一种气介式自动校准的超声波液位计的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种气介式自动校准的超声波液位计，包括两个或多个存在高度差的超声波传感器及控制单元，使用时，两个或多个存在高度差的超声波传感器同时或间隔的向液面发出超声波信号，再由控制单元获取各个超声波传感器接收信号的时间差，由时间差及高度差即可计算实时的气体声速，并将该气体声速数据存储至控制单元中，即可完成实时气体声速的校正，此时再由超声波传感器测量液位高度，检测精度和可靠性均很高，且校正可自动完成，使用非常的方便。
【专利说明】 一种气介式自动校准的超声波液位计
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种气介式自动校准的超声波液位计。
【背景技术】
[0002]目前，超声波液位计在工业控制中用途广泛，相比与其它测量方法具有安全无辐射，安装方便，使用寿命长等特点。常用的超声波液位测量技术有传感器放置于液体中和放置于液面上气体介质中两种方式。
[0003]超声波传感器置于液体中的方式容易达到较高的精度，但测量装置会受到液体残渣油污沉积，受腐蚀性影响，而且检修不方便。超声波传感器放置于液面上气体介质中的方式使用方便，维护成本较低，但测量结果的准确性需要依赖于气体声速的准确性。空气接近于理想气体其声速主要受温度影响，可由公式:
C = 331.3+(0.606T)m/s
计算得到，其中T为气体温度。当介质接近于理想气体(如空气)并且气体温度精确已知时，有可能达到比较高的精度，但工业控制过程中被测量的实际系统往往比较复杂，气体温度往往是一个变化的参数，液位测量很难达到高精度。对于在非理想气体环境中，计算时还要引入压力数据，使得测量装置更为复杂，精度更难以达到要求。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种气介式自动校准的超声波液位计。
[0005]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种气介式自动校准的超声波液位计，包括两个或多个存在高度差的超声波传感器及控制单元，其中每个超声波传感器包含有发射换能器和接收换能器，所述控制单元包括单片机、发射输出电路、数据存储电路、接收输入电路、通信电路和工作电源电路，单片机通过发射输出电路激励发射换能器发射超声波，超声波传播至被测液面反射回接收换能器并被转换成电信号，再经接收输入电路将两部分电信号根据时间序列分别输入至单片机的相应检测端口进行数据处理，得出各个超声波传感器之间的时间差，并根据高度差计算实时的气体声速，再经通信电路输出声速数据，并由存储电路存储数据；由工作电源电路向各部分电路提供所需的电源。
[0006]所述超声波传感器设置有两个。
[0007]所述高度差为0.1-0.2m。
[0008]所述超声波传感器的工作频率在25KHZ到2MHZ之间，各个超声波传感器的工作频率可以相同，也可以且互不相同。
[0009]在获得实时气体声速数据结果的同时还可以得到气体的实时温度参数，并将该温度参数存储至数据存储电路中。
[0010]所述发射输出电路具有隔离变压器，该发射输出电路通过变压器隔离后激励发射换能器发出超声波。
[0011]所述的发射换能器与接收换能器之间设有防止声短路的挡板。
[0012]本发明的有益效果是:一种气介式自动校准的超声波液位计，包括两个或多个存在高度差的超声波传感器及控制单元，使用时，两个或多个存在高度差的超声波传感器同时或间隔的向液面发出超声波信号，再由控制单元获取各个超声波传感器接收信号的时间差，由时间差及高度差即可计算实时的气体声速，并将该气体声速数据存储至控制单元中，即可完成实时气体声速的校正，此时再由超声波传感器测量液位高度，检测精度和可靠性均很高，且校正可自动完成，使用非常的方便。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0014]图1是本发明一个具体实施例的结构布置图。
【具体实施方式】
[0015]参照图1，图1是本发明一个具体实施例的结构布置示意图，如图所示，一种气介式自动校准的超声波液位计，包括两个或多个存在高度差的超声波传感器及控制单元，其中每个超声波传感器包含有发射换能器和接收换能器，在本实施例中所述超声波传感器设置有两个，分别为超声波传感器I和超声波传感器2，所述高度差D为0.1-0.2m，所述超声波传感器的工作频率在25KHZ到2MHZ之间，各个超声波传感器的工作频率可以相同，也可以且互不相同，且所述的发射换能器与接收换能器之间设有防止声短路的挡板，以提高检测的精度。
[0016]所述控制单元包括单片机、发射输出电路、数据存储电路、接收输入电路、通信电路和工作电源电路，由工作电源电路向各部分电路提供所需的电源，单片机通过发射输出电路激励发射换能器发射超声波，超声波传播至被测液面反射回接收换能器并被转换成电信号，再经接收输入电路将两部分电信号根据时间序列分别输入至单片机的相应检测端口进行数据处理，得出各个超声波传感器之间的时间差，并根据高度差D计算实时的气体声速，再经通信电路输出声速数据，并由存储电路存储声速数据，即可完成气体声速的校正，校正速度快，且自动完成，无需人手设置或调整，使用非常方便，得出实时气体声速数据后，即可根据其中任意一个超声波传感器的声波传播时间计算超声波传感器至液面的高度H，再由超声波液位计的安装位置、高度即可得出液面高度，检测精度和可靠性均很高。
[0017]在本实施例中，在获得实时气体声速数据结果的同时还可以得到气体的实时温度参数，并将该温度参数存储至数据存储电路中，以便后期作数据统计及归类。
[0018]进一步，在在本实施例中，所述发射输出电路具有隔离变压器，该发射输出电路通过变压器隔离后激励发射换能器发出超声波，以隔离后续超声波的震动。
[0019]本实施例的单片机采用NEC单片机，型号为UPD78F0881 (A) (78K0/FC2系列)，该单片机为8位单片机，32K ROM, 1024Bytes内部高速RAM，1024Bytes外部扩展RAM，共有44个脚，有两组UART 口 UART60与UART61，一个CAN收发接口。也可采用型号为uPD78F0882 (48KROM，1024Bytes 内部高速 RAM，2048bytes 外部扩展 RAM)或型号为 uPD78F0883 ^OK ROM,1024Bytes内部高速RAM，2048Bytes外部扩展RAM)的单片机。
[0020]单片机的PWM 口输出40K频率的方波，方波个数5个，形成多脉冲激励，通过三极管将5V方波转换成12V方波，再通过双路高速反相MOSFET驱动器TPS2811驱动IRF320型MOS管，发射输出电路中的变压器将12V方波升压到100V方波，加到发射换能器两端激励，即发射输出电路通过变压器隔离后激励发射换能器发出超声波，由于发射换能器用变压器完全隔离，因此后续超声波震动并不影响接收换能器的回波接收，测量盲区减小。数据存储电路采用24C02芯片的常规数据存储电路。
[0021]接收输入电路用于对接收的超声波进行处理，它包括依次相连的放大电路、滤波电路、比较电路和整形电路,超声波的回波信号为毫伏级40K频率的正弦波信号,先经放大电路的LM324芯片两级放大400倍，再进入包括MAX275带通滤波器构成的滤波电路，带通滤波器中心频率40K，带宽2K。通过滤波后的信号经过IN60检波二极管，去掉噪音与信号负半部分，再进入放大电路的LM324芯片进行第三级放大20倍得到信号RV6。比较电路的REF3212芯片产生基准电压，由比较电路的MAX903芯片将信号RV6与基准电压进行比较，得出信号RV7，信号RV7再依次进入整形电路的74LS122芯片、74HC04芯片进一步整形，最后信号INT进入单片机。
[0022]本实施例的通信电路用于将控制单元单片机处理计算获得的液位数据输出至外部设备，本通信电路采用型号为ADM2483的485通信芯片的前级稳压芯片隔离485芯片，采用BS0505-1W型DC-DC获取隔离电源。485总线上面加入瞬态抑制二极管保护以及加入放电管来保护，用两个电阻以及自恢复保险管限制总线电流，形成隔离总线，防止因短路、雷击造成的总线大电流对液位计系统的影响。
[0023]本实施例的工作电源电路包括用于整个液位计系统供电的第一电源电路和用于给单片机、通信电路供电的第二电源电路，两电源电路为现有常规电源输入电路。第一电源电路为整个液位计提供12V供电。第一电源电路接入外部12V电压经过二极管后过电容进行高、低频滤波，最后通过电感输出。二极管可以防止输入电源接反的情况下对元件的保护。电感的作用是防止系统电流突变引起电压变化。回路中串入500毫安自恢复保险，防止出现大电流故障时系统瘫痪，并保护其它元件。
[0024]由于单片机和通信电路需要一直供电，对于这部分电源电路要求稳定、温漂小，输出有一定负载能力，同时静态功耗也要低，所以第二电源电路的降压芯片采用MC78LC05芯片，输出能力80毫安，静态功耗100微安，满足单片机与通信电路的总电流不会超过50毫安的要求。
[0025]本实施例还可设置电子开关电路，用于对发射输出、放大、滤波、整形电路部分元件电源的选择性接通或断开，可采用现有常规电子开关电路，不一一例举。
[0026]以上对本发明的较佳实施进行了具体说明，当然，本发明还可以采用与上述实施方式不同的形式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下所作的等同的变换或相应的改动，都应该属于本发明的保护范围内。
【权利要求】
1.一种气介式自动校准的超声波液位计，其特征在于:包括两个或多个存在高度差的超声波传感器及控制单元，其中每个超声波传感器包含有发射换能器和接收换能器，所述控制单元包括单片机、发射输出电路、数据存储电路、接收输入电路、通信电路和工作电源电路，单片机通过发射输出电路激励发射换能器发射超声波，超声波传播至被测液面反射回接收换能器并被转换成电信号，再经接收输入电路将两部分电信号根据时间序列分别输入至单片机的相应检测端口进行数据处理，得出各个超声波传感器之间的时间差，并根据高度差计算实时的气体声速，再经通信电路输出声速数据，并由存储电路存储数据；由工作电源电路向各部分电路提供所需的电源。
2.根据权利要求1所述的一种气介式自动校准的超声波液位计，其特征在于:所述超声波传感器设置有两个。
3.根据权利要求2所述的一种气介式自动校准的超声波液位计，其特征在于:所述高度差为0.1-0.2m ο
4.根据权利要求1所述的一种气介式自动校准的超声波液位计，其特征在于:所述超声波传感器的工作频率在25KHZ到2MHZ之间，各个超声波传感器的工作频率可以相同，也可以且互不相同。
5.根据权利要求1所述的一种气介式自动校准的超声波液位计，其特征在于:在获得实时气体声速数据结果的同时还可以得到气体的实时温度参数，并将该温度参数存储至数据存储电路中。
6.根据权利要求1所述的一种气介式自动校准的超声波液位计，其特征在于:所述发射输出电路具有隔离变压器，该发射输出电路通过变压器隔离后激励发射换能器发出超声波。
7.根据权利要求1所述的一种气介式自动校准的超声波液位计，其特征在于:所述的发射换能器与接收换能器之间设有防止声短路的挡板。
【文档编号】G01F23/296GK104266715SQ201410493045
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】石冰鑫, 李景云 申请人:中山欧麦克仪器设备有限公司