一种高精度超声波物位计及测量方法与流程

本发明涉及超声波物位计，特别涉及一种高精度超声波物位计及测量方法。

背景技术：

超声波物位计的回波信号一般需经过滤波、放大、包络检波等信号处理电路，进而通过电压比较和过零比较确定回波检测点、计算传播时间，根据正逆程时间差，实现距离测量的功能。超声波发出的信号发射幅值一般不大，在几伏到十几伏。经过介质传播后，信号幅值一般会衰减到十几到几十毫伏，必须经过信号的放大处理，才能够稳定可靠地进行后续的检波和比较等信号处理，放大后的信号幅值一般在几百毫伏到几伏。信号放大电路中，如果放大倍数过大，就会引入过大的噪声或者产生回波信号失真现象。如果放大倍数过小，就会使回波检测点的测量不稳定，导致检测不到真实的回波。测量电路中，回波信号强度一般通过幅值检测，经过AD采样，测得信号幅值。 超声波脉冲发射时，不能同时检测反射的回波，因为发射的超声波脉冲具有一定的时间宽度，同时发射完超声波后传感器还有余振，期间不能检测反射回波，因此从探头表面向下开始的一小段距离无法正常检测，这段距离称为盲区，被测的最高物位如进入盲区，仪表将不能正确检测，会出现误差。超声波在气体中的传播速度还受气体温度所影响，因此物位计工作时需要检测周围环境温度，对声速进行温度补偿，以保证测量精度。

技术实现要素：

鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种高精度超声波物位计及测量方法，首先是增加了仪表对温度信号的采集，温度补偿提高测量精度，其次是自动调整增益，使回波信号的幅值达到最佳，确保测量结果的可靠稳定性，同时设计了多通道可调量程电路，具体技术方案是，一种高精度超声波物位计，电路部分包括供电电路、发射采集信号处理电路、多通道可调量程电路、中间处理过程电路、温度采集电路及单片机电路，其特征在于：供电电路连接为供电电源为24V直流,输入端分别连接瞬变抑制二极管D3两端、电感L2输入两端，二极管D3一端连测试点M1，电感L2输出两端连接电容C4，电容C4两端分别串接电感L1、L3与电容C5并联，电感L1一端连试点M2、连二极管D2，输出端为LOOP；发射采集信号处理电路连接为超声波探头换能器正极串接电阻R4后与电容C3一端连接，超声波探头换能器负极和屏蔽线端与电阻R20、R22、电容C14一端连接并接地，在换能器的正负极之间并联D1，电容C3另一端为试点M14、电阻R7和R20接到三极管Q6基极，电阻R7另一端供电为3.3V，电阻R22、电容C14并联接三极管Q6发射极，三极管Q6集电极经电阻R10接3.3V，三极管Q6集电极接电容C17后为试点M15，信号放大器U6的8引脚为测试点M12，信号放大器U6的7引脚接电阻R14后接地，3.3V与SGND之间为0.01uF电容，信号放大器U6的VDD、ADO端接供电电压3.3V，SCL、SDA端分别接到单片机的P2.0,P3.2引脚，U6的1引脚输出端连接到中间处理过程电路的输入端；中间处理过程电路包括有运算放大电路和后续处理过程电路，运算放大电路连接为芯片U2的1引脚接电阻R11，R45到信号地端SGND。 电阻R13、R36串联、电阻R18、R35串联、电阻R24、R33串联后分别与电容C27并联，两端接到运算放大电路芯片U2的6，7引脚，芯片U2的4 、8引脚分别接正负3.3V,芯片U7的电路与U2的电路完全对称，由U2和U7及其附属电路共同组成的电路为三通道可调量程的设计电路，一通道为5米量程、二通道为10米 量程、三通道为15米量程，选择不同的量程需要配合不同频率的超声波探头，选择某一通道量程时，只需拆除其他通道0R电阻保持断路即可，U2与U7均为MAX4332芯片，信号由U2的3引脚输入，U7的7引脚输出，经后续处理过程电路使中间处理过程电路最终输出分别接到单片机的P6.3, P6.4, P6.5引脚；温度传感器电路中使用3.2V供电,传感器1，3引脚为供电端，2引脚为信号输出端连接在单片机的P5.2；单片机的时钟振荡电路Y1两引脚分别连接在单片机的XIN、XOUT/TCLK两引脚。

控制方法包括幅值控制和温度补偿控制，幅值控制步骤为：1）、初始化中，依据具体的检测电路和放大电路，设置上下限阀值；2）、检测超声波信号幅值，判断信号幅值是否在预设范围内，低于，进行步骤3），高于，进行步骤4），若在预设范围内，则进入步骤5）；3）、将信号增益值加1，并记录本次幅值，进行步骤2）；4）、将信号增益值减1，并记录本次幅值，进行步骤2）；5）、判断在预设范围内，且所测数据稳定，自动增益调节结束；温度补偿控制步骤为：1）、实时监测工矿温度、读取温度值，对传播速度进行计算补偿，计算公式为对声波速度进行修正，以减少超声波测量误差不稳定因素；2、设定上下限，判断温度是否在测量范围内，是，发给单片机进行补偿，否，报警输出。

本发明的技术效果，提高了仪表的距离测量精度，保证测量数据的真实性和稳定性，可广泛用于各种工矿的液位和固体的料位高度测量。

附图说明

图1为本发明的电路原理图；

图2为本发明的发射采集信号处理电路原理图；

图3为本发明的供电电路原理图；

图4为本发明的多通道可调量程电路原理图；

图5为本发明的温度采集电路原理图；

图6为本发明的自动增益调节流程图；

图7为本发明的温度检测流程图。

具体实施方式

下面结合设计电路图做进一步说明。

如图1、2、3、4、5所示，一种高精度超声波物位计，电路部分包括供电电路、发射采集信号处理电路、多通道可调量程电路、中间处理过程电路、温度采集电路及单片机电路，供电电路连接为供电电源为24V直流,输入端分别连接瞬变抑制二极管D3两端、电感L2输入两端，二极管D3一端连测试点M1，电感L2输出两端连接电容C4，电容C4两端分别串接电感L1、L3与电容C5并联，电感L1一端连试点M2、连二极管D2，输出端为LOOP，其中，瞬变抑制二极管D3采用P15KE24CA。

发射采集信号处理电路连接为超声波探头换能器正极串接电阻R4后与电容C3一端连接，超声波探头换能器负极和屏蔽线端与电阻R20、R22、电容C14一端连接并接地，在换能器的正负极之间并联D1，电容C3另一端为试点M14、电阻R7和R20接到三极管Q6基极，电阻R7另一端供电为3.3V，电阻R22、电容C14并联接三极管Q6发射极，三极管Q6集电极经电阻R10接3.3V，三极管Q6集电极接电容C17后为试点M15，信号放大器U6的8引脚为测试点M12，信号放大器U6的7引脚接电阻R14后接地，3.3V与SGND之间为0.01uF电容，信号放大器U6的VDD、ADO端接供电电压3.3V，SCL、SDA端分别接到单片机的P2.0,P3.2引脚，U6的1引脚输出端连接到中间处理过程电路的输入端，其中，信号放大器U6采用AD5245BRJ50。

中间处理过程电路包括有运算放大电路和后续处理过程电路，运算放大电路连接为芯片U2的1引脚接电阻R11，R45到信号地端SGND，电阻R13、R36串联、电阻R18、R35串联、电阻R24、R33串联后分别与电容C27并联，两端接到运算放大电路芯片U2的6，7引脚，芯片U2的4 、8引脚分别接正负3.3V,芯片U7的电路与U2的电路完全对称，由U2和U7及其附属电路共同组成的电路为三通道可调量程的设计电路，一通道为5米量程、二通道为10米 量程、三通道为15米量程，选择不同的量程需要配合不同频率的超声波探头，选择某一通道量程时，只需拆除其他通道0R电阻保持断路即可信号由U2的3引脚输入，U7的7引脚输出，经后续处理过程电路使中间处理过程电路最终输出分别接到单片机的P6.3, P6.4, P6.5引脚，其中，采用U2与U7均为MAX4332芯片。

温度传感器电路中使用3.2V供电,传感器1，3引脚为供电端，2引脚为信号输出端连接在单片机的P5.2，其中，温度传感器为数字型传感器DS18B20。

单片机的时钟振荡电路Y1两引脚分别连接在单片机的XIN、XOUT/TCLK两引脚。其中，单片机为MSP430F149IPM芯片。

如图6、7所示，控制方法包括幅值控制和温度补偿控制，幅值控制步骤为：

1）、初始化中，依据具体的检测电路和放大电路，设置上下限阀值；

2）、检测超声波信号幅值，判断信号幅值是否在预设范围内，低于，进行步骤3），高于，进行步骤4），若在预设范围内，则进入步骤5）；

3）、将信号增益值加1，并记录本次幅值，进行步骤2；

4）、将信号增益值减1，并记录本次幅值，进行步骤2；

5）、判断在预设范围内，且所测数据稳定，自动增益调节结束。

温度补偿控制步骤为，

1）、实时监测工矿温度、读取温度值，对传播速度进行计算补偿，计算公式为对声波速度进行修正，以减少超声波测量误差不稳定因素；

2）、设定上下限，判断温度是否在测量范围内，是，发给单片机进行补偿，否，报警输出。

电路原理是对超声波发射采集电路和温度采集电路，回波信号通过电容去除直流分量，经过两阶放大电路后，进行后续的处理电路，峰值检测电路用于检测放大后信号的峰值，以此值作为回波信号放大后的信号幅值，通过控制模拟开关的开关状态，用于调整信号增益。

自动调整信号增益原理是，记录上一次测得的信号幅值大小，通过比较本次测得幅值、上一次测得的幅值、低位阈值和高位阈值之间的大小关系，判断调节过程是否达到预期目的，使回波信号的幅值达到最佳，确保测量结果的稳定。

温度补偿原理是，超声波的传播速度在不同温度下是不同的，其传播速度与环境温度T的关系可由下式描述， 在测量中需按上式对声波速度进行修正，以减少测量误差，避免超声波测距不稳定因素。