李建华 上海铁路局科研所

1 设计要求

目前常见的各种油料储运设备本身基本上都没有自身液位测量或显示系统，特别是一些小型油料储运设备如油罐车，一般都通过手动或爬壁机器人在外壁上下移动进行检测，来确定液面分界处。这样的检测不但精度差，而且成本高，既耗时又耗力。

要求设计一种适合于小型液体储运设备（油罐直径约为3 m，油罐壁厚8~10 mm）的液位检测系统，实现非开盖式测量，并具有操作简单、使用方便、便于携带、检测精度高（误差10 mm以内）、性能稳定、实用性强、价格低等特点。

2 系统总体设计

系统基本结构见图1。

图1 系统组成框图

系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件主要包括超声波检测器、以CPU为核心的控制与处理系统、显示接口电路等部分；软件主要包括系统初始化模块、超声波驱动模块、信号处理模块和显示模块。

系统的组成如图1所示，主要由超声波检测器(包括超声波探头与超声波收发电路)及以CPU为核心的信号控制与处理电路组成。超声波检测器的主要功能是在单片机控制下发射用于检测的超声波信号，同时接受回波反射信号并送信号处理电路；信号控制与处理系统的功能则主要是控制发射信号和处理、分析回波信号。

3 测量原理

本系统主要采用超声检测技术和微机处理技术相结合的方式来设计一种能够自动对密闭容器(贮罐)中液体的液位进行自动测量的仪器。同时，仪器能够记录并显示相应的处理结果。测量方法如图2所示，将超声波探头置于被测密闭罐状容器底部，并且尽量使其与液面垂直。

图2 测量原理示意图

超声波对固体介质具有很强的穿透性，当声波透过容器壁在被测液体、气体中传播时，会在界面处发生反射，根据其穿越固液、气液两个界面的时间差及其在被测液体中的传播速度，可计算出被测液体的液位高度。该仪器正是利用这一特性设计而成的。

将换能器置于容器底部，当其发射一束超声波到被测容器内，声波传播过程中将在容器底内壁与液体的分界面处产生第一回波，传播到被测液体上表面时，在液体与上方气体的分界面处产生第二回波，回波向下反射由换能器接收，用计时电路测定声波在2个界面处产生回波的时间差t，在已知超声波在液体中的传播速度u时，被测液体的液位：

传输时间t可通过时间计数器来测得，即在发射时刻打开计数器的计数门，对一固定频率的方波信号进行计数，在液面回波到来时关闭计数门。设方波频率为f，计数器计数为N，将T=N/f代入式（ 1）得

4 方案可行性的实验测试

实验条件：一台相控超声设备，激发电压80 V，超声探头发出的超声波频率为1.5 MHz。用以实验的模拟油罐，近似正方形，高为1.2 m~1.3 m，外壁材料为有机玻璃（跟钢有一定的相似），壁厚约为12 mm，内注有水，液位高度约为1.05 m。

按前面所述测量原理进行初步验证，测量结果如图3所示。

图3 检测回波的A扫图

实验结果：如图3所示，采样率为25 MHz，信号放大了70 dB，即3000多倍之后，发现了液体与罐中空气分界面上的第一次反射回波，相对比较明显。由于水的成分不纯，而且有机玻璃分为很多种，其实验中所用的玻璃具体参数未知且厚度测量困难，造成误差来源非常多，计算所得液面高度的误差约为几厘米。

实验结论：实际要求中，油罐外壁材质及厚度不同，罐内液体成分不同，特别对于高粘性油，其声衰减大，效果会更差一些。但是通过降低超声波频率来减小衰减系数，同时，提高激发电压来增强信号的能量，实际中液体与罐中空气分界面上的第一次反射回波还是能被检测到的。

5 技术瓶颈及解决方案

5.1 反射波强信号的干扰

超声波穿透容器壁与液体的分界面时，大部分的能量都反射回超声传感器，这部分强信号将造成电路的不稳定，并可能降低器件寿命。

解决该问题，主要采取以下措施：由于油罐外壁厚度已知，可计算出超声波在容器壁与液体的分界面上第一个反射回波强信号的接收时间。设计开关电路，利用CPU控制开关闭合的延时时间，使最初的反射波强信号接收过后，再闭合开关，以滤过该强信号，避免对电路造成不良影响。

5.2 回波信号的选择

接收到的回波信号中不仅包括超声波在容器壁与液体的分界面上的反射波，在液体与罐中空气的分界面上的反射波，还包括其分别的多次回波及噪声信号。从这些杂乱的信号中选取我们需要的目标信号，即液体与罐中空气分界面上的第一次反射波，就会变得很困难。

解决该问题，主要采取以下措施：由于油罐外壁厚度已知，可计算出第一个反射回波强信号及其多次回波的信号位置，利用CPU控制，将这些可预知的信号滤掉。这时，剩余的只有超声波在液体与罐中空气的分界面上的反射波及其多次回波，以及噪声信号，从而降低了难度。我们从中选取强度最高的一个回波信号即为目标回波，也就是液体与罐中空气分界面上的第一次反射波，并可通过后面其多次回波的位置来验证我们的选择是否正确。

5.3 目标回波信号的衰减

在测量过程中目标回波信号的衰减来自两方面。一是超声波两次穿透容器壁与液体的分界面时的衰减；二是在传输过程中，即在容器壁及油中传输时的能量衰减。

首先考虑第一部分，设Z1为钢板的声阻抗，Z2为液体的声阻抗，则总声强的透射系数为：

钢板的声阻抗约为 4.53×106，油的声阻抗约为 0.128×106。钢板与液体的分界面声能的总透射衰减为:

即在不考虑传输衰减时，发射的声能中仅有1.15%的能量可以从液面返回到超声传感器。

其次考虑第二部分，超声波的衰减系数与频率正相关。一般探测频率下，材料的衰减系数在1~100×0.001dB/mm，水及其它衰减材料的衰减系数为1~4×10-3dB/mm。当频率为1 MHz时，由于油罐外壁材料具体属性未知，暂以普通钢为例计算，大约取50×10-3dB/mm，油中衰减系数为0.01 dB/mm。当油罐外壁厚10 mm，液面高度为2 m时，衰减为20.5 dB，约衰减90%。

综上所述，发射的声能中仅有约0.115%的能量可以从液面返回到超声传感器。所以实际换能器接收到的目标回波声信号是很弱的，因此要求测量装置有较高的灵敏度。

解决弱信号的接收放大问题，主要采取以下措施：（1）选择合适的超声频率，减小声能在液体中的传输衰减。这需综合考虑测量精度、测量范围等问题，初步选定频率为500 kHz～1MHz的超声探头；（2）选用接收灵敏度高的压电材料制作换能器，并采用30 mm直径的晶片，以加大发射功率和提高信噪比；（3）对目标回波信号进行放大，可通过放大电路对选取的弱信号进行放大，放大倍数可根据实验做出调整，甚至可达几千倍，以获得最好效果。

5.4 目标回波信号的分析

通过以上方案的实施，可以解决铁路油罐车实现外部测量的技术方法，为铁路运输安全提供测量保证。