精确液位测量系统设计

1、北京化工大学信息科学与技术学院检测技术与仪器题目：基于超声波的精确液位测量系统设计班级 ：测控 1101姓名 ：向端端学号 ：基于超声波的精确液位测量系统设计【摘要】运用单片机设计了一种超声波液位测量仪， 数字式仪表显示，重点 分析了测距过程中误差产生的原因，并采用声速校正方式，有效的控制了误 差，测量量程在02000mm，绝对误差小于2mm。【关键字】液位测量，超声波1. 液位测量方法简介在工业生产中，物位检测对象有液位，也有料位等，有几十米高的大容器， 也有几毫米的微型容器，介质的特性更是千差万别。因此，物位检测方法很多， 以适应各种不同的检测要求。目前常用的物位检测方法有一下几种：静压式

2、物位计，根据流体静力学原理，静止介质内某一点的静压力与介质上 方自由空间压力之差与该点上方的介质高度成正比，因此可根据压差来检测物 位。浮力式物位计，利用漂浮于页面上方浮子随液面变化位置， 或者部分浸没于 液体中的物体浮力随液位而变化来检测液位。电气式物位计，把敏感元件做成一定形状的电极置于被测介质中，则电极之间的电气参数随物位的变化而变化。声学式物位计，利用超声波在介质中的传播速度或在不同界面之间的反射特 性来检测物位。射线式物位计，放射性同位素所放出的射线穿过被测介质时， 其辐射能量因 吸收作用而减弱，能量将衰弱，其衰弱程度与物位有关。微波物位计，利用测量微波从传感器传播至物料便面并返回到

3、传感器所用的 时间来实现物位的检测。磁致伸缩物位计，利用磁致伸缩效应来实现物位的测量。通过比较权衡，我最终选择利用超声波来设计这个测量系统。因为它不受光 线、电磁波、被测介质的颜色等因素影响，并且信息处理简单、成本低。但超声 波存在回波窜绕、信号衰减、传输速度受温度影响较大 ，加上硬件、软件实现上 1存在计时误差等因素，测距存在一定的误差，这也是此次设计需要我重点解决的 地方。2. 液位测量系统设计2.1液位测量原理超声学是一门学科，已有几十年历史，其应用很广泛。超声波不仅用来进行 各种参数的测量，而且广泛应用于加工和处理技术。超声波用于物位检测主要利 用了它的以下性质： 和其他声波一样，超声

4、波可以在气体、液体及固体中传播，并有各自的传 播速度。但其速度还受到介质状态（如温度）的影响。 声波传播时的方向性随声波的频率的升高而变强，发射的声束也越尖锐， 超声波可以近似为直线传播，具有良好的方向性。 当声波从一种介质想另一种介质传播时，因为两种介质的密度不同和声波 在其中传播的速度不同，在分界面上声波会产生反射和折射。根据理论计算可知，当声波从液体或固体传播到气体，或者相反情况下，声波几乎全部被反射。（换能器）向外辐射超声波，同时接收从被测物体反射回来的超声波（简称回波）,通过检测从发射超声波至接收回波所经历的射程时间t，计算超声波探头与被测物体之间的距离 L,即:式中，c为超声波的速

5、度。可得液位高度为:H=Ho -L2.2测量系统结构2.1主控单元测量系统的主控单元采用高性价比的 AVR系列单片机，控制整个测量系统的协 调工作，包括超声波的发射、接收，计时，补偿计算，结果显示等。2.2超声波发射接收单元选用超声波专用集成芯片LM1812，LM1812是一种既能发送又能接收超声波的 芯片，采用这块集成可以简化硬件电路，提高系统的可靠性。2.3补偿单元补偿单元采用固定距离补偿法，通过补偿，测距与声速无关，有效的提高了系统 精确度。2.4显示单元测量结果由单片机驱动LCD显示。系统总设计图如下:2.3误差补偿由于超声波的速度受到环境的影响，如温度、压强等，为减小误差，我 采取了

6、一种固定距离补偿的方法，是的最终的液位结果与声波速度无关。示 意图如下：3定长h利用固定距离的挡板来校准声速，可也就不受环境的影响，能够达到比较固定挡板应选用热膨胀系数小的材料, 得：2hc =ti则：ht如此，液位测量就与超声波速度无关, 高的精度。2.4设计指标由于误差补偿的作用，系统最终的误差来源是对传播时间的计数造成 的，当计时达到一定精度时，系统就可以满足设计指标。指标要求测量精度误差小于 2mm,假设超声波发射器到固定挡板的距 离为1m,则时间精度必须达到0.002s,也就是说，当计时精度达到毫秒级 时，系统误差就可以满足设计要求。 对于本设计来说，计时的误差主要来自 单片机执行指

7、令开启计数与结束计数的延迟时间，为尽可能的减小误差，除了优化代码，减少单片机运算量之外，可以将单片机时钟周期选择为16MHz，这样，它执行一条指令的时间为 皿圧衣商，完全满足计时的精确度要求。3.总结本设计利用了超声波测距原理实现了非接触式精确液位测量系统的设计，采用的补偿设计也有效的减小了超声波速度随温度等变化引起的液位测量误差。可以说这种液位测量系统性能稳定、精度高、简单方便、可维护性好，能很好的适 应工业现场的复杂环境。在实际构建本系统时，最重要需要注意的是超声波发生器的安装位置。发射 器正下方需要尽可能平静的液面，因此安装时需要远离进料口，同时，由于声束 角的存在，也不能距离容器壁太近，尽量选较为空旷的位置，避开容器内的一些 设备。使用环境不能含有大量水蒸气，或是有