葛仁望，林 正，金衛(wèi)良，牟彥春，李 青

(1.中國計量大學 機電工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江省特種設備科學研究院，浙江 杭州 310020)

0 引言

近年來，我國的經(jīng)濟實力增長迅速，較大程度上得益于工業(yè)的進步與發(fā)展。在工業(yè)生產與制造過程中會發(fā)生大量石油產品、化學制品等基礎能源、原料的消耗。同時，能源的儲存與運輸問題也相應而生。傳統(tǒng)的機械測量金屬密閉容器內液體液位法由于存在操作危險系數(shù)高、測量誤差大以及難以實現(xiàn)在線檢測功能等缺陷，正在慢慢退出大眾視野。

目前普遍使用的液位檢測技術分為接觸式液位檢測技術[1-3]與非接觸式液位檢測技術[4-7]。考慮本文主要針對密閉容器的液位測量，因此以非接觸式測量技術作為液位的檢測方法。當前普遍使用的非接觸式測量技術包含：視覺檢測技術、雷達檢測技術、激光檢測技術、紅外檢測技術、放射性檢測技術、超聲波檢測技術[8]等。視覺檢測技術與雷達檢測技術需要對被測容器進行開孔操作。激光檢測方法對容器透光性有要求，無法透過金屬容器檢測，檢測裝置成本較高且不易維護。紅外檢測方法具有響應速度快且測量精度高等優(yōu)點，但易受被測物體顏色和光線強度干擾。放射性檢測方法雖能滿足測量條件，但放射性元素不適用于一般工況且對人體有害。超聲波檢測方法不僅可應用于氣體介質液位測量也可應用在液體、固體介質中，實現(xiàn)液位測量，但其受環(huán)境溫度影響較大，需做溫度補償[9-11]。

在國外，液位測量技術及液位傳感器的研究起步較早，液位測量技術和方法多種多樣。截至目前，國外一些廠商，如羅斯蒙特、瑞士E+H、德國VEGA、美國Drexelbrook等都已研制出一系列具有自動化、智能化、檢測精度高且測量技術完備等特點的液位傳感器。相比國外，國內的液位測量技術起步較晚，現(xiàn)階段許多超高精度的液位裝置都源于進口。很多高校、研究院等正與某些生產企業(yè)聯(lián)手研制高精度液位測量裝置，國內部分企業(yè)和國外技術公司合作生產高質量液位測量裝置[12]。就目前情況而言，無論國內還是國外，針對密閉容器液位測量的超聲檢測裝置都比較少，且技術基本保密、裝置價格比較昂貴。

針對以上問題，本文利用超聲波透射特性[13]作為密閉容器的液位測量原理，通過設定發(fā)射波幅值和接收回波放大倍數(shù)，實現(xiàn)不同材料、厚度容器內物質的液位測量。在保證容器密封性的前提下，實時測量容器內當前液位及容器傾斜程度并通過顯示屏、阿里云端[14]以及上位機顯示數(shù)據(jù)，一定程度上實現(xiàn)人機交互。研究結果可為金屬密閉容器內液體液位測量提供一定的參考依據(jù)。

1 基于超聲透射特性的液位測量檢測原理分析

超聲波按質點運動的振動方向可以分為縱波、橫波、表面波、板波等[15]。其中橫波、板波、表面波的傳播介質為固體?？v波的傳播介質不僅可以為固體，也可以為液體與氣體。本文研究對象介質耦合方式為固體與液體或固體與氣體，因此本文利用縱波超聲波[16]展開研究。

使用超聲波換能器發(fā)射超聲波束時，聲軸線上的聲壓[16]可用式(1)表示：

(1)

式中：P0為超聲波換能器初始化聲壓，Pa；λ為波長，m；D為超聲波換能器直徑，m；x為軸線上傳輸點至波源的距離，m。

聲軸線上的聲壓在極大值(2P0)和極小值(0)之間變化。最后1個極大值與超聲波換能器之間的距離稱為近場長度(N，單位：m)，如圖1所示。其中近場長度[16]與超聲波束的發(fā)散角可由式(2)～(3)表示：

(2)

(3)

式中：α為近場長度與超聲波束的發(fā)散角，(°)。

圖1 超聲波聲場分布Fig.1 Ultrasonic field distribution

根據(jù)聲學基礎知識可知，以入射聲波從介質1垂直入射到介質2構成界面，在該界面部分聲波被反射形成反射波，反射波沿著與入射波相反的方向在介質中傳播；部分聲波將透過界面形成透射波，透射波沿著入射波相同的方向在介質中傳播，如圖2所示。

圖2 聲波垂直入射到容器表面時的反射與透射Fig.2 Reflection and transmission of acoustic wave perpendicularly incident on vessel surface

當超聲波在2種不同介質間傳播時，聲強的反射系數(shù)與透射系數(shù)[16]可由式(4)～(5)表示。

(4)

(5)

式中：rI為聲強反射系數(shù)；tI為聲強透射系數(shù)；Ii為入射波聲強，W/m2；Ir為反射波聲強，W/m2；It為透射波聲強，W/m2；rp表為聲壓反射系數(shù)；tp為聲壓透射系數(shù)；Z1,Z2為介質1和介質2的聲阻抗，Pa·m-2·s-1；ρ為介質密度，kg/m3；c為介質聲速，m/s。

如圖3所示，在實際測量過程中，超聲波探頭與被測容器互相耦合時存在3種情況：探頭完全處于液位以上、探頭介于液位與空氣間、探頭完全處于液位以下。

圖3 發(fā)射探頭檢測時所處狀態(tài)Fig.3 State of transmitting probe in detection

根據(jù)分析，被測容器在3種情況下的聲壓透射系數(shù)[3]可由式(6)表示。

(6)

式中：tp為聲壓透射系數(shù)；tair為容器與空氣的透射系數(shù)；tliq為容器與被測液體的透射系數(shù)；s為發(fā)射探頭在液位以下面積，m2；y為發(fā)射探頭底部與液面的相對距離，m。

超聲波在介質中傳播，存在衰減現(xiàn)象[16]，即波束擴散、晶粒散射和介質吸收。隨著距離增加，超聲波能量逐漸減弱。對于液體介質而言，衰減主要是吸收衰減，衰減方程由式(7)表示：

Px=P0+e-αx

(7)

式中：Px為至波源距離為x處聲壓，Pa；e為自然常數(shù)；α為吸收衰減系數(shù)，與溫度、介質密度、黏滯系數(shù)相關。

2 液位檢測系統(tǒng)設計

2.1 超聲波探頭間距固定裝置設計

在密閉容器液位檢測過程中，當被測容器體積較大時，為避免探頭間距對于測量結果的影響，安裝超聲波探頭間距固定裝置尤為重要。在確定超聲波探頭尺寸后，先根據(jù)超聲波探頭外形設計套件，再根據(jù)套件尺寸設計相應等間距固定裝置，最后將探頭置入固定裝置，如圖4所示。

圖4 超聲探頭固定裝置Fig.4 Fixing device of ultrasonic probe

2.2 超聲波液位檢測電路設計

根據(jù)超聲波原理與測量要求設計電路，液位檢測硬件電路主要包含：STM32f103rct6最小系統(tǒng)，電源模塊、超聲波液位檢測模塊、HC-SR04超聲波測距模塊、JY61三軸姿態(tài)傳感器模塊、OLED顯示模塊、Lora無線傳輸模塊、EC200S物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊，設計框圖如圖5所示。

圖5 液位檢測硬件電路設計Fig.5 Design of hardware circuit for liquid level detection

2.2.1 正弦波信號處理電路

超聲波探頭發(fā)射與接收的信號為正弦波信號。首先，經(jīng)過放大后的正弦波信號通過二極管峰值包絡檢波電路[4]將交流信號轉變?yōu)橹绷餍盘?。其次，將直流信號通過運放OP07進行放大。當沒有接收到信號時，三極管處于截止狀態(tài)，系統(tǒng)不做任何反應。當接收到的信號不小于4 V時，三極管處于飽和狀態(tài)，單片機得到3.3 V高電平信號，開始對數(shù)據(jù)進行處理，LED燈亮起，如圖6所示。

圖6 正弦波信號處理電路示意Fig.6 Schematic diagram for circuit of sine wave signal processing

2.2.2 超聲波液位檢測裝置的檢測過程

裝置通電，等待物聯(lián)網(wǎng)模塊聯(lián)機完成，上位機收到系統(tǒng)初始化完成信息，OLED屏顯示系統(tǒng)用戶界面(UI)。進入系統(tǒng)后通過按鍵組合選擇測量容器的材料與厚度，選擇完畢后按下相應按鍵打開裝置，系統(tǒng)發(fā)射正弦波信號，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)UI顯示信息Fig.7 Display information of system UI interface

正弦波信號激勵超聲波發(fā)射探頭。當超聲波發(fā)射探頭和接收探頭都處于被測液體上方或發(fā)射探頭在液體上方而接收探頭在液體下方，這2種情況系統(tǒng)不做任何反應。當超聲波發(fā)射探頭和接收探頭都處于被測液體下方時，檢測板LED燈點亮，并在上位機、阿里云端以及OLED顯示屏上顯示當前測量數(shù)據(jù)，超聲波液位檢測裝置如圖8所示。

圖8 超聲波液位檢測裝置實物Fig.8 Entity of ultrasonic liquid level detection device

3 實驗與分析

利用超聲的透射特性檢測密閉容器的液位裝載狀態(tài)時，需保證被測容器表面基本光滑，超聲探頭與被測容器充分耦合。本文實驗分別對鐵罐(表面基本光滑)以及不銹鋼罐(表面較為粗糙)內水和機油進行液位檢測。表1為本文實驗中選用的部分測量參數(shù)。

表1 本文實驗測量參數(shù)Table 1 Experimental measurement parameters

3.1 鐵罐內水位測量

被測容器為鐵罐，如圖9所示。該罐長12 cm、寬10 cm、高18 cm、厚度接近1 mm。超聲探頭采取鐵罐外表面一側上下放置，在發(fā)射探頭與接收探頭表面涂抹超聲耦合劑，自下而上進行掃描，觀測示波器接收回波的信號變化。

圖9 待測鐵罐容器Fig.9 Iron tank container to be tested

本文實驗證明，以發(fā)射探頭的激勵幅值取12 V為例，當超聲波發(fā)射探頭和接收探頭都處于水位下方時，接收探頭接收到正弦回波，如圖10所示。此時裝置LED燈點亮，顯示屏上實時顯示當前水位在鐵罐內的高度，并向上位機以及阿里云端上傳當前的液位高度數(shù)據(jù)以及容器的傾斜情況，上位機顯示的測量數(shù)據(jù)如圖11所示。

圖10 超聲波發(fā)射探頭和接收探頭都處于水位下方時檢測到鐵罐內水的回波顯示Fig.10 Echo display of detected water in iron tank with both ultrasonic transmitting probe and receiving probe under liquid level

圖11 上位機測量數(shù)據(jù)Fig.11 Measurement data of upper machine

當發(fā)射探頭介于水位與空氣間，接收探頭處于水位下方時，隨著發(fā)射探頭上移，接收到的回波呈現(xiàn)逐漸遞減狀態(tài)，如圖12所示。

圖12 超聲波發(fā)射探頭介于水位與空氣間，接收探頭處于液位下方時，不同發(fā)射探頭位置接收到的回波幅值變化Fig.12 Change of echo amplitude received at different transmitter probe positions with ultrasonic transmitting probe between liquid level and air and receiving probe below liquid level

當超聲波發(fā)射探頭和接收探頭都處于被測水位上方或發(fā)射探頭在水位上方而接收探頭在水位下方時，接收探頭未接收到正弦回波，如圖13所示，此時裝置沒有任何反應。

圖13 超聲波發(fā)射探頭和接收探頭都處于被測水位上方或發(fā)射探頭在水位上方而接收探頭在水位下方時未檢測到鐵罐內水的回波顯示Fig.13 Echo display of undetected water in iron tank with both ultrasonic transmitting probe and receiving probe above measured liquid level or transmitting probe above liquid level and receiving probe below liquid level

為查看透過被測鐵罐的聲壓大小，將2個超聲探頭分別置于被測鐵罐壁一側內外表面，如圖14(a)所示。將2個超聲探頭置于被測鐵罐壁兩側外表面相對位置，如圖14(b)所示。

圖14 2個超聲探頭置于被測鐵罐壁不同位置Fig.14 Two ultrasonic probes placed in different positions on wall of measured iron tank

通過軟件與硬件結合，給予發(fā)射探頭不同激勵幅值，接收探頭回波幅值如圖15所示。

圖15 不同激勵幅值探頭置于鐵罐兩側與內外側接收探頭回波情況Fig.15 Echo of probes placed on both sides and inside and outside with different excitation amplitudes

由圖15可知，當激勵幅值不斷增大時，接收探頭的回波幅值也同樣增大。將探頭置于被測容器壁一側內外表面時，透過容器的聲波存在衰減現(xiàn)象，基本呈線性。將探頭置于液位上方兩側相對位置時，接收探頭沒有收到回波。

當發(fā)射探頭與接收探頭采取在鐵罐一側外表面上下放置時，通過多組重復實驗記錄在不同激勵幅值，當2個探頭在水位下方時收到的回波幅值情況，如圖16所示。

圖16 發(fā)射探頭與接收探頭處于鐵罐一側外表面上下放置時，不同激勵幅值下水的回波幅值Fig.16 Echo amplitude of water under different excitation amplitudes with transmitting probe and receiving probe on external surface of iron tank on one side with upper and lower arrangement

由圖16可知，激勵幅值為2 V時，回波幅值變化明顯，波形受參雜嚴重。激勵幅值大于5 V時，回波幅值基本穩(wěn)定。對比圖15，當2個探頭采取在鐵罐一側外表面上下放置時，接收探頭收到的回波幅值比將探頭直接置于容器兩側外表面要小很多。將探頭置于液位下鐵罐壁兩側外表面時聲波的衰減比探頭置于一側外表面時衰減嚴重，同樣基本呈線性。說明探頭采取在鐵罐一側外表面上下放置，此時接收探頭收到的回波幅值是超聲波在被測水中經(jīng)過多次折射、透射、反射后所得到的值。超聲波總聲壓[16]反射系數(shù)、透射系數(shù)可由式(8)～(9)表示:

(8)

(9)

式中：rp為聲壓反射系數(shù)；pr為反射波聲壓，Pa；pi為入射波聲壓，Pa；pt為透射波聲壓，Pa；d為被測液體的厚度，m；m為介質1與介質2的聲阻抗比值；λ2為被測液體波長，m。

為盡可能減少功耗以及保證數(shù)據(jù)可靠性，根據(jù)實驗結果測得在不同激勵幅值下的測量誤差、液位狀態(tài)誤判情況以及裝置功耗，不同激勵幅值下測量10組數(shù)據(jù)并取平均值，如表2所示。

表2 不同激勵幅值下鐵罐內水位情況Table 2 Water level in iron tank under different excitation amplitudes

從表2測試結果可知，激勵幅值取5 V時，罐內的液體位置基本可以判斷，根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得到激勵幅值越低，裝置的功耗越小。因此將5 V作為檢測0.5 mm鐵罐的正弦波發(fā)射幅值。

3.2 不銹鋼罐內水位測量

如圖17所示，不銹鋼罐口徑50 cm,罐高50 cm，厚度接近1 mm。不銹鋼罐的體積與厚度相對鐵罐較大，因此聲波的衰減也相對較大。

圖17 待測不銹鋼罐Fig.17 Stainless steel tank to be tested

在測量不銹鋼罐內水位時，接收回波的信號需要更大的放大倍數(shù)才能看到實驗現(xiàn)象。在回波信號放大10倍后，接收探頭接收到的回波如圖18所示。

圖18 超聲波發(fā)射探頭和接收探頭都處于水位下方時檢測到不銹鋼罐內水的回波顯示Fig.18 Echo display of detected water in stainless steel tank with both ultrasonic transmitting probe and receiving probe under liquid level

圖19 發(fā)射探頭與接收探頭處于不銹鋼一側外表面上下放置時，不同激勵幅值下水的回波幅值Fig.19 Echo amplitude of water under different excitation amplitudes with transmitting probe and receiving probe on external surface of stainless steel tank on one side with upper and lower arrangement

與檢測鐵罐時采取方法相同，在不同激勵幅值下測得不銹鋼罐的回波幅值，如圖19所示。隨著被測容器體積與厚度增加，水的回波幅值比測量鐵罐時小許多。激勵幅值取2 V時，即使對信號放大10倍，也沒有收到回波。激勵幅值取5 V時，回波信號變化明顯。在回波大于7 V時，回波信號基本趨于穩(wěn)定。當激勵幅值大于10 V時，在液位以上位置，回波信號放大10倍，會收到類似正弦的雜波信號，以激勵幅值12 V為例，回波情況如圖20所示。雜波信號經(jīng)過運放下一級放大，對實際液體位置判斷產生一定影響。

圖20 不銹鋼罐容器受激勵幅值為12 V時檢測到水回波情況Fig.20 Water echo detected in stainless steel tank vessel with excitation amplitude of 12 V

同理，經(jīng)過重復實驗，測量10組數(shù)據(jù)取平均值，對數(shù)據(jù)進行分析，測試結果如表3所示。從測試結果可知，在激勵幅值取7 V時，液體位置測量結果較為準確，

表3 不同激勵幅值在放大10倍下測量不銹鋼罐內回波幅值情況Table 3 Measured echo amplitude in stainless steel tank with different excitation amplitudes amplified by 10 times

基本不存在誤判。因此將激勵幅值取7 V作為檢測厚度約為1 mm不銹鋼類容器的正弦波發(fā)射幅值。

3.3 其他液體實驗驗證

為驗證超聲阻抗法以及裝置測量的準確性與可行性，將待測鐵罐內的液體換成與水阻抗值相近的機油。回波幅值測量結果與水的測量結果基本相同，如表4所示。

表4 不同激勵幅值下鐵罐內機油回波幅值情況Table 4 Echo amplitude of engine oil in iron tank under different excitation amplitudes

表4(續(xù))

3.4 大型密閉容器內液位測量方式

當被測對象為大型密閉容器時，以槽罐車內液位測量為例，對于容器內液位無法直接測量。本文設計裝置采用鏈條式表貼方法，在容器的外表壁成對表貼超聲探頭，如圖21所示。以自下而上掃描的方式，對容器內液體進行液位測量，掃描過程中當超聲探頭組檢測到液體時，向上位機和云端上傳當前液位高度。

圖21 測量大型密閉容器Fig.21 Measured large closed vessel

4 結論

1)本文液位測量裝置可測量不同材料、厚度容器內裝載液體液位，所測數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，數(shù)據(jù)誤差范圍不大于3 mm。測量裝置可根據(jù)被測容器物理特性，在確保容器液位可測情況下，減少裝置功耗，并向上位機和云端上傳當前液位高度及容器傾斜情況。測量大型容器時，需要提高超聲波發(fā)射探頭功率，具體過程需通過實驗校準。

2)被測容器的表層防腐處理對測量結果幾乎沒有影響，但表層的光滑度對測量結果具有一定影響。超聲波探頭在發(fā)射與接收聲波過程中，如果被測容器表面過于粗糙，與探頭耦合不充分，接收探頭所接收的回波會小很多，甚至接收不到回波。