【正文】 接觸液位儀中發(fā)展最快的一種。智能化的超聲波液位儀帶有一個(gè)功能很強(qiáng)的智能回波分析軟件包。(5)雷達(dá)液位儀連續(xù)式微波液位儀這幾年逐步推向市場。當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，由于來回傳播的時(shí)間延遲，發(fā)射頻率已改變了。荷蘭Enraf公司的Radar872液位儀采用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)精度達(dá)士2mm。從計(jì)量方法看主要有三種:檢尺法、液位法和靜壓法。近年來中科院聲學(xué)所、武漢大學(xué)都研制了光纖液位測(cè)量系統(tǒng)?？偤笥土涎芯克钚卵兄频腢GJ98型光導(dǎo)式油罐計(jì)量遙測(cè)系統(tǒng)，采用光柵干涉原理，以圓光柵傳感器為核心，結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集和抗干擾處理技術(shù)及RS485總線標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)光電一體化，一次儀表不帶電，系統(tǒng)綜合精度達(dá)到士2mm。目前石化部門使用的大型儲(chǔ)罐大多是立式圓柱形罐或球形罐，其容量一般在1000—100000之間，很小的測(cè)量誤差會(huì)造成很大的絕對(duì)誤差。從80年代開始，隨著微電子、計(jì)算機(jī)、光纖、超聲波、傳感器等高科技的迅猛發(fā)展，一些發(fā)達(dá)國家紛紛將各種新技術(shù)、新方法、新儀表滲入到儲(chǔ)罐計(jì)量領(lǐng)域，使儲(chǔ)罐油量自動(dòng)計(jì)量達(dá)到了“多功能、高精度、現(xiàn)場化”的新階段。雖然一些地區(qū)使用了超聲波油量測(cè)量儀，但絕大多數(shù)是用集成電路設(shè)計(jì)成的，這種專用集成電路成本很高，沒有顯示，操作很不方便。該超聲波油量測(cè)量儀與傳統(tǒng)的測(cè)量方法相比具有非接觸、精度高、實(shí)時(shí)測(cè)量、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在硬件電路的設(shè)計(jì)中，由于我們需要測(cè)的距離較長(幾米到十幾米)，針對(duì)超聲波在傳播時(shí)呈指數(shù)衰減的特性，我們采取了最大限度提高驅(qū)動(dòng)能力、對(duì)回波進(jìn)行多級(jí)放大等措施，擴(kuò)大了測(cè)量的范圍。對(duì)軟件的這種處理不但能使軟件的結(jié)構(gòu)清晰，而且有利于軟件的調(diào)試和修改。第二章超聲波油量測(cè)量儀測(cè)量原理人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，己發(fā)明設(shè)計(jì)并制成了多種類型的超聲波發(fā)生器，機(jī)械方式和電氣方式產(chǎn)生超聲波發(fā)生器。一般是用電能和超聲能量相互轉(zhuǎn)換。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器。其結(jié)構(gòu)原理如圖21所示[1]。給它的兩電極加脈沖信號(hào)(觸發(fā)脈沖)，當(dāng)其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。超聲波傳感器用等效電路(如圖22所示)來分析共振頻率附近的超聲波換能器的特性：圖21超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖22超聲波傳感器等效電路圖換能器的能量用，電能用表示。設(shè)換能器在空載(Z1=0)和有載(Z1=R1)時(shí)的Q值分別為，則有： (21) (22) = (23)=(+) (24) 超聲波換能器的工作效率為: (25)當(dāng)交變電信號(hào)從引線加到超聲波發(fā)射器件中，由壓電陶瓷片和諧振片組成的振子會(huì)彎曲振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)錐形輻射器發(fā)出超聲波，當(dāng)空中傳來的超聲波被接收器件的錐形輻射器會(huì)聚后，驅(qū)動(dòng)振子產(chǎn)生彎曲振動(dòng)，從而在電極間輸出與此波動(dòng)相對(duì)應(yīng)的交變電信號(hào)，通過對(duì)此信號(hào)的處理，可實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，超聲波束可以是強(qiáng)方向性的、扇狀的、無方向的形狀，還有些發(fā)射器附帶有調(diào)整層，以便發(fā)射器與媒質(zhì)的音內(nèi)阻抗相匹配。發(fā)射器的發(fā)射效率由振子的電/機(jī)械變換效率與機(jī)械/音響變換的乘積決定，前者取決于振子的材料特性和結(jié)構(gòu)，后者取決于處理聲波傳播介質(zhì)的聲阻差的調(diào)整器。把具有振動(dòng)材料與傳播介質(zhì)材料的聲阻中間值的匹配板置于振子前邊，可使振子的機(jī)械/音響變換效率達(dá)到最大，尤其是在空中放射超聲波的情況下，這種匹配更加有效。壓電型主要用石英晶體或氧化鋅材料。結(jié)構(gòu)上有采用PVDF膜作為受音體、也有采用欽酸、鋯酸鉛系列陶瓷以板狀或圓桶狀受音體的形式結(jié)構(gòu)。動(dòng)圈式微音器的結(jié)構(gòu)為在磁場中放置帶有受音板的可動(dòng)線圈或?qū)w帶，當(dāng)它們因超聲波而運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由于受音體慣性大，因而只適用于低頻。當(dāng)超聲波傳來時(shí)，受音板發(fā)生位移，使磁路磁場發(fā)生變化，在拾音線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。還有用磁致伸縮材料涂敷在物體表面上形成的結(jié)構(gòu)，適用于高頻，前者檢測(cè)感應(yīng)電流；后者檢測(cè)置于靜磁場空腔諧振器內(nèi)，因超聲波導(dǎo)致的磁阻致伸縮效應(yīng)引起的微波磁場。 T/R40超聲波傳感器本儀器所采用的TR4016型超聲波傳感器的聲壓電平和靈敏度特性曲線如圖2圖24所示。超聲波測(cè)距的方法有很多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。本超聲波油量測(cè)量儀采用渡越時(shí)間檢測(cè)法。下面僅以標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形油罐為例進(jìn)行說明，其他形狀的油罐通過改變計(jì)算公式同樣可以進(jìn)行油量測(cè)量。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，就是渡越時(shí)間。這里利用單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)的方法間接測(cè)量時(shí)間，可以把聲波傳播的時(shí)間精度提高到所需準(zhǔn)確度。單片機(jī)定時(shí)器所計(jì)的時(shí)間，就是渡越時(shí)間，代入式(29)中，就可以算出油量。超聲波油量測(cè)量儀已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，與傳統(tǒng)的液位計(jì)量儀表相比，它具有原理簡單、易于微機(jī)控制、無接觸測(cè)量、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。如果這三種信號(hào)都足夠強(qiáng)，就會(huì)給信號(hào)處理帶來一定的困難，使處理器無法分辨哪個(gè)是有用的信號(hào)，從而造成測(cè)量上的誤差。下面將就此問題進(jìn)行討論。引起衰減的原因大致有三個(gè):由聲束擴(kuò)展引起的衰減由散射引起的衰減由介質(zhì)的吸收引起的衰減某一點(diǎn)(x處)瞬間所具有的壓強(qiáng)，與沒有聲波存在時(shí)該點(diǎn)的靜壓強(qiáng)之差，稱為該點(diǎn)的聲壓P。由于超聲波傳播過程中所遇到的介質(zhì)顆粒都比較小(大多為揮發(fā)性氣體分子)，散射衰減也可忽略。一束超聲波(視為平面波)的聲壓可表示為： (211)式中，為聲壓振幅，ρ為介質(zhì)密度，軸的正方向，ω為超聲波的圓頻率，ω＝2πf，f為振動(dòng)頻率，u為介質(zhì)中聲速，φ為初相，與記時(shí)起點(diǎn)有關(guān)。由式(22)，(23)知，在空氣里/cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f =40KHz，代入式(23),可得cm,沿著波的傳播方向10米處，x =10m。我們把單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于波的傳播方向上單位面積的能量稱為能流密度，能流密度的時(shí)間平均值，稱為波的強(qiáng)度，也叫聲強(qiáng)記作I。由(211)(212)式知，I，那么聲波傳播出去10m后，聲強(qiáng)就衰減了1/2。下面討論波被反射、折射時(shí)的情況。在空氣與液體(如汽油)的界面上，計(jì)算r,t,R,T。圖26波束垂直入射到液面的反射波和透射波t為正值，入射波和透射波相位相同，透射波具有入射波聲壓的200%。T=/(+439=%。由于波的強(qiáng)度正比于振幅的平方，透射波的振幅已經(jīng)很小了，以后的傳播過程可以不考慮[3]。由于折射波不會(huì)被接收器接收，我們只考慮波的反射問題。超聲波的方向性很強(qiáng)，擴(kuò)散得很少，加上這部分信號(hào)多次反射，所以被接收器接收到的可能性很小，可以不作考慮。所以可以很容易地將此信號(hào)濾出，并對(duì)它進(jìn)行處理。由超聲波的發(fā)射器發(fā)射超聲波，聲波遇到障礙物后反射，由超聲波接收器接收。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本油量檢測(cè)儀需要將超聲波檢測(cè)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，對(duì)儲(chǔ)油罐中的油量進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并能顯示出有關(guān)數(shù)據(jù)，還能與上位機(jī)進(jìn)行通訊便于監(jiān)控和管理。超聲波發(fā)射電路超聲波接受電路單片機(jī)系統(tǒng)8279接口電路鍵盤顯示溫度檢控與上位機(jī)通訊接口圖31超聲波油量測(cè)量儀的總體框架圖超聲波油量測(cè)量儀是由硬件和軟件兩部分組成。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用了一些抗干擾措施。在超聲波油量測(cè)量儀開始測(cè)距前需要通過鍵盤輸入一些相關(guān)參數(shù)，以便能按照要求計(jì)算出距離，進(jìn)而計(jì)算出油的重量、體積等數(shù)據(jù)。單片機(jī)在發(fā)送脈沖的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波遇到障礙物后的回波被超聲波接收換能器接收，其輸出的正弦波經(jīng)過兩級(jí)放大，再經(jīng)過電壓比較器和D觸發(fā)器產(chǎn)生中斷信號(hào)中斷單片機(jī)的計(jì)時(shí)，這樣就得到了超聲波的傳輸時(shí)間，然后在中斷服務(wù)程序中根據(jù)測(cè)出的時(shí)間計(jì)算出距離。如此反復(fù)，每測(cè)出五個(gè)距離就取一次平均值存儲(chǔ)并顯示。這些操作也可由上位機(jī)來控制。這樣不但減少了測(cè)量過程中的人工干預(yù)，為測(cè)量帶來了方便，而且還便于管理。它的各部分電路的說明如下：，其主要任務(wù)是①發(fā)出40KHz的脈沖串用來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波；②通過定時(shí)器T1對(duì)超聲波的傳輸時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)；③根據(jù)測(cè)出的時(shí)間和有關(guān)參數(shù)計(jì)算出距離、體積等數(shù)據(jù)；④控制參數(shù)的輸入和數(shù)的顯示；⑤與上位機(jī)通訊和數(shù)據(jù)的輸出。3．超聲波接收電路主要包括放大、電壓比較和中斷信號(hào)輸出等部分。4．根據(jù)設(shè)計(jì)要求:①在測(cè)量前需要先輸入一些參數(shù)。③需要有一些控制按鈕來執(zhí)行不同的操作，因此需要用到4個(gè)7段碼顯示器和一個(gè)3x4的鍵盤陣列。5．看門狗電路是由MAX813芯片組成，主要完成對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。它通過定時(shí)器T0發(fā)出40KHz的脈沖信號(hào)來驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波:通過定時(shí)器T1來測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間:測(cè)量出時(shí)間后根據(jù)要求計(jì)算出各種需要的數(shù)據(jù)。芯片上的FPEROM允許在線或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。本系統(tǒng)的內(nèi)存分配詳見軟件設(shè)計(jì)部分。超聲波發(fā)射器在幅度為20V，頻率為40KHz的方波驅(qū)動(dòng)下，發(fā)出頻率為40KHz的超聲波，