李建華 上海鐵路局科研所

1 設(shè)計(jì)要求

目前常見的各種油料儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備本身基本上都沒有自身液位測(cè)量或顯示系統(tǒng)，特別是一些小型油料儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備如油罐車，一般都通過手動(dòng)或爬壁機(jī)器人在外壁上下移動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，來確定液面分界處。這樣的檢測(cè)不但精度差，而且成本高，既耗時(shí)又耗力。

要求設(shè)計(jì)一種適合于小型液體儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備（油罐直徑約為3 m，油罐壁厚8~10 mm）的液位檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非開蓋式測(cè)量，并具有操作簡(jiǎn)單、使用方便、便于攜帶、檢測(cè)精度高（誤差10 mm以內(nèi)）、性能穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)、價(jià)格低等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。硬件主要包括超聲波檢測(cè)器、以CPU為核心的控制與處理系統(tǒng)、顯示接口電路等部分；軟件主要包括系統(tǒng)初始化模塊、超聲波驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理模塊和顯示模塊。

系統(tǒng)的組成如圖1所示，主要由超聲波檢測(cè)器(包括超聲波探頭與超聲波收發(fā)電路)及以CPU為核心的信號(hào)控制與處理電路組成。超聲波檢測(cè)器的主要功能是在單片機(jī)控制下發(fā)射用于檢測(cè)的超聲波信號(hào)，同時(shí)接受回波反射信號(hào)并送信號(hào)處理電路；信號(hào)控制與處理系統(tǒng)的功能則主要是控制發(fā)射信號(hào)和處理、分析回波信號(hào)。

3 測(cè)量原理

本系統(tǒng)主要采用超聲檢測(cè)技術(shù)和微機(jī)處理技術(shù)相結(jié)合的方式來設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)對(duì)密閉容器(貯罐)中液體的液位進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的儀器。同時(shí)，儀器能夠記錄并顯示相應(yīng)的處理結(jié)果。測(cè)量方法如圖2所示，將超聲波探頭置于被測(cè)密閉罐狀容器底部，并且盡量使其與液面垂直。

圖2 測(cè)量原理示意圖

超聲波對(duì)固體介質(zhì)具有很強(qiáng)的穿透性，當(dāng)聲波透過容器壁在被測(cè)液體、氣體中傳播時(shí)，會(huì)在界面處發(fā)生反射，根據(jù)其穿越固液、氣液兩個(gè)界面的時(shí)間差及其在被測(cè)液體中的傳播速度，可計(jì)算出被測(cè)液體的液位高度。該儀器正是利用這一特性設(shè)計(jì)而成的。

將換能器置于容器底部，當(dāng)其發(fā)射一束超聲波到被測(cè)容器內(nèi)，聲波傳播過程中將在容器底內(nèi)壁與液體的分界面處產(chǎn)生第一回波，傳播到被測(cè)液體上表面時(shí)，在液體與上方氣體的分界面處產(chǎn)生第二回波，回波向下反射由換能器接收，用計(jì)時(shí)電路測(cè)定聲波在2個(gè)界面處產(chǎn)生回波的時(shí)間差t，在已知超聲波在液體中的傳播速度u時(shí)，被測(cè)液體的液位：

傳輸時(shí)間t可通過時(shí)間計(jì)數(shù)器來測(cè)得，即在發(fā)射時(shí)刻打開計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)門，對(duì)一固定頻率的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在液面回波到來時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)門。設(shè)方波頻率為f，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為N，將T=N/f代入式（ 1）得

4 方案可行性的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)條件：一臺(tái)相控超聲設(shè)備，激發(fā)電壓80 V，超聲探頭發(fā)出的超聲波頻率為1.5 MHz。用以實(shí)驗(yàn)的模擬油罐，近似正方形，高為1.2 m~1.3 m，外壁材料為有機(jī)玻璃（跟鋼有一定的相似），壁厚約為12 mm，內(nèi)注有水，液位高度約為1.05 m。

按前面所述測(cè)量原理進(jìn)行初步驗(yàn)證，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

圖3 檢測(cè)回波的A掃圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖3所示，采樣率為25 MHz，信號(hào)放大了70 dB，即3000多倍之后，發(fā)現(xiàn)了液體與罐中空氣分界面上的第一次反射回波，相對(duì)比較明顯。由于水的成分不純，而且有機(jī)玻璃分為很多種，其實(shí)驗(yàn)中所用的玻璃具體參數(shù)未知且厚度測(cè)量困難，造成誤差來源非常多，計(jì)算所得液面高度的誤差約為幾厘米。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：實(shí)際要求中，油罐外壁材質(zhì)及厚度不同，罐內(nèi)液體成分不同，特別對(duì)于高粘性油，其聲衰減大，效果會(huì)更差一些。但是通過降低超聲波頻率來減小衰減系數(shù)，同時(shí)，提高激發(fā)電壓來增強(qiáng)信號(hào)的能量，實(shí)際中液體與罐中空氣分界面上的第一次反射回波還是能被檢測(cè)到的。

5 技術(shù)瓶頸及解決方案

5.1 反射波強(qiáng)信號(hào)的干擾

超聲波穿透容器壁與液體的分界面時(shí)，大部分的能量都反射回超聲傳感器，這部分強(qiáng)信號(hào)將造成電路的不穩(wěn)定，并可能降低器件壽命。

解決該問題，主要采取以下措施：由于油罐外壁厚度已知，可計(jì)算出超聲波在容器壁與液體的分界面上第一個(gè)反射回波強(qiáng)信號(hào)的接收時(shí)間。設(shè)計(jì)開關(guān)電路，利用CPU控制開關(guān)閉合的延時(shí)時(shí)間，使最初的反射波強(qiáng)信號(hào)接收過后，再閉合開關(guān)，以濾過該強(qiáng)信號(hào)，避免對(duì)電路造成不良影響。

5.2 回波信號(hào)的選擇

接收到的回波信號(hào)中不僅包括超聲波在容器壁與液體的分界面上的反射波，在液體與罐中空氣的分界面上的反射波，還包括其分別的多次回波及噪聲信號(hào)。從這些雜亂的信號(hào)中選取我們需要的目標(biāo)信號(hào)，即液體與罐中空氣分界面上的第一次反射波，就會(huì)變得很困難。

解決該問題，主要采取以下措施：由于油罐外壁厚度已知，可計(jì)算出第一個(gè)反射回波強(qiáng)信號(hào)及其多次回波的信號(hào)位置，利用CPU控制，將這些可預(yù)知的信號(hào)濾掉。這時(shí)，剩余的只有超聲波在液體與罐中空氣的分界面上的反射波及其多次回波，以及噪聲信號(hào)，從而降低了難度。我們從中選取強(qiáng)度最高的一個(gè)回波信號(hào)即為目標(biāo)回波，也就是液體與罐中空氣分界面上的第一次反射波，并可通過后面其多次回波的位置來驗(yàn)證我們的選擇是否正確。

5.3 目標(biāo)回波信號(hào)的衰減

在測(cè)量過程中目標(biāo)回波信號(hào)的衰減來自兩方面。一是超聲波兩次穿透容器壁與液體的分界面時(shí)的衰減；二是在傳輸過程中，即在容器壁及油中傳輸時(shí)的能量衰減。

首先考慮第一部分，設(shè)Z1為鋼板的聲阻抗，Z2為液體的聲阻抗，則總聲強(qiáng)的透射系數(shù)為：

鋼板的聲阻抗約為 4.53×106，油的聲阻抗約為 0.128×106。鋼板與液體的分界面聲能的總透射衰減為:

即在不考慮傳輸衰減時(shí)，發(fā)射的聲能中僅有1.15%的能量可以從液面返回到超聲傳感器。

其次考慮第二部分，超聲波的衰減系數(shù)與頻率正相關(guān)。一般探測(cè)頻率下，材料的衰減系數(shù)在1~100×0.001dB/mm，水及其它衰減材料的衰減系數(shù)為1~4×10-3dB/mm。當(dāng)頻率為1 MHz時(shí)，由于油罐外壁材料具體屬性未知，暫以普通鋼為例計(jì)算，大約取50×10-3dB/mm，油中衰減系數(shù)為0.01 dB/mm。當(dāng)油罐外壁厚10 mm，液面高度為2 m時(shí)，衰減為20.5 dB，約衰減90%。

綜上所述，發(fā)射的聲能中僅有約0.115%的能量可以從液面返回到超聲傳感器。所以實(shí)際換能器接收到的目標(biāo)回波聲信號(hào)是很弱的，因此要求測(cè)量裝置有較高的靈敏度。

解決弱信號(hào)的接收放大問題，主要采取以下措施：（1）選擇合適的超聲頻率，減小聲能在液體中的傳輸衰減。這需綜合考慮測(cè)量精度、測(cè)量范圍等問題，初步選定頻率為500 kHz～1MHz的超聲探頭；（2）選用接收靈敏度高的壓電材料制作換能器，并采用30 mm直徑的晶片，以加大發(fā)射功率和提高信噪比；（3）對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行放大，可通過放大電路對(duì)選取的弱信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)做出調(diào)整，甚至可達(dá)幾千倍，以獲得最好效果。

5.4 目標(biāo)回波信號(hào)的分析

通過以上方案的實(shí)施，可以解決鐵路油罐車實(shí)現(xiàn)外部測(cè)量的技術(shù)方法，為鐵路運(yùn)輸安全提供測(cè)量保證。