电磁流量计

超声波水位计的设计方案

1 基本原理

利用超声测距的主要方法有脉冲回波法、共振法和频差法，其中脉冲回波法使用的比较普遍。其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间t，在已知超声波声速C 的前提下，可计算出被测物的距离D，即： D = C×t/2 。

2 技术参数

发射信号频率：60kHz或40kHz

发射信号-6dB指向角：30°（60kHz）、80°（40kHz）

测量频率：20～30次／min

测量范围：0.3～5m

测量精度：0.2%FS或8mm，取其较大者

供电：24VDC

数据输出：4～20mA（0m：4mA，5m：20mA）

3 仪器组成

本仪器的主要构建由壳体、超声传感器、电路三部分组成，外形如下图所示：

4 仪器电路组成及原理框架

CPU采用TMS320C5509或MSP430F149系列16位单片机，单片机实现整个仪器的控制及测量结果的运算、判决等，其内部自带的D／A转换器可以方便的控制HART转换器，实现HART数据传送。

超声波在空气中的传输衰减将导致在整个测量范围内回波信号的强度将有很大的差异，因此AGC在超声信号检测中是不可缺少的。

由于发射完成后的短时间内换能器还有一定余振，为了保证其不影响回波信号的正常接收，在发射开始到发射完成后15～20ms内接收电路暂停接收。

考虑到声速在不同的温度环境下有较大差异，因此为了保证测量精度，校准电路是必不可少的。

5 测量精度保证措施

1 环境温度影响：环境温度影响是超声测距最重要的误差来源，传统的方法通常是利用温度传感器测量环境温度，利用经验声速之进行校准，这种方法简单易行成本比较低，但是过分以来经验值，无法消除除温度以外的其他环境因素的影响。在本仪器中将尝试采用实测声速校准的方法，利用现场测量的声速值进行计算，在最大程度上降低由于声速值误差带来的系统误差。

2 发射能级控制：根据测量结果判断被测物距离，实时调整发射功率，使发射功率保持在合理的范围内，从而降低由于发射功率过大而产生混响。

3 指向性：在充分考虑声波传输衰减的情况下，尽量选用高频换能器，利用高频换能器较好的指向性减少泥浆灌壁产生的回波。

4 检波方式：检波方式拟采用幅值检波或包迹检波，根据实验情况采用合理的检波方式。

5 平均测量：测量中进行多次测量取平均值。

6 奇异数剔除：由于泥浆液面不可能出现快速突变，因此在测量中对于出现的数据突变情况要适时判断，对于不合理的数据进行剔除。