本實(shí)用新型涉及超聲波物位計，特別涉及一種高精度超聲波物位計。

背景技術(shù)：

超聲波物位計的回波信號一般需經(jīng)過濾波、放大、包絡(luò)檢波等信號處理電路，進(jìn)而通過電壓比較和過零比較確定回波檢測點(diǎn)、計算傳播時間，根據(jù)正逆程時間差，實(shí)現(xiàn)距離測量的功能。超聲波發(fā)出的信號發(fā)射幅值一般不大，在幾伏到十幾伏。經(jīng)過介質(zhì)傳播后，信號幅值一般會衰減到十幾到幾十毫伏，必須經(jīng)過信號的放大處理，才能夠穩(wěn)定可靠地進(jìn)行后續(xù)的檢波和比較等信號處理，放大后的信號幅值一般在幾百毫伏到幾伏。信號放大電路中，如果放大倍數(shù)過大，就會引入過大的噪聲或者產(chǎn)生回波信號失真現(xiàn)象。如果放大倍數(shù)過小，就會使回波檢測點(diǎn)的測量不穩(wěn)定，導(dǎo)致檢測不到真實(shí)的回波。測量電路中，回波信號強(qiáng)度一般通過幅值檢測，經(jīng)過AD采樣，測得信號幅值。超聲波脈沖發(fā)射時，不能同時檢測反射的回波，因?yàn)榘l(fā)射的超聲波脈沖具有一定的時間寬度，同時發(fā)射完超聲波后傳感器還有余振，期間不能檢測反射回波，因此從探頭表面向下開始的一小段距離無法正常檢測，這段距離稱為盲區(qū)，被測的最高物位如進(jìn)入盲區(qū)，儀表將不能正確檢測，會出現(xiàn)誤差。超聲波在氣體中的傳播速度還受氣體溫度所影響，因此物位計工作時需要檢測周圍環(huán)境溫度，對聲速進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以保證測量精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實(shí)用新型提供一種高精度超聲波物位計及測量方法，首先是增加了儀表對溫度信號的采集，溫度補(bǔ)償提高測量精度，其次是自動調(diào)整增益，使回波信號的幅值達(dá)到最佳，確保測量結(jié)果的可靠穩(wěn)定性，同時設(shè)計了多通道可調(diào)量程電路，具體技術(shù)方案是，一種高精度超聲波物位計，電路部分包括供電電路、發(fā)射采集信號處理電路、多通道可調(diào)量程電路、中間處理過程電路、溫度采集電路及單片機(jī)電路，其特征在于：供電電路連接為供電電源為24V直流,輸入端分別連接瞬變抑制二極管D3兩端、電感L2輸入兩端，二極管D3一端連測試點(diǎn)M1，電感L2輸出兩端連接電容C4，電容C4兩端分別串接電感L1、L3與電容C5并聯(lián)，電感L1一端連試點(diǎn)M2、連二極管D2，輸出端為LOOP；發(fā)射采集信號處理電路連接為超聲波探頭換能器正極串接電阻R4后與電容C3一端連接，超聲波探頭換能器負(fù)極和屏蔽線端與電阻R20、R22、電容C14一端連接并接地，在換能器的正負(fù)極之間并聯(lián)D1，電容C3另一端為試點(diǎn)M14、電阻R7和R20接到三極管Q6基極，電阻R7另一端供電為3.3V，電阻R22、電容C14并聯(lián)接三極管Q6發(fā)射極，三極管Q6集電極經(jīng)電阻R10接3.3V，三極管Q6集電極接電容C17后為試點(diǎn)M15，信號放大器U6的8引腳為測試點(diǎn)M12，信號放大器U6的7引腳接電阻R14后接地，3.3V與SGND之間為0.01uF電容，信號放大器U6的VDD、ADO端接供電電壓3.3V，SCL、SDA端分別接到單片機(jī)的P2.0,P3.2引腳，U6的1引腳輸出端連接到中間處理過程電路的輸入端；中間處理過程電路包括有運(yùn)算放大電路和后續(xù)處理過程電路，運(yùn)算放大電路連接為芯片U2的1引腳接電阻R11，R45到信號地端SGND，電阻R13、R36串聯(lián)、電阻R18、R35串聯(lián)、電阻R24、R33串聯(lián)后分別與電容C27并聯(lián)，兩端接到運(yùn)算放大電路芯片U2的6，7引腳，芯片U2的4 、8引腳分別接正負(fù)3.3V,芯片U7的電路與U2的電路完全對稱，由U2和U7及其附屬電路共同組成的電路為三通道可調(diào)量程的設(shè)計電路，一通道為5米量程、二通道為10米量程、三通道為15米量程，選擇不同的量程需要配合不同頻率的超聲波探頭，選擇某一通道量程時，只需拆除其他通道0Ω電阻保持?jǐn)嗦芳纯?，U2與U7均為MAX4332芯片，信號由U2的3引腳輸入，U7的7引腳輸出，經(jīng)后續(xù)處理過程電路使中間處理過程電路最終輸出分別接到單片機(jī)的P6.3, P6.4, P6.5引腳；溫度傳感器電路中使用3.2V供電,傳感器1，3引腳為供電端，2引腳為信號輸出端連接在單片機(jī)的P5.2；單片機(jī)的時鐘振蕩電路Y1兩引腳分別連接在單片機(jī)的XIN、XOUT/TCLK兩引腳。

本實(shí)用新型的技術(shù)效果，提高了儀表的距離測量精度，保證測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性和穩(wěn)定性，可廣泛用于各種工礦的液位和固體的料位高度測量。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的電路原理圖；

圖2為本實(shí)用新型的發(fā)射采集信號處理電路原理圖；

圖3為本實(shí)用新型的供電電路原理圖；

圖4為本實(shí)用新型的多通道可調(diào)量程電路原理圖；

圖5為本實(shí)用新型的溫度采集電路原理圖；

圖6為本實(shí)用新型的自動增益調(diào)節(jié)流程圖；

圖7為本實(shí)用新型的溫度檢測流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合設(shè)計電路圖做進(jìn)一步說明。

如圖1、2、3、4、5所示，一種高精度超聲波物位計，電路部分包括供電電路、發(fā)射采集信號處理電路、多通道可調(diào)量程電路、中間處理過程電路、溫度采集電路及單片機(jī)電路，其特征在于：供電電路連接為供電電源為24V直流,輸入端分別連接瞬變抑制二極管D3兩端、電感L2輸入兩端，二極管D3一端連測試點(diǎn)M1，電感L2輸出兩端連接電容C4，電容C4兩端分別串接電感L1、L3與電容C5并聯(lián)，電感L1一端連試點(diǎn)M2、連二極管D2，輸出端為LOOP，其中，瞬變抑制二極管D3采用P15KE24CA。

發(fā)射采集信號處理電路連接為超聲波探頭換能器正極串接電阻R4后與電容C3一端連接，超聲波探頭換能器負(fù)極和屏蔽線端與電阻R20、R22、電容C14一端連接并接地，在換能器的正負(fù)極之間并聯(lián)D1，電容C3另一端為試點(diǎn)M14、電阻R7和R20接到三極管Q6基極，電阻R7另一端供電為3.3V，電阻R22、電容C14并聯(lián)接三極管Q6發(fā)射極，三極管Q6集電極經(jīng)電阻R10接3.3V，三極管Q6集電極接電容C17后為試點(diǎn)M15，信號放大器U6的8引腳為測試點(diǎn)M12，信號放大器U6的7引腳接電阻R14后接地，3.3V與SGND之間為0.01uF電容，信號放大器U6的VDD、ADO端接供電電壓3.3V，SCL、SDA端分別接到單片機(jī)的P2.0,P3.2引腳，U6的1引腳輸出端連接到中間處理過程電路的輸入端，其中，信號放大器U6采用AD5245BRJ50。

中間處理過程電路包括有運(yùn)算放大電路和后續(xù)處理過程電路，運(yùn)算放大電路連接為芯片U2的1引腳接電阻R11，R45到信號地端SGND，電阻R13、R36串聯(lián)、電阻R18、R35串聯(lián)、電阻R24、R33串聯(lián)后分別與電容C27并聯(lián)，兩端接到運(yùn)算放大電路芯片U2的6，7引腳，芯片U2的4 、8引腳分別接正負(fù)3.3V,芯片U7的電路與U2的電路完全對稱，由U2和U7及其附屬電路共同組成的電路為三通道可調(diào)量程的設(shè)計電路，一通道為5米量程、二通道為10米量程、三通道為15米量程，選擇不同的量程需要配合不同頻率的超聲波探頭，選擇某一通道量程時，只需拆除其他通道0Ω電阻保持?jǐn)嗦芳纯?，信號由U2的3引腳輸入，U7的7引腳輸出，經(jīng)后續(xù)處理過程電路使中間處理過程電路最終輸出分別接到單片機(jī)的P6.3, P6.4, P6.5引腳，其中，采用U2與U7均為MAX4332芯片。

溫度傳感器電路中使用3.2V供電,傳感器1，3引腳為供電端，2引腳為信號輸出端連接在單片機(jī)的P5.2，其中，溫度傳感器為數(shù)字型傳感器DS18B20。

單片機(jī)的時鐘振蕩電路Y1兩引腳分別連接在單片機(jī)的XIN、XOUT/TCLK兩引腳。其中，單片機(jī)為MSP430F149IPM芯片。

如圖6、7所示，控制方法包括幅值控制和溫度補(bǔ)償控制，幅值控制步驟為：

如圖6、7所示，控制方法包括幅值控制和溫度補(bǔ)償控制，幅值控制步驟為：

1）、初始化中，依據(jù)具體的檢測電路和放大電路，設(shè)置上下限閥值；

2）、檢測超聲波信號幅值，判斷信號幅值是否在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，低于，進(jìn)行步驟3），高于，進(jìn)行步驟4），若在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，則進(jìn)入步驟5）；

3）、將信號增益值加1，并記錄本次幅值，進(jìn)行步驟2；

4）、將信號增益值減1，并記錄本次幅值，進(jìn)行步驟2；

5）、判斷在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，且所測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，自動增益調(diào)節(jié)結(jié)束。

溫度補(bǔ)償控制步驟為，

1）、實(shí)時監(jiān)測工礦溫度、讀取溫度值，對傳播速度進(jìn)行計算補(bǔ)償，計算公式為對聲波速度進(jìn)行修正，以減少超聲波測量誤差不穩(wěn)定因素；

2）、設(shè)定上下限，判斷溫度是否在測量范圍內(nèi)，是，發(fā)給單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償，否，報警輸出。

電路原理是對超聲波發(fā)射采集電路和溫度采集電路，回波信號通過電容去除直流分量，經(jīng)過兩階放大電路后，進(jìn)行后續(xù)的處理電路，峰值檢測電路用于檢測放大后信號的峰值，以此值作為回波信號放大后的信號幅值，通過控制模擬開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)，用于調(diào)整信號增益。

自動調(diào)整信號增益原理是，記錄上一次測得的信號幅值大小，通過比較本次測得幅值、上一次測得的幅值、低位閾值和高位閾值之間的大小關(guān)系，判斷調(diào)節(jié)過程是否達(dá)到預(yù)期目的，使回波信號的幅值達(dá)到最佳，確保測量結(jié)果的穩(wěn)定。

溫度補(bǔ)償原理是，超聲波的傳播速度在不同溫度下是不同的，其傳播速度與環(huán)境溫度T的關(guān)系可由下式描述， 在測量中需按上式對聲波速度進(jìn)行修正，以減少測量誤差，避免超聲波測距不穩(wěn)定因素。