觸面面積不同，回波強度差異明顯。

圖10 回波強度變化曲線

圖11 臨界位置處回波波形

實驗中選取不同液體驗證對不同氣液介質(zhì)界面的測量精度，結(jié)果如表2 所示。實驗所選氣體介質(zhì)為空氣，液體介質(zhì)分別取水、丙三醇、甘油三醇3 種介質(zhì)。表中液位測量結(jié)果為3 次液位測量值的平均值，經(jīng)過多次液位測量，精度誤差控制在3 mm 以內(nèi)，可以較高精度定位液面位置。

表2 實驗測量數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

該文中通過采集超聲波在兩種介質(zhì)接觸面反射回波信號的強弱設(shè)計了一種外部感應(yīng)式液位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計原理簡單且易實現(xiàn)，并對其進(jìn)行了原理性和精度驗證，為工業(yè)化工，航空航天領(lǐng)域封閉式液體容器的實時監(jiān)測提供了重要的參考和實用價值。