李 泽 ，姜明顺 ，吕珊珊 ，朱友峰 ，苏晨辉 ，张 雷 ，张法业 ，隋青美

(1.山东大学控制科学与工程学院,山东 济南 250061；2.山东大学海洋研究院，山东 济南 250100)

0 引言

液位测量广泛应用于工业生产中，尤其是在石油、化工等领域，液位测量是生产过程控制的重要环节[1]。相对于传统的接触式液位测量方法，如电容式[2]、浮子式、磁致伸缩式[3]，超声波液位仪有非接触式测量的优势，对待测环境影响较小，且对于腐蚀性液体的测量使用寿命更长[4]。相对于非接触测量中的雷达液位仪[5]，超声波液位计价格更加合适，宜在工业领域推广使用。超声波液位仪根据超声波的传输介质不同，又分为空介式、液介式和固介式。国内的超声波液位仪以空介式测量居多[6]，但空介式测量方法不宜应用于易挥发性液体的测量，也不宜在密闭容器的环境下使用[7]。

1 超声波液位检测原理

利用超声波具有的方向性好、能量高、穿透能力强、能在不同介质的分界面产生反射和折射等特点[8]，系统使用脉冲回波法获取液位信息,既有效避免了与液体接触，也无需考虑液体的挥发、腐蚀等特性，通过系统的软硬件设计为液位的高精度测量提供了一种方法。超声波液位检测原理如下。

首先通过高压脉冲驱动超声波换能器产生超声波，超声波在液体中传输并在液体表面发生反射，反射的回波信号会驱动换能器产生电脉冲信号[9]。再经过超声波接收电路和控制器进行数据处理，最终测得超声波在液体传输中的渡越时间t。假定超声波在待测液体中的声速为v，则液位高度H可由式(1)[10]得出：

(1)

由式(1)可知，液位高度H还受超声波在液体中的声速v影响，所以也要考虑对声速的计算。超声波在液体中的声速主要受液体的温度影响。以水为例，超声波声速v与温度T的关系为式(2)[11]，所以通过对温度的测量可以得到超声波声速。

v=157-0.024 5×(74-T)2

(2)

2 系统构建与实现

2.1 系统整体设计

系统整体框图如图1所示。液位测量的工作过程如下。首先将超声波换能器置于容器底部。接着利用控制器STM32产生与换能器中心频率相同的脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)，经过发射电路的升压处理后驱动换能器产生超声波。然后通过超声波接收电路对回波信号进行限幅、滤波、对数放大。由控制器进行A/D采样，最后经过数据处理测得渡越时间和液位值。

图1 系统整体框图

2.2 硬件电路设计

2.2.1 电源模块

系统采用24 V电源，其可以为变压器提供一个较高的初级电压。初级电压经过LM2936电压转换芯片转换成5 V电压，进而可以为滤波电路、对数放大电路等供电。5 V电压再经过LM1117电压转换芯片转换为3.3 V电压，主要为STM32和串口芯片供电。

2.2.2 超声波发射电路

超声波发射电路如图2所示。利用STM32发出的PWM脉冲波，控制快速导通型场效应管的通断。当PWM为低电平时，场效应管不导通，电源给电容充电；而当PWM变为高电平后，场效应管快速导通，变压器初级产生24 V的压降，变压器次级产生200 V的压降。高压脉冲信号如图3所示。通过PWM脉冲的高低电平变化，形成2 MHz的高压脉冲信号。

图2 超声波发射电路

图3 高压脉冲信号

2.2.3 超声波接收电路

超声波接收电路由限幅电路、带通滤波电路、对数放大电路、比例放大电路、控制器的A/D转换器组成。

因为发射的高压脉冲信号和回波信号都要经过接收电路，为防止高压信号对接收电路造成伤害，需进行限幅电路的设计。限幅电路如图4所示。经过限幅电路处理后，可以将原有的高压信号转变为±700 mV以内的低压信号。

图4 限幅电路

为消除余波与外界的干扰信号，设计了中心频率为2 MHz的有源带通滤波电路。带通滤波电路如图5所示。带通滤波电路的中心频率为2.04 MHz。

图5 带通滤波电路

带通滤波前后对比图如图6所示。由图6可以看出，经过带通滤波处理，可以大幅消除余波和外界干扰信号。

图6 带通滤波前后对比图

带通滤波之后的信号为2 MHz的脉冲信号，这对控制器进行A/D转换具有很大的挑战，所以采用对数放大将脉冲信号转换为更易采样的低频信号，对数放大芯片采用高稳定度、低功耗的高速电压输出型A/D8310。对数放大后图像如图7所示。

图7 对数放大后图像

经过对数放大后信号输入到STM32的A/D引脚，并利用其直接内存访问(direct memory access,DMA)功能进行数据采集。DMA具有速度快、不占用CPU等优点，可以实现每0.71 μs采集一个值，并与一个数据存储单元对应，直接将数据存储到数组中。只要设置1 500次连续采样，便可以采集到1 065 μs的数据。再通过对数组进行分析，便可以找到回波的起始点。

2.2.4 其他模块

为了得到更准确的声速值，设计了测温电路，用以得到更准确的声速值。数据通信采用的是RS-232串口，可以将采集到的温度值及计算后得到的液位值通过串口传输到上位机。

2.3 软件设计

系统主程序流程如图8所示。

图8 主程序流程图

软件设计包括主程序设计、发射PWM子程序、A/D采样子程序、串口通信子程序。

主程序流程为如下。首先进行系统初始化，然后对所使用参数进行初始化赋值。在有按键按下后，发射10～20个2 MHz的PWM波;在发射完成后，通过DMA进行A/D采样，采集1 500个点的值。接下来对采到的值进行分析，找到回波信号的初始段，可以得到渡越时间t。然后进行温度值采样，根据温度值计算出超声波的声速v。通过声速与渡越时间得出本次测量的液位高度。循环5次测量后，去掉液位值的最小值，其他三次值取平均得到最终液位值。通过串口将液位值传输到上位机，完成一次测量。

3 试验结果

以水为待测液体进行试验，经过多次试验测量不同高度下的液位值，试验数据与误差对照分别如表1和图9所示。在70 cm的测量范围内，测得液位的误差小于1 mm，实现了高精度液位测量。

表1 试验数据

图9 液位与误差对比图

4 结束语

本文设计了可应用于密闭容器的超声波液位检测系统。通过系统硬件和软件设计，不但实现了对液位的非接触性测量，还实现了液位的精确测量。系统可应用于易挥发、强腐蚀、有毒液体等特殊液位检测环境。