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1、广西物理第24卷第4期Vol.24No.42000GUANGXIWULI超声波反射式液位计姚若河张朝基(汕头大学物理系广东汕头515063)摘要介绍一个超声波反射式液位计。给出发射电路、接收电路、计数电路和显示电路等的设计关键词液位计;超声波;电子测量中图分类号:TB559文献标识码:A文章编号:1003-7551(2000)04-0024-051引言采用超声波技术来实现测液位,最大的好处是测量仪器不必浸入液体中,减少了仪器与液体之间的相互影响,无任何污染,也提高了安全性和可靠性。还具有较高的灵活性和较强的适应性,可随时改变用途(测距、测液位、测速等)和测量对象。功能扩展方便,
2、实现自动测量、控制和计算机数据采集。2工作原理超声波(15KHz以上)能在气体、液体、固体中传播,其传播速度及衰减量随物质的不同而不同。其传播速度(c)与物质密度(ρ)的积(ρc)称为该物质的声阻抗。在两种物质界面上,超声波的反射率取决于声阻抗,ρc大的反射率也大。即当超声波在空气中传播,遇到障碍物(包括水等液体,只要符合ρc较大的情况)时,就会产生明显的反射。超声波的传播具有一定的直线性,而且遇障碍物会产生反射。图1设置一个超声波发射器和一个接收器(频率相同)。发图1射器用于发射一个超声波信号,而接收器用于接收从障碍物反射回来的超声波信号。如果使两束波的夹角θ远小于发射器和接
3、收器与障碍物之间的距离h,那么,超声波从发射到被接收的时间t与h成正比关系,即＊h=c(t/2)(1)其中c是超声波速度,在空气中约344m/s。我们可以通过测量超声波在这个过程的传播时间t来计算出物距h。在超声波测物距的原理基础上,进一步的延伸,增添一些装置就可以实现测量液位的目的,构成了超声波液位计。其简要工作原理如图2,将超声波发射、接收器安装在离液体底部高为H图2的位置上,设液面的高度为h′。采用超声波测距离的原理测量出＊收稿日期:2000-03-0624第4期超声波反射式液位计液位计到液面的距离h,则液位的高度(深度)为:h′=H-h(2)使用适宜的电路来实现这个运算
4、,就可以做成液位计了。3电路组成超声波反射式液位计主要由发射、接收和计数/显示电路组成。原理方框图如图3:图3在图3中,发射电路是一个40KHz的多谐振荡器,与超声波发射换能器连接可以发射出一串串断续的40KHz超声波信号,发射完每一串它就向计数器送出一个脉冲,触发启动计数,假设该时刻为t0。接收电路与接收器连接,用于接收从障碍物反射回来的超声波信号,并将其转换成电信号,接收完一串完整的信号,就产生一个脉冲,设此时刻为t1,脉冲用来读取这一时刻译码器中的数据,此数据(时间差)就是超声波传播的时间t=t0-t1。译码电路负责把计数器送来的BCD码,转换成七段LED码,然后驱动LE
5、D数码管,显示出结果。计数电路中的时基电路用于产生计数器用的时钟脉冲CP,其频率决定了计数、显示数值的单位。调整其频率适当,使一个周期对应测量距离1mm,则显示结果的单位为1mm。以上是用于测物距时的原理,当用于测量液位时,在此基础上,增加一个减数运算的电路,将计数器计出的液面距离h作减数,使计数结果符合h′=H-h(参见图2),则显示结果为液面高度(液位)。各部分电路的设计原理如下:3.1发射电路超声波发射器的基本振荡电路由时基电路555和R3、W2、C10等组成,其振荡频率为:fT=1.44/[(R3+2W2)C10](3)调节W2,可使振荡频率与选定的超声波发射头UCM-
6、T40的振荡频率(40KHz)相一致。图4中555振荡器振荡与否,受控于由IC4C、IC4D组成的双稳态触发电路,而该双稳态电路的输出状态又受控于由IC4A、IC4B等组成的低频振荡器和由IC1(4017)组成的8分频电路。555振荡器的振荡方波加至十进制计数器/脉冲分配器IC3的14脚作为时钟,IC3的第6脚(Q7)与它的复位端15脚相连。IC3在40KHz的时钟作用下,在它的相应脚上依次出现Q0———Q7高电平脉冲,至第6脚出现Q7脉冲,一路送到第15脚(RST端),使IC3复位,实现8分频;同时,另一路加至IC4D的输入端,使IC4D的输出转呈低电平,将555时基电路的复
7、位端(第4脚)封锁,使555振荡电路停振。还有一路是作为复位/启动(RESET)信号送给计数器,启动计数。25广西物理第24卷图4可见,由于分频电路和双稳态电路的控制,使555振荡器产生出一串串断续的40KHz脉冲波,并通过换能器发射出超声波。IC4A、IC4B等构成的低频振荡器需要满足一定条件,即周期T大于超声波传播时间t,使555在前一个信号被接收到之后才发第二个信号。3.2接收电路:图5图5电路中,T1和T2等组成高增益共射极放大器,它对接收换能器收到的反射回来的超声波信号进行放大,然
