基于DSP的高精度超聲波液位測量系統設計

（西安石油大學電子工程學院，陜西西安，710065）

基于DSP的高精度超聲波液位測量系統設計

賈 偉

（西安石油大學電子工程學院，陜西西安，710065）

隨著工業的迅猛發展，自動化測量儀器成為工業生產過程中不可或缺的有力工具。在鉆井過程中泥漿的漏失對工程進度、成本控制和地下環境都有很大影響，所以如何迅速準確的獲取泥漿漏失情況，就顯得尤為重要。本文針對泥漿漏失檢測，設計了基于DSP的高精度超聲波液位測量系統。

液位測量；超聲波；DSP；相關

0 引言

隨著計算機、微電子、傳感器等高新技術的應用于研究，近年來的液位測量儀表研制得到了長足的發展，并正朝著無接觸、高精度、智能化測量的方向發展。尤其是非接觸式的液位測量技術（包括激光式、雷達式和超聲波式等），特別適用于粘度高、腐蝕性強、污染性強、易結晶介質的液面測量，在石油、化工、醫藥等工業領域有著廣泛應用。如在石油鉆井過程中，檢測鉆井液池的液面，并根據泵入和泵出的鉆井液引起的液面不同，判斷鉆井液漏失或溢流情況的發生?？梢?，鉆井液池的液面高精度檢測，可為監測鉆井溢流的發生、保證鉆井安全有著重要意義。

本文擬研究基于超聲波技術的鉆井池液面檢測方法，充分考慮到超聲波液面測量精度的影響因素，采用合適的手段和相應算法達到提高超聲波液面測量精度的目的。

1 超聲波液面檢測的原理

發射聲波傳感器由脈沖信號激勵發出超聲波，通過傳聲媒介傳到被測液面，形成反射波；反射波再通過傳聲介質返回到接收傳感器，傳感器把聲信號轉換成電信號，并以此計算超聲波從發射到接收所傳播的時間，再根據超聲波在介質中傳播的速度，計算出液位的高度。

實際上，超聲波測位計一旦固定好后，收發超聲波傳感器間的距離m、傳感器與容器底部的距離ι也就確定了，所以在已知超聲波在空氣中的傳播速度和傳播時間，就可以計算出液位高度?？梢?，超聲波液位計的精度取決于超聲波聲速和傳播時間的計時精度。同時，超聲波的傳播速度受到溫度影響，理論上溫度每變化10C，超聲波的聲速變化0.607m/s，所以在系統設計時增加溫度測量，進行聲速補償；另外還要考慮直達波、傳播距離、測量的隨機性等對測量結果的影響。

2 系統結構

2.1 超聲波傳感器的選擇

超聲波特性表現為：頻率越高，衰減越大，傳播的距離也就越短。再考慮到超聲在空氣中傳播時，頻率低的超聲耦合性能越好。綜合考慮，本系統中選用頻率為40KHz的超聲波傳感器，其結構為壓電式的超聲波傳感器，即利用壓電陶瓷的壓電效應制成的傳感器，輸出頻率為40KHz，測量范圍0.3-15米，具體距離取決與應用環境。超聲波傳感器探頭由密封的Hypalon橡膠表面和Kynar Flex外殼的設計，防護等級IP68；適應的環境溫度范圍-20~850C。

2.2 系統總體結構

超聲波液位測量系統的硬件電路設計主要包括微處理器DSP、電源模塊、發射接收模塊、人機交互界面和數據通訊模塊等。實現控制和數據處理的核心器件選擇TI公司的DSP，型號為TMS320F2812，該器件產生超聲PWM信號，信號經過發射模塊處理后輸入到變壓器初級，在變壓器的次級產生1500V高壓脈沖信號，高壓激勵超聲波探頭發射連續超聲波脈沖，脈沖信號遇到被測液面后發生反射，返回探頭。微弱的回波信號接收模塊，經過三級放大和一級濾波處理，還原為比較真實的回波信號，被DSP接收，在DSP內部對回波信號進行處理，采用互相關技術分析收發時間差計算出液位高度。DSP將液位值轉換成4-20mA的模擬信號送到監控室。

數據存儲選用了M24CL04芯片。這種FM24CL04是非易失性存儲芯片。它具有高達1MHz的雙總線工作頻率和無寫延時的特點，使信息傳遞高效無丟失；環境溫度范圍是-40℃～85℃，適合工業工作溫度。

數據傳輸應用了信號控制芯片為ADI公司的AD421。DSP傳送出的帶有液位值信息的數字信號經過高速光耦TLP2814進行信號的隔離，保證信號的完整性，提高抗干擾能力；然后經過一款高速CMOS施密特觸發反向器，將輸入的信號轉換成清晰、無抖動的輸出信號；通過將此信號送入AD421的DAT端口，由AD421芯片完成將數字高度值轉化成模擬電流值的過程，傳輸到監控室。

考慮到測量環境和系統帶來的測量誤差，我們將從硬件結構和軟件設計兩方面入手，采取合適的方法，提高系統的測量精度，實施的主要措施包括：

（1）溫度測量補償：因為超聲波在不同的溫度下聲速有所變化，所以在利用超聲測面時對環境溫度的測量時必不可少的。利用溫度傳感器實測溫度來實現聲速間接補償。在DSP進行數據運算時，加入溫度因素的影響，補償超聲波的聲速值，進而修正測量結果。該設計中選用的溫度傳感器AD590，AD59O的線性度好而且它是電流輸出型器件，精度不隨引線長度變化，分辨率為0.05℃

（2）直達波的消除：由于測量時超聲波的接收探頭和發射探頭相離比較近，當發射傳感器發射超聲波時，接收傳感器可能會直接接收發出的超聲波，即直達波。這部分信號直接加到了回波信號中，從而干擾回波信號的檢測。故在電路中采用模擬開關CD4066對直達波信號進行屏蔽:在發射超聲波的時候將接收探頭屏蔽,即切斷接收電路。發射完畢后接通開關CD4066,接收電路開始工作,這樣就可以避免接收傳感器直接接收發射傳感器發射的聲波。

（3）接收信號識別：在液面測量過程中接收信號為微弱信號，不利于AD的精確采集，因此在電路設計中要將信號放大到適合的范圍中的，以利于AD進行數據采集，達到AD的最佳轉換范圍。

（4）減少延遲采樣點的影響：液位值與超聲波的傳播速度和延遲采樣點數有關，為了降低延遲采樣點對測量值帶來的影響，本系統中采用互相關算法來計算超聲波的延遲采樣點數。利用互相關算法，可以準確的計算出超聲波的接收序列滯后于發射序列的采樣點數，且互相關算法的測量誤差隨著信噪比的增大而減少。

3 軟件設計

液面儀軟件設計中主要完成超聲脈沖的發生和接收，AD數據轉換，對轉完成數據進行相關運算，從而獲取液面高度，最后對數據進行顯示存儲、遠傳及報警指示等。

首先應用TMS320F2812對外圍設備進行初始化，包括顯示器、存儲設備、AD初始化及PWM發生單元等的初始化，測量時控制PWM系統發出40KHZ，5個周期的方波信號，用于產生超聲波。對接收信號進行連續AD采集，利用相關算法求出時差，采集溫度，利用公式1計算出液面高度同時做溫度補償，最后進行存儲和顯示，做報警判斷等工作。

4 實驗及結論

在室內我們圍繞測量準確性，進行了相關的試驗工作。試驗中對2米和5米液面高度進行了測量，測量結果見表1。

表1 測量數據表

通過分析實驗結果表明該文中設計的液面檢測儀測量比較準確，能適用于對鉆井泥漿池的液面檢測。

[1] 童峰，許水源，許天增《一種高精度超聲波液位儀處理方法》[M]廈門大學學報，學報，2004

[2] 楊元，高勇，李福德等《提高超聲波檢測系統信噪比的理論研究及檢測控制方案》[J]計量學報，2001

[3] 楊朝虹，李煥.新型液位檢測技術的現狀與發展趨勢.工礦自動化，2009

[4] 李建華《超聲波探頭的特性及應用》[J]人民郵電出版社.1990

[5] 李戈，孟祥杰，王曉華，王重秋.《國內超聲波測距研究應用現狀》[J].測繪科學，2011

賈偉，男，碩士專業：儀器儀表，研究方向：精密儀器。

Design of high precision ultrasonic liquid level measurement system based on DSP

Jia Wei
（Xi'an Shiyou University School of Electronic Engineering，Xi'an Shaanxi，710065）

With the rapid development of industry,automatic measuring instrument becomes an indispensable tool in the process of industrial production.During the drilling process,the leakage of mud has great influence on the progress of the project,the cost control and the underground environment,so it is very important to obtain the mud leakage.In this paper,a high precision ultrasonic liquid level measurement system based on DSP is designed for the detection of mud leakage.

liquid level measurement;ultrasonic;DSP;correlation