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淤泥界面检测系统的设计


《自 动 化 技 术 与 应 用 》2 0 0 8 年 第 2 7 卷 第 1 期

     经验交流
Technical Communications

淤泥界面检测系统的设计
田晓娟, 万金领, 宋  欣
(山东轻工业学院,山东 济南 250353)

摘  要:本文阐述了利用超声波实现淤泥界面测量的基本原理和方法,并介绍了系统的硬件和软件的总体设计,最后对系统的测量误 差进行了分析。该系统可以实现对淤泥界面的检测,提高了污水处理厂沉淀池运行效率。 关键词:超声波传感器;淤泥界面;沉淀池 中图分类号:TU413    文献标识码:B    文章编号:1003-7241(2008)01-0114-03

Ultrasonic Sludge Level Detection
TIAN Xiao-juan, WAN Jin-ling, SONG Xin
(Shandong Institute of Light Industry,Jinan 250353,China)
Abstract: This paper introduces ultrasonic method of measuring the sludge level. The design of the hardware and software of the system is outlined,and the measuring error of the system is analysed. This system can meet the need and improve the efficiency of the deposite tank of the sewage treatment plant. Keywords: ultrasonic sensor; sludge level; deposite tank

1  引言
随着工业的发展及世界人口的大量增长,污水处理问题变得 日益尖锐。 在我国,随着国民生产总值的不断增长,政府也在不断 加大污水处理工程的投入。 然而由于我国污水处理的自动化程度 较低,导致我国大部分污水处理工程运行效率低下、 运营成本过 高。 所以面对我国污水处理的形势,研究和开发一种合适的沉淀 池内泥水界面的自动测量系统,是实际工业生产的迫切需要,具有 很好的应用价值。 国内由于受在线检测技术水平的限制,污水处理的自动化 程度较低[1]。 而实现污水处理的自动化,可以在很大程度上降低 成本,提高生产效率。 在污水处理过程中,对沉淀池淤泥厚度的 测量是件很困难的工作,目前采用的方法受很多条件的限制,很 难实现自动化。 目前,界面检测的方法有电容法、 光纤法和超声 波法等,由于超声波测量是一种非接触式的检测方式,在恶劣的 环境下有一定的适应能力,比较适合沉淀池内污泥界面的检测。 本文将超声波理论引入污泥界面的检测,利用超声波来实现淤泥 界面的检测。 本文将介绍一种利用超声波实现沉淀池内淤泥界 面测量的系统。

2  系统原理
超声波通常是指振动频率大于20 kHz 的声波,它具有频率 高、 波长短、 绕射现象小, 特别是方向性好、 能够成为射线而定 向传播等特点。 而且超声波测距是一种传统而且操作简单、 实用 的非接触测量方法, 它不受光线、 颜色以及电磁场的影响。 在恶 劣作业环境下有一定的适应能力。 超声波界面检测是基于超声波测距原理的,超声波测距定位 的方法有多种,如相位检测法、 声波幅值检测法和渡越时间检测 法[2]等。 相位检测法虽然精度高,但检测范围有限:声波幅值检测 法易受反射波的影响。 本系统设计采用超声波渡越时间检测法, 其工作原理可简述为:由发射传感器发出超声波脉冲,在媒质中传 到介质界面,经反射后再通过媒质返回到接收传感器,测出超声波 脉冲从发射到接收到所需的时间,即往返时间。 往返时间与媒质 中的声速相乘,就是声波传输的距离。 而所测传感器到界面之间 的距离是声波传输距离的一半,从而确定界面位置。 其基本原理 如图 1 所示:

收稿日期: 2 0 0 7 - 0 6 - 1 5

图1  超声波测量原理图
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《 自 动 化 技 术 与 应 用 》2 0 0 8 年 第 2 7 卷 第 1 期

设超声波的声速为 c ,则液体中的声速为 式中: ρ —液体密度,kj—绝热压缩系数: 设探测超声波从换能器发射经污泥层表面反射至换能器接 收所用的时间为t,则从探头到污泥表面的距离为:

频率为 40KHZ 的超声波。

c = (1 ρ k j )

1

2

                                (1.1)

3.2  超声波接收电路
由障碍物反射的回波引起的压电晶片产生的射频电压不过 几十毫伏,要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。 本系统的接收部分就是由三级放大电路和门限判别电路构成的, 最终产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。 接收放大器的作用是放大有用信号,并抑制其它噪声与干扰, 从而达到最大的信噪比,以利于检测电路的正确检测,放大器组成 框图如图3。 前置放大主要起阻抗匹配的作用,使输入信号功率最 大。带通放大器选择最佳时间带宽积,以达到匹配滤波的效果。 程控放大器调节信号幅值,使其保持在同一数量级,放大倍数由单 片机通过控制端控制。

h =

1 ct                                      (1.2) 2

在上式中,h 为待测距离,c 为超声波的声速,t 为往返时间。 探头到池底的位置 H 是已知的,则污泥的厚度 d: d=H-h=H-(ct/2)                               (1.3) 由于超声波在液体中衰减比较小,液介式工作频率较气介式 高。 而频率愈高,超声波测距的分辨力也愈高,因而淤泥界面检测 选用液介式,将超声波探头浸入水下 2 mm 左右。但频率变高, 则检测距离变短。 综合考虑检测距离和分辨力,系统选用中心频 率为 40 kHz 的超声波传感器。

3  系统的硬件组成
该系统主要由超声波发射、 接收电路,显示电路和温度补偿 电路构成,并且采用单片机作为系统的中心控制部分。 系统组成 框图如图 2 所示: 图3  放大器组成框图 接收的回波信号经过接收放大器处理以后进入到门限比较 电路,比较器将经过放大后的交流信号整形出方波信号,该方波的 上升沿使控制触发器置0,通过与之相连的P3.2口向单片机发出 中断请求,此时单片机的 P3.2 口为低电平,即 INT 0 =0,计数器 T0 停止计数。

3.3  温度补偿电路
根据公式 h=ct/2,可知界位h 与声速c 有关。 根据声传播的 图2  系统组成框图 单片机输出同步信号,同时触发发射电路和接收电路工作。 发射电路产生高频脉冲电压激发超声波发射探头,向待测界面发 射超声波:接收电路接收回波信号,触发定时器中断,并将计数值 转存片内存储器,温度传感器采集温度数据,然后用单片机进行数 据处理,最后送到显示电路进行显示。 物理特性[3] ,声速c随温度T的变化为:在0℃≤T ≤100℃和0bar ≤P ≤200bar范围内,水温升高1℃,声速约增加4.5m/s。 可见, 温度对声速具有一定的影响,当环境温度变化较大时,为减小测量 误差,须对声速进行补偿。 污水处理厂大多是露天沉淀池,水温变化比较大,考虑到水温对 声速的影响,如果不采取校正措施,势必给测量结果带来较大误差。 本系统采取增设温度传感器的方法,在沉淀池中安放温度传感器来实 时测量温度,利用声速与温度的关系,对超声波的声速进行补偿。 本系统采用 DALLAS 公司的 1-Wire 多点数字温度传感器 DS18B20[4],它是美国DALLAS公司最新推出的一种可组网数字式 温度传感器。 DS18B20与单片机的接口极其简单,只需将DS18B20 的信号线与单片机的一位双向端口相连即可,本系统中 DS18B20 采用外接电源方式与单片机相连,如下图4所示:

3.1  超声波的发射电路
系统中选用的超声工作方式是单换能自发自收式,脉冲计数 测距方式。 超声脉冲的发射是由压电换能器完成的,它的能量将 取自高压脉冲发生器所提供的高压电脉冲,超声波发射驱动电路 的设计主要包括:具备功率恒定的振荡源,输出功率恒定的功率放 大和振荡源可控。 本系统的发射电路采用 NE555 构成多谐振荡电路产生高频 脉冲串构成发射级,NE555的输入信号是来自单片机P1.0口输出 的矩形脉冲电压,该同步脉冲启动多谐振荡器,使其输出具有周期 性间隔的40KHZ的脉冲方波信号,然后将该超声波脉冲信号经过 功率放大加至超声波换能器发射探头,根据逆压电效应,产生振动

图 4  DS18B20 与微处理器的连接图
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3.4  显示部分
显示部分用了一块 16*2 的字符型 LCD 模块 ,它的读写操 作、 屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的,显示内容丰 富,美观,编程灵活方便,和单片机的接口也较简单方便。 为了节 省单片机接口资源,与单片机采用串行接口连接。 在该系统中,它 主要是用来显示开机画面、 界面位置等。 LCD的主要技术参数如 表 1 所示。 表 1  LCD的主要技术参数
[5]

之间的依赖关系,通常用实验来测量液体声速随温度和压力的变 化。 下面列出了水的一个声速经验公式[6]。

式中 P—以巴(bar)为单位的标准压力 t=T/100,T 为摄氏温度 压力值随地理位置的不同略有变化,但在同一地区基本是定 值,故可以事先设定,温度可由温度传感器测出,则根据上式可以 比较精确的得出超声波的传播速度,对声速进行校正。

5  系统误差分析
(1)  温度的影响虽然加了温度修正,但由于声波传播过程 中,温度在一个梯度方向,且各点温度有上下浮动,加上测温器 存在误差,所以仍会给声速的测量带来影响,给距离测量带来一 定的误差。

4  系统软件设计
系统软件设计采用结构化设计和模块化设计相结合的方 法,主要包括主程序、 中断子程序和其他子程序。 主程序主要完 成系统上电后的初始化工作,并按照流程图5中所示调用各个功 能子模块完成系统的功能。 各功能子模块主要有:单片机中断程 序、距离计算子程序及 BCD 码转换子程序等。主程序流程图 如下图 5 所示:

(2)  超声波的能量大小及衰减的影响。 超声波在空气中传 播,随传播距离的增加,其强度因空气吸收而减弱,呈指数规律下 降,且超声波频率越高,衰减得越快。 (3)  由于工作环境恶劣,存在大量悬浮颗粒,在测量过程中 有可能造成数据的波动,而淤泥的厚度却是一个缓慢渐变的过程。

6  结束语
本淤泥界面检测系统,利用超声波的测距原理实现界面检测, 以单片机为系统的控制中心,采用单片机软件编程技术,配合硬件 完成了系统的基本要求,通过温度补偿修正,可以使系统达到一定 的测量精度。 在测量距离不是特别小时及对测量精度要求不是很 高的场合,系统基本可以达到要求。由于系统简单可靠,容易控 制,可以使用于多方面的测距的应用。

参考文献:
[ 1 ]   崔俊华, 张瑞棉, 张玉林, 樊明远. 污水处理设备现状及国 产现代化[J].重庆环境科学,2003,25(4):11-13 [ 3 ] 李义臣, 万金领. 污水处理厂沉淀池淤泥界面检测系统[ J ] . 机械与电子,2006(1):40-42 [5] TATTERSALL H G.Ultrasonic pulse-echo techniques as applied to adhesion testing[J].Journal of Physics D:Applied Physics, 1973,6(7):819-832 [ 6 ]   赵海兰, 赵祥伟. 智能温度传感器 D S 1 8 B 2 0 的原理与应用 [J].现代电子技术,2003,(14):32-34 [ 7 ]   李维提, 郭强. 液晶显示应用技术[ M ] .北京: 电子工业出版 社,2000. [ 8 ]   刘伯胜, 雷家煜. 水声学原理[ M ] .哈尔滨: 哈尔滨船舶工程 学院出版社, 1 9 9 3 .

图5  超声测距系统主程序流程图 系统上电以后,首先对 T0、各 I/O 口进行初始化编程,P1.0 输出启动信号,发射超声波,同时设置 INT 0 =1,T0计数器开始计 数。 如果没有收到回波信号,T0将溢出,同时显示器将显示错误报 警以说明没有受到回波信号。 如果有收到回波信号,则发出中断 请求,系统将执行中断处理子程序,取出进入中断处理程序时的定 时器 T0 的值读出并存入 RAM 中,距离计算子程序将利用已经测 得的环境温度及T0的计数值按照一定的公式进行运算,算出淤泥 界面的距离。最后再调用 BCD 转换子程序显示输出。 其中距离计算程序调用了温度补偿子程序完成对声速的补 偿。 根据声传播的物理特性,对于液体而言,液体的温度和压力变 化将会直接影响声速的变化。 但是,没有简单表示式来说明它们
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作者简介: 田晓娟(1 9 7 9 - ) 女, 在读硕士研究生, 研究方向: , 机械电子工程、流体传动与控制。


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