基于DSP的高精度超声波液位测量系统设计

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安，710065）

基于DSP的高精度超声波液位测量系统设计

贾 伟

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安，710065）

随着工业的迅猛发展，自动化测量仪器成为工业生产过程中不可或缺的有力工具。在钻井过程中泥浆的漏失对工程进度、成本控制和地下环境都有很大影响，所以如何迅速准确的获取泥浆漏失情况，就显得尤为重要。本文针对泥浆漏失检测，设计了基于DSP的高精度超声波液位测量系统。

液位测量；超声波；DSP；相关

0 引言

随着计算机、微电子、传感器等高新技术的应用于研究，近年来的液位测量仪表研制得到了长足的发展，并正朝着无接触、高精度、智能化测量的方向发展。尤其是非接触式的液位测量技术（包括激光式、雷达式和超声波式等），特别适用于粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶介质的液面测量，在石油、化工、医药等工业领域有着广泛应用。如在石油钻井过程中，检测钻井液池的液面，并根据泵入和泵出的钻井液引起的液面不同，判断钻井液漏失或溢流情况的发生。可见，钻井液池的液面高精度检测，可为监测钻井溢流的发生、保证钻井安全有着重要意义。

本文拟研究基于超声波技术的钻井池液面检测方法，充分考虑到超声波液面测量精度的影响因素，采用合适的手段和相应算法达到提高超声波液面测量精度的目的。

1 超声波液面检测的原理

发射声波传感器由脉冲信号激励发出超声波，通过传声媒介传到被测液面，形成反射波；反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，并以此计算超声波从发射到接收所传播的时间，再根据超声波在介质中传播的速度，计算出液位的高度。

实际上，超声波测位计一旦固定好后，收发超声波传感器间的距离m、传感器与容器底部的距离ι也就确定了，所以在已知超声波在空气中的传播速度和传播时间，就可以计算出液位高度。可见，超声波液位计的精度取决于超声波声速和传播时间的计时精度。同时，超声波的传播速度受到温度影响，理论上温度每变化10C，超声波的声速变化0.607m/s，所以在系统设计时增加温度测量，进行声速补偿；另外还要考虑直达波、传播距离、测量的随机性等对测量结果的影响。

2 系统结构

2.1 超声波传感器的选择

超声波特性表现为：频率越高，衰减越大，传播的距离也就越短。再考虑到超声在空气中传播时，频率低的超声耦合性能越好。综合考虑，本系统中选用频率为40KHz的超声波传感器，其结构为压电式的超声波传感器，即利用压电陶瓷的压电效应制成的传感器，输出频率为40KHz，测量范围0.3-15米，具体距离取决与应用环境。超声波传感器探头由密封的Hypalon橡胶表面和Kynar Flex外壳的设计，防护等级IP68；适应的环境温度范围-20~850C。

2.2 系统总体结构

超声波液位测量系统的硬件电路设计主要包括微处理器DSP、电源模块、发射接收模块、人机交互界面和数据通讯模块等。实现控制和数据处理的核心器件选择TI公司的DSP，型号为TMS320F2812，该器件产生超声PWM信号，信号经过发射模块处理后输入到变压器初级，在变压器的次级产生1500V高压脉冲信号，高压激励超声波探头发射连续超声波脉冲，脉冲信号遇到被测液面后发生反射，返回探头。微弱的回波信号接收模块，经过三级放大和一级滤波处理，还原为比较真实的回波信号，被DSP接收，在DSP内部对回波信号进行处理，采用互相关技术分析收发时间差计算出液位高度。DSP将液位值转换成4-20mA的模拟信号送到监控室。

数据存储选用了M24CL04芯片。这种FM24CL04是非易失性存储芯片。它具有高达1MHz的双总线工作频率和无写延时的特点，使信息传递高效无丢失；环境温度范围是-40℃～85℃，适合工业工作温度。

数据传输应用了信号控制芯片为ADI公司的AD421。DSP传送出的带有液位值信息的数字信号经过高速光耦TLP2814进行信号的隔离，保证信号的完整性，提高抗干扰能力；然后经过一款高速CMOS施密特触发反向器，将输入的信号转换成清晰、无抖动的输出信号；通过将此信号送入AD421的DAT端口，由AD421芯片完成将数字高度值转化成模拟电流值的过程，传输到监控室。

考虑到测量环境和系统带来的测量误差，我们将从硬件结构和软件设计两方面入手，采取合适的方法，提高系统的测量精度，实施的主要措施包括：

（1）温度测量补偿：因为超声波在不同的温度下声速有所变化，所以在利用超声测面时对环境温度的测量时必不可少的。利用温度传感器实测温度来实现声速间接补偿。在DSP进行数据运算时，加入温度因素的影响，补偿超声波的声速值，进而修正测量结果。该设计中选用的温度传感器AD590，AD59O的线性度好而且它是电流输出型器件，精度不随引线长度变化，分辨率为0.05℃

（2）直达波的消除：由于测量时超声波的接收探头和发射探头相离比较近，当发射传感器发射超声波时，接收传感器可能会直接接收发出的超声波，即直达波。这部分信号直接加到了回波信号中，从而干扰回波信号的检测。故在电路中采用模拟开关CD4066对直达波信号进行屏蔽:在发射超声波的时候将接收探头屏蔽,即切断接收电路。发射完毕后接通开关CD4066,接收电路开始工作,这样就可以避免接收传感器直接接收发射传感器发射的声波。

（3）接收信号识别：在液面测量过程中接收信号为微弱信号，不利于AD的精确采集，因此在电路设计中要将信号放大到适合的范围中的，以利于AD进行数据采集，达到AD的最佳转换范围。

（4）减少延迟采样点的影响：液位值与超声波的传播速度和延迟采样点数有关，为了降低延迟采样点对测量值带来的影响，本系统中采用互相关算法来计算超声波的延迟采样点数。利用互相关算法，可以准确的计算出超声波的接收序列滞后于发射序列的采样点数，且互相关算法的测量误差随着信噪比的增大而减少。

3 软件设计

液面仪软件设计中主要完成超声脉冲的发生和接收，AD数据转换，对转完成数据进行相关运算，从而获取液面高度，最后对数据进行显示存储、远传及报警指示等。

首先应用TMS320F2812对外围设备进行初始化，包括显示器、存储设备、AD初始化及PWM发生单元等的初始化，测量时控制PWM系统发出40KHZ，5个周期的方波信号，用于产生超声波。对接收信号进行连续AD采集，利用相关算法求出时差，采集温度，利用公式1计算出液面高度同时做温度补偿，最后进行存储和显示，做报警判断等工作。

4 实验及结论

在室内我们围绕测量准确性，进行了相关的试验工作。试验中对2米和5米液面高度进行了测量，测量结果见表1。

表1 测量数据表

通过分析实验结果表明该文中设计的液面检测仪测量比较准确，能适用于对钻井泥浆池的液面检测。

[1] 童峰，许水源，许天增《一种高精度超声波液位仪处理方法》[M]厦门大学学报，学报，2004

[2] 杨元，高勇，李福德等《提高超声波检测系统信噪比的理论研究及检测控制方案》[J]计量学报，2001

[3] 杨朝虹，李焕.新型液位检测技术的现状与发展趋势.工矿自动化，2009

[4] 李建华《超声波探头的特性及应用》[J]人民邮电出版社.1990

[5] 李戈，孟祥杰，王晓华，王重秋.《国内超声波测距研究应用现状》[J].测绘科学，2011

贾伟，男，硕士专业：仪器仪表，研究方向：精密仪器。

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